养护温度及时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展的影响

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发布时间：2021-09-03

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养护温度及时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度
发展的影响
谢子令。李显
(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325035)
摘要：以砂、碎石为骨料，粉煤灰及少量的硅灰为胶凝材料，水玻璃、氢氧化钠为激发剂制备了地质聚合物混凝土，测试了不
同养护温度及时间下粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度，旨在揭示养护温度及龄期对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展
的影响规律。结果表明：在20-80℃之间，提高养护温度可以提高粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度，并呈现线性增长的关
系，进一步提高养护温度会导致试样表面微裂纹的产生，进而导致抗压强度有所下降；地质聚合物混凝土的抗压强度随龄期的增
加而增大，并趋于稳定，该趋势可用指数函数加以描述；早期的高温养护会加速聚合化反应速度，降低聚合化反应时间，即高温短
时养护可达到低温长时养护的效果。
关键词：粉煤灰；地质聚合物；混凝土；养护条件
中图分类号： TU528．064 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2014)06—0055—04
Efect of curing temperature and curing time on compressive strength of fly ash geopolymer concrete
XIEZiling，LIXian
(College ofArchitecture and Civil Engineering，University ofWenzhou，Wenzhou 325035，China)
Abstract： Using sand and crushed rock as aggregate，fly ash and some silica fume as precursor，sodium hydroxide and water glass as ac—
tivator，a geopolymer concrete was produced．The effect of curing temperature and age times on the compressive strength of the fly ash
geopolymer concrete were studied．The results show that the compressive strength ofthe geopolymer concrete increases lineally with curing
temperature in the range of20℃ to 80℃ ．When the curing temperature is further increased up to 100℃ ．a 3．1％ decrease in compressive
strength will be observed as compared to that cured at 80℃ ．This is due to hi}gh temperature curing induced microcracks formed on the sur—
face of the samples．As well as the curing time concerned，the compressive strength increased at initial curing periods an d gradually tended
to level of at later period．The tendency carl been captm'ed by an exponential decay fimction．Further an alysis revealed that increasing initial
curing temperature can enhanced the geopolymerization process，an d then achieved high compression s~ength in a short time as compared
to the samples curing at ambient temperature．
Key w ords： fly ash；geopolymer；concrete；curing condition
0 引言
地质聚合物材料(Geopolymer)是近年来新发展起来
的一类碱激发胶凝材料。它是以天然铝硅酸盐矿物或工业
固体废弃物(粉煤灰、煤矸石以及矿渣)为主要原料，与含
铝质黏土(主要为偏高岭土或高岭石)和适量碱硅酸盐溶
液充分混合后，在20～120 oC的养护条件下成型硬化生成的
一类铝硅酸盐类沸石材料[1]，具有高强度、高耐腐蚀性、
耐高温等特点，可作为胶凝材料来制备混凝土材料及其
构件[5-10]。目前，中国粉煤灰的排放量每年已超过3．0亿t。
由于煤炭在中国一次性能源消费中约占70％，未来很长一
段时期内国内仍将以燃煤发电为主，因而仍将产生大量的
粉煤灰。国内目前对粉煤灰的综合利用率只有30％左右，
大量的粉煤灰得不到有效利用，采用堆放处理不仅占用了
大量的土地，而且还污染环境[1l】。因此，利用粉煤灰作为主
要原材料制备地质聚合物混凝土不仅可以扩大粉煤灰固
体废弃物利用途径，并且可以缓解水泥混凝土产业温室气
体排放的压力。粉煤灰基矿物聚合物的强度不仅与粉煤灰
的活性指数和物理特性(如颗粒尺寸)等因素有关【埘，还受
到所用激发剂种类和浓度的影响『131。目前更多的研究工作
主要集中在材料的内在影响对地质聚合物胶凝材料凝结
硬化的影响，而对于材料的制备工艺，特别是养护条件对
地质聚合物混凝土强度发展的影响研究较少。作为火山灰
质材料，粉煤灰的活性是潜在的，提高养护温度有利于粉
收稿日期：2013—12—17
基金项目：浙江省教育厅项目(Y201121074)；2010年度温州市建筑节能财政专项资金资助项目；浙江省大学生科技创新活动计40(新苗人
才计划)基金项目(2012R424037)
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煤灰基地质聚合物混凝土的强度发展ll4J。然而，养护温度
及养护时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展影响
的量化关系还有待深入研究。所以本研究主要针对一定的
激发剂溶液，测定在不同养护温度和龄期下粉煤灰基矿物
聚合物的强度，确定养护温度对粉煤灰基矿物聚合物强度
发展的影响规律；同时，为了探究早期高温养护对粉煤灰
基矿物聚合物在常温下后期强度发展的影响，还同步测定
了高温养护后在常温下不同龄期时的强度，试图建立养护
温度及时间与粉煤灰基地质聚合物混凝土强度演化的量
化关系。
1 原材料及试验设计
1．1 原材料
粉煤灰：采用温州磐石热电厂的粉煤灰，如表1所示，
其主要化学成分为SiO ，A120，，CaO，Fe20 。其物相组成如
图1所示，在20。～30。区间的馒头峰表明粉煤灰的主要物相
为非晶态，并含有少量的莫来石、石英等晶相材料。这表明
粉煤灰中的SiO ，A120 为玻璃相，具有潜在的火山灰性。
表1 粉煤灰、硅灰化学成分的XRF分析％
硅灰：购于北京慕湖外加剂厂，XRF及XRD测试表明
其主要成分为非晶态的SiO ，SiO 含量达84．69％，如表1及
图l(b)所示，在XRD衍射图中未发现明显晶体相物质。
400
300
200
100
O
M9 ll M M
M
QM
．
M
． I M
10 20 30 40 50 60 70 80 90
2 0／(。)
(a)粉煤灰
2 0／( j
(b)硅灰
图1 X射线衍射谱
砂石骨料：福建中砂(细度模数_2．4)，碎石(5～10 toni，
11％；10-20 mlTl，89％)。
激发剂：首先将化学纯NaOH片碱(纯度>98％)溶解
与水中，制成一定摩尔浓度的氢氧化钠溶液，再将配置的
碱溶液与市售泡花碱(密度1．35，模数3．3，各成分的质量
含量：Na=O，7．9％，SiO2，27．9％，水64．2％)按一定质量比配
置成激发剂溶液，并将激发剂溶液密封后放置在室内陈化
24 h。激发剂中氢氧化钠的摩尔浓度以及氢氧化钠溶液与
泡花碱的质量比对地质聚合物混凝土的强度影响显著，根
据前期的配合比设计试验结果，本试验采用的碱溶液摩尔
浓度为1 8 moFL，将氢氧化钠溶液与泡花碱按质量比1：3混
合，配制成激发剂，可制备出高强度的地质聚合物混凝土。
1．2 地质聚合物混凝土的制备
根据前期大量配合比设计，选定每立方米材料用量：石
·56 ·
子1 050 kg，砂565 kg，粉煤灰420 kg，硅灰180 kg，激发剂
200 kg。该配合比下得到的粉煤灰地质聚合物混凝土的强
度高，且流动性好。称取规定量的砂、石骨料以及粉煤灰倒
人双卧轴混凝土搅拌机中，进行干拌5 min，加入规定量的
激发剂溶液再搅拌5 min，将拌合物装入100 mmxl00 mrnx
100mm试模中，振动成型5 min。
1．3 养护方法及抗压强度测试
试件成型后在标准养护箱(20℃，RH>90％)中养护1 d
后拆模，并取三块试样在液压伺服试验机进行强度测试得
到1 d龄期的立方抗压强度。为探究标准养护条件下试样
强度的发展规律，将部分试样继续放入标准养护箱(20℃ ，
RH>90％)中养护龄期至3、7、14、21、28、56 d，并进行抗压
强度测试；为探讨养护温度对粉煤灰基地质聚合物混凝土
强度的影响，拆模后部分试样在40、60、80、100℃烘箱中
养护24 h，随后放置在标准养护箱至7 d龄期，并进行强度
测试。为探讨高温养护时间的影响，将拆模后的部分试样在
6O℃烘箱中养护2、4、6、8、10、12、24、36、48、72 h，随后将
试样放置在标准养护箱至7 d龄期，并进行强度测试；为了
探究早期高温养护对粉煤灰基地质聚合物混凝土在标准
养护条件下后期强度发展的影响，还同步测定了经60℃高
温养护24 h后，在标准养护条件下不同龄期的强度。
2 试验结果与分析
2．1 标准养护条件下强度的发展
图2显示了标准养护条件下地质聚合混凝土立方抗压
强度随龄期的演化情况，可见在龄期达到14 d前，地质聚合
物混凝土的抗压强度增长显著，随后强度增长缓慢，并基本
趋于稳定。该变化趋势可用指数函数． (x)=aexp(1 )
表示，当 =一1 10．75 MPa，t=4．02 d，／3=102．40 MPa时，能较
好的拟合试验数据的变化趋势，相关系数R2=0．999 82，如
图2中的趋势线所示。抗压强度随龄期的增长速率随龄期
的增长而逐渐减小，如图2中带五星号的曲线所示，在反应
初期强度增长率可达15MPa／d以上，在龄期为14d时，已减
小到1MPa／d以下，龄期超过28d后，增长速率在0MPa／d，
表明聚合化反应基本完成。水泥