粉煤灰基水玻璃混凝土研制及性能探究.pdf

2 0 1 5年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 3 Ma r c h 粉煤灰基水玻璃混凝土研制及性能探究 王 凯 ， 刘勇健 l ， 陈姗姗 ( 1 苏州科技学院化学生物与材料工程学院， 2 1 5 0 0 9 ； 2 江苏省环境功能材料重点实验室 ； 苏州 2 1 5 0 0 9 ) 摘要 ： 以 煅 烧 后 粉 煤 灰 为 耐 酸 粉 料 ， 水 玻 璃 为胶 结料 制作 耐 酸 腐 蚀 砂 浆 。 以 不 同浓 度 和 种 类 的 酸 液模 拟 酸 性 介 质环境进行 酸性腐蚀 试验 。 参照 GB 5 0 2 1 2 2 0 1 4中对 于水玻璃混凝 土的相 关要 求 ， 通过检测 试块抗压 强度 及质 量损失率确定试块的耐酸性能 。 研 究得到耐酸腐蚀性能较优的水玻璃砂浆 配方 ， 初 步验证 了粉 煤灰作为耐酸粉料制 作水玻璃砂浆的可行性 。以扫描 电镜观 察试 块经腐蚀 处理后 的 内部结构 ， 并通过 XR D 分析 其构型 ， 对粉 煤灰 中各 成分与水玻璃所产生的反应进行 了讨论 得 出了以粉煤灰为耐酸粉料的水玻璃砂浆 的耐酸机理 。 关 键 词 ： 耐 酸 粉 料 ； 耐 酸砂 浆 ； 粉 煤 灰 ； 水 玻 璃 Ab s t r a c t ：T h e e x p e r i me n t u s e d s o d i u m s i l i c a t e a s t h e a d h e s i v e p a r t o f t h e n e w c e me n t mo r t a r a c c o r d i n g t o i t s s p e c i a l p r i n c i p l e o f s o l i d i fi c a t i o n Di f f e r e n t k i n d s a n d c o n c e n t r a t i o n s o f a c i d w e r e u s e d t o s i mu l a t e t h e a c i d i c c o n d i t i o n ， a n d a t e s t o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d r e s i d u a l w e i g h t wa s u s e d t o i d e n t i f y t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f t h e s a mp l e a c c o r d i n g t o GB 50 21 2-2 00 2An o r t ho g o n a l t e s t s h o wed t h a t a f o r mu l a wi t h a be s t c o r r o s i o n r e s i s t an c e wh i c h pr o v e d t h a t u s i ng fl y a s h a s a c i d - r e s i s t i n g p o wd e r i n s o d i u m s i l i c a t e c e me n t mo r t a r wa s p r a c t i c a b l e S c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e w a s u s e d t o o b s e r v e t h e c r o s s p r o fi l e o f t h e s a mp l e ， c o m b i n e d w i t h a p o w d e r X r a y d i f f r a c t i o n ( X R D ) t o a n a l y s e i t s i n t e r n a l s t r u c t u r e c h a n g e s T h e s t a t i s t i c s s h o we d t h a t fl y a s h w a s ma i n l y ma d e u D o f mu l l i t e ， wh i c h c o n t a i n s Al O b o n d s a n d S i O b o n d s ， a n d s o me me t a l o x i d e s c o mb i n e d wi t h t h e m，S i O b o n d s f r o m s o d i u m s i l i c a t e ma d e t h e m mo r e s t a b l e ，t h e i r c o mb i n a t i o n i mp r o v e d t h e c o n c r e t e S c o mp r e s s i v e s t r e n g t h Ke y wo r d s ： Ac i d - r e s i s t i n g p o w d e r ； Ac i d - r e s i s t i n g c e me n t mo r t a r ； F l y a s h ； S o d i u m s i l i c a t e 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 0 3 0 1 0 4 0前 言 我 国 目前 对 于 粉 煤 灰 的研 究 主 要 集 中 于在 常 规建筑材料中添加以及提取粉煤灰中的 A l 、 S i 等有 价元素方 面 ，由于粉煤灰本身存在大量的 0、 A 1 、 S i 复合结构及玻璃体和石英等物质 。 通过化学处理后 可 以提取出 A l 2 0 ， 和 S i O ： 。 其 中， A l 元素的提取一般 采用的方法有酸溶法 、 苏打烧结法 、 石灰石烧结法 、 酸碱联合法等 ， 而 S i O 则主要靠碱液溶解 的方法 来提取。提取氧化铝的方法需要在高温条件下进 行 且 需 添 加 一 定 比例 的 活 化剂 。 在 消 耗 掉 粉 煤 灰 的 同时产 生 了更多 的生 成物 残渣 。提 取二 氧化 硅需 要消耗大量碱液 这相对 于我 国目前 的粉煤灰存余 量 来 说非 长久 之计 。 同时 ， 粉 煤 灰 中含 量 较 高 的莫 来石等物质在常规条件下具有抗腐蚀能力强 、 热震 稳定性能好 、高温蠕变及热膨胀系数小等特性 ， 结 合粉煤灰 中耐酸性能较好的玻璃体和石英 ， 以粉煤 灰作 为主体 耐酸粉料添加到建材 中具有较 大的应 基金项 目： 苏州市建设局科研项 目( 2 0 1 2 ) 。 用 前 景 。 本 文 通 过 制 作 水 玻 璃 砂 浆 浇 筑 成 的试 块 来 检 测其性能 ， 并依据 G B 5 0 2 1 2 2 0 1 4 ( 建筑防腐蚀工程 施 工规范 的要求 ， 在试块性能达标 的情况下探究 其 内部的腐蚀及强度机理 ， 为粉煤灰基耐酸腐蚀建 材提供理论支持。 1 试 验 内容 1 1 试验仪器与试剂 1 1 1 试 验仪 器 标准检验筛 ( O 4 5 mm， 0 2 m m) 、 液压万能力学试 验 机 ( 长 春某 厂 制 造 ) 、 模 具 ( 1 0 c mx l O c mx l O c m) 、 密 度计 、 Y P 1 2 0 1 N型 电子天平( 上海某仪器有限公 司 生产 ) 、 德 国布鲁克 D 8 X射 线 ( 粉末 ) 衍 射仪 、 日立 S - 5 7 0扫描电子显微镜 、 H B Y型恒温恒湿养护箱。 1 1 2 试 验试 剂 钠水玻璃 ( 购 自苏州某公司生产 的工业用水玻 璃 ， 经化验分析其成分并调整至试验要求 ) 、 氟硅酸 钠( A R 无锡某公司生产 ) 、 粉煤灰( 苏州望亭 电厂 ， I级灰 ) 、 氟化 钠 ( A R， 无 锡 某公 司生 产 ) 、 硫 酸 ( A R， 一 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 7期 9 5 9 8 ， 太 仓某 公 司 生产 ) 、 盐 酸 ( A R， 3 6 3 8 ， 上海 某公 司生 产 ) 。 1 2 试 验 部分 1 2 1 固化原 理 水玻璃砂浆 的凝结 固化原理 主要是水玻璃 和 固化剂 之 间化 学 反应 的结果 ， 试 验 用 固化剂 为 氟 硅 酸钠。水玻璃经过水解 、 化合 、 干燥 三个阶段后 ， 产 生 强度 和耐久 性 。 ( 1 ) 水解反应阶段 水玻璃水解 ： 2 N a 2 O n S i O 2 + 2 ( n + 1 ) H 2 0 =6 N a O H+ n S i ( O H) 4 氟硅酸钠水解 ： N a 2 S i F 6 + 4 H 2 0 = 2 N a F + H F + S i ( O H) 4 4 Na OH+ 4 HF = 4 N a F + 4 H2 O 综合反 应 ： N a 2 0 n S i O 2 + N a 2 S i F 6 + 2 ( n + 1 ) H 2 O = 6 N a F + ( 2 n + 1 ) S i ( O H) 4 ( 2 ) 干燥 阶段 试块 表面水 玻璃 与 空气 中 C O 反应 ： N a 2 0 n S i O 2 + 2 n H 2 O + C 0 2 = N a 2 C O 3 + n S i ( O H) 4 反应生成的无定 型硅胶会逐渐脱水 生成 S i O ： ， 进 一 步增加 试块 的强度及 耐 酸性 能 。 1 2 2 原 料配 比探 究 水 玻璃 砂 浆 配制 过程 中 ， 粉煤 灰 的 主要 成 分及 配 方 中各 成 分 比例 的 不 同会 导致 试 块 强 度及 耐 腐 蚀性能的较大不同。为了详细探究粉煤灰基水玻璃 砂浆耐腐蚀机理 ， 试验用 粉煤灰 的成分唯一 ( 见表 1 ) 。 表 1 粉 煤 灰 主 要 成 分 综合考虑试块成型及水玻璃 固化速率等条件 ， 试验使用模数为 2 7 密度为 1 4 g c m 的水玻璃 。 通 过 设计 正 交 试验 ， 得 到 该 类 原料 条 件 下 水玻 璃 砂 浆 配 比 ： 水 玻 璃 ： 固 化 剂 ： 粉 煤 灰 ： 骨 料 = 0 2 ： 0 0 4 ： 0 3 ： 0 4 6 ， 该 配 比 条 件 下 试 块 强 度 达 到 1 7 1 1 MP a ， 在此 基础 上探 究其 耐腐 性能 及机 理 。 1 2 3 腐蚀试 验 按配 比制作试块并养护 ， 将试块放入酸液浓度 分 别为 3 、 5 、 7 、 1 0 、 1 5 和 3 0 的模 拟介质 水 中， 腐蚀处理 2 0 d ， 同时设置空 白对照。到规定 的 期 限后 ， 取 出试 件洗净 ， 烘干 ， 冷 却并测 定抗压强 度 ， 与空 白组 相对 照 ， 得 其强 度 变化 。 同时 ， 定 期检 测试块质量 ， 得到质量变化曲线。 一 ，一 2结果 分析 2 1 质量 变 化 图 1为不同腐蚀条件下试块质量损失。由图可 知 ， 硫酸条件下 ， 酸液 浓度较低 时 ， 溶液显淡绿色 ， 是 由于 亚铁 离 子 微量 溶 出所 致 ， 酸 液浓 度 达 到 1 5 以上 时 ， 溶 液无 明显 颜色 变化 。 盐 酸条 件下 ， 试块 浸 泡 过程 中溶 液 颜 色变 化 较 明显 溶液 中亚铁离子含量较高 ， 通过观察试块 内 部发现部分 区域显绿色 ， 这是 由氯化亚铁留存于试 块 内部所致 ， 且 随着酸液浓度 的升高 ， 试块 内留存 的氯化亚铁量增多。 时间 d ( a ) 盐酸腐蚀 3 5 7 1 O 1 5 3 O 3 5 7 1 O 1 5 3 0 时 l司， d ( b ) 硫酸腐蚀 图 1 不 同腐蚀条件下试块质量损失 2 2抗压 强度 通过 抗 压 强 度 变 化 ( 如 图 2 ) 可 以看 出 ， 较低 酸 液浓度条件( 1 5 质量浓度 ) 下 ， 试块抗压强度明显 降低 。在各酸液浓度条件下 ， 通过强度损失计算得 知试块最大强度损失率约为 6 7 。 强度损失最大时 酸液浓 度 为 3 。 2 - 3 结 构分 析 常规 水 玻璃 砂 浆 由于 采 用 了石 英 、 辉 绿 岩 粉 末 等耐酸粉料， 在凝结硬化过后其主体成分为 S i O ， 由 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3 期 混 凝 土与水 泥制 品 第 2 2 7期 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 u 1 5 0 1 0 0 5 O 0 1 O 2 O 3 0 4 0 5 O 6 O 7 0 2 0 。 ( b ) 5 H 2 s 0 4 筮 U ( c ) 3 0 H C 1 ( d ) 3 0 H 2 S O ( e ) 空白样 ( M一 莫来石 ； G 硫酸钙 ； Q 一 石英 ) 图 5 不 同腐蚀条件下试块 内部结构分析 度损失率及质量损失率 ， 确定了粉煤灰作为水玻璃 耐 酸砂浆 粉 料 的可 行性 。 ( 2 ) 试 验通过对样 品进行扫描 电镜及 X R D分 析可知 ， 粉煤灰与水玻璃经过复杂化学反应后形成 了较 为致 密 的 内部结 构 ， 由于水 玻 璃 本 身在 固化 过 程 中会产生大量 的硅氧化物 ， 通过 与粉煤灰 中存在 的硅氧键 、 铝氧键相结合 ， 能够使粉煤灰 的耐酸腐 蚀 性能 得到 一定 的提 高 。 ( 3 ) 粉煤灰本身含有少量不耐腐蚀 的金属离子 氧化物 ， 这些物质的部分溶出对于其耐腐蚀性 能虽 有影响但影响不大。而金属氧化物的具体含量根据 原 料 来 源 的不 同会 有 较 大 差 异 ， 因此 ， 实 际应 用 时 可 以先测定其浸酸损失率 ， 对于金 属离子含量过高 的粉煤灰可 以适量掺加部分石英粉末等耐酸粉料 。 ( 4 ) 试验过程所用配 比为原始配方 ， 未使 用任 何 外 加 剂 ， 通 过 外 加 剂 的后 续 相 关 研 究 ， 该 种 混凝 土性能必将有更大的提高。 参 考文 献 ： 1 】 梁振 凯， 雷雪 飞， 孙应龙 ， 等 氯 化钙烧 焙法 提取粉 煤灰 中的氧化铝 【 J 1 中国环境科学， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 9 ) ： 1 6 0 1 1 6 0 6 2 】 李 时来， 翟玉春， 吴艳， 等 硫 酸浸取法 提取 粉煤 灰中氧 化 铝 J J 轻金属， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 9 - 1 2 3 刘成长 粉煤灰提取 氧化铝和二氧化硅新工艺 l J 1 粉煤灰 综合利用， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 3 2 - 3 5 一 一 4 】 余超， 方荣利 精细化利用粉煤灰制 备超细氧化铝 J 无 机盐工业， 2 0 0 5 ， 3 7 ( 1 2 1 ： 5 0 5 2 f 5 季惠 明， 卢会 湘， 郝 晓光， 等 用煅烧 一 沥滤工 艺从 粉煤灰 中提取 高纯 超细氧 化铝f J 1 硅酸 盐学报 ， 2 0 0 7( 1 2 ) ： 1 6 5 7 1 6 60 f 6 1 丁宏 娅， 马鸿文， 高 飞， 等 改 良酸碱联 合法 利用 高铝粉 煤灰 制备 氧化 铝的试 验研 究 J 矿 物岩 石地 球化 学通 报， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 4 8 - 3 5 1 7 】 吴 艳， 翟玉春， 李时 来， 等 新 酸碱联 合法 以粉煤 灰制 备 高纯氧化铝和超细二氧化硅 J 轻金 属， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 2 4 2 7 8 】 邬 国栋 ， 叶亚 平， 钱 维兰， 等 低温 碱溶 粉煤灰 中铝 和硅 的溶 出规律研究 J 1 环境科学研究， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 5 3 5 6 9 】 阳勇福， 林 海燕， 郭 献军 粉煤 灰中氧化 铝浸取模型 的建 立I J 1 煤炭 学报， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 2 ) ： 2 0 1 2 0 4 l 0 】 王 占修 ， 张 秀全， 丁建础 粉煤灰 提取 氧化物研 究进 展 f J 1 无机盐工业， 2 0 1 l ( 4 ) ： 1 5 1 7 f l 1 】 傅平秋 ， 刘高魁， 郭九皋， 等 烧结 莫来石 的某些 结构矿 物学特征【 J 矿物学报， 1 9 9 2 ， 1 2 ( 3 ) ： 2 3 5 2 4 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 0 8 作者简介 ： 王凯 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 在读硕士研究生 。 通讯作 者 ： 刘 勇健 ( 1 9 5 4 一) ， 博士 、 教授 。 通 讯地址 ： 苏州市高新 区科锐路 1号 联 系 电话 ： 1 8 8 9 65 3 0 3 8 3 E- ma i l ： j u s t 3 0 1 2 6 c o m ( 王凯 ) 、y j l i u l 2 1 5 y a h o o c o m o n( 刘 勇 健 ) 舳 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m