粉煤灰地聚合物混凝土-显著增强抗极碱侵蚀能力

时间:2020-05-10 21:09 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

粉煤灰地聚合物混凝土-显著增强抗极碱侵蚀能力

燃煤发电厂产生的飞灰是一个令人头疼的环境问题,大量的垃圾填埋场和灰坝造成了地下水和空气污染。一些废物可以重新利用成地聚合物混凝土,如结构的预制热固化元素。

然而,一个关键的耐久性问题是耐极碱攻击能力低。约翰内斯堡大学的研究人员发现,高温热处理(HTHT)可以将粉煤灰地聚合物混凝土中的这种有害机制减少一半。

“在之前的研究中,我们发现粉煤灰地聚合物混凝土在极端碱性条件下是脆弱的。这项研究的建议是,这种材料不应该用在暴露于高碱性介质的结构中,比如一些化学储存设施。我们的新研究结果表明,将地聚合物混凝土暴露在评估的温度下,最佳温度为200摄氏度,可以显著提高地聚合物混凝土的耐碱性能,”Abdolhossein Naghizadeh博士说。

这项研究是Naghizadeh博士在约翰内斯堡大学土木工程科学系的研究的一部分。

极端碱性介质

在发表于《建筑材料案例研究》(Case Studies In Construction Materials)上的研究中,大块的粉煤灰地聚合物砂浆分别在100、200、400或600摄氏度下加热6个小时。然后将它们浸泡在水中、中等碱液或极碱液中;并在80摄氏度下储存14天或28天,这取决于性能测量。

进行了28天的长时间热养护,并与其他采用相同养护制度的研究结果进行了比较。这种长期固化适合用于研究目的,但不建议用于实际施工。培养基为1M NaOH溶液。极碱培养基为3M NaOH溶液。)

硬化后的砌块经200度热处理,然后浸在极碱介质(200/ 3m砌块)中,碱侵蚀后残余强度保持在22.6 MPa,约为50%。在其他温度下固化的砌块的残余强度在10.3到14.6 MPa之间保持得很低,”Naghizadeh说。

浸泡在极碱介质中的200/3M砌块仅出现有限的细裂纹,与其它砌块相比膨胀率较低,而其它砌块则出现严重的裂纹。硅树脂和铝的浸出率在200/3M组中最低。

x射线衍射表明,在200/3M块的粘结相中形成了两种晶体矿物:钠长石和硅线石。200/3M粘合剂的扫描电子显微镜图像显示存在一种凝胶状物质,具有碱侵蚀的特征。热疗明显降低了攻击的强度,但无法阻止它,”他说。

高温热处理(HTHT)在200度时通过抑制硬化的地聚合物混凝土基体中未反应的粉煤灰颗粒的溶解来产生这种效果。然而,高温处理也使这些砌块的抗压强度降低了26.7%。

最好用作预制

粉煤灰地聚合物粘结剂具有显著的耐久性。Naghizadeh说,这些特性包括对碱-硅反应的高抗性、优异的耐酸性能和高的防火性能、低碳化和有限的硫酸盐侵蚀。粉煤灰地聚合物水泥主要适用于工厂或车间生产的预制混凝土。其原因是环境温度下地聚合物水泥混合物的强度发展通常是缓慢的。

这使得热固化对于早期强度的提高是必要的。建立的热固化预铸普通硅酸盐水泥(OPC)的实用方法可以适用于此。

这使得粉煤灰地聚合物适用于预制混凝土构件,如建筑物和桥梁的梁或大梁、铁路枕木、墙板、空心板和混凝土管道。对于普通粉煤灰地聚合物混凝土,在60到80摄氏度的温度下加热24小时就足以达到足够的强度。这种养护制度(温度和养护时间)在水泥工业中很常见,也用于一些波特兰水泥混凝土。

虽然地聚合物水泥的使用量每年都在增长,但与OPC相比并没有得到广泛的应用。地聚合物主要应用于欧洲国家、中国、澳大利亚和美国的住宅建筑、桥梁和跑道中。

新一代水泥

自18世纪中叶以来,OPC被广泛用于生产混凝土。它的耐久性性能很好理解,它的长期行为可以预测。然而,新一代的水泥正在成为OPC的合适替代品。这些地聚合物胶结物(或地聚合物粘合剂)具有与OPC完全不同的性质和微观结构。

用于地聚合物粘结剂的起始材料需要富含氧化铝和硅酸盐。在这一标准下,多种工业废物或副产品都合格,包括稻壳灰、棕榈油燃料灰和燃煤电厂飞灰。然而,粉煤灰作为地聚合物水泥有两个优点,Naghizadeh说。

粉煤灰地聚合物混凝土-显著增强抗极碱侵蚀能力

首先,全球范围内,包括发展中国家在内,有数百万吨的粉煤灰可供使用。利用粉煤灰作为建筑材料可能会减少其对环境的一些影响。目前,它被丢弃在靠近燃煤发电厂的大型灰坝和垃圾填埋场,这些地方会产生空气和地下水污染。

粉煤灰作为地聚合物水泥的起始材料的第二个优点是它的化学组成。通常情况下,粉煤灰中含有足够多的活性硅和铝氧化物,因此具有更好的地聚合物化效果。

这反过来又产生了一种具有优越的机械、物理和耐久性性能的粘合剂,与用含铝硅酸盐的其他废料制成的地聚合物混凝土相比。

更复杂的混合设计

在设计建筑时,工程师需要确保结构中使用的混凝土具有预期的强度和使用寿命。然而,混凝土和其他建筑材料的物理和机械性能会随着时间而改变。这些变化会影响材料的使用寿命。

通常,OPC混凝土混合物包括水泥、水和骨料。土木工程师使用这三种成分的特定比例为预期结构开发OPC混合设计。

Naghizadeh说:“由水玻璃和氢氧化钠激活的粉煤灰基地聚合物混凝土的混合设计比OPC复杂。”“更多的参数包括:粉煤灰、水玻璃、氢氧化钠、水和骨料的用量;以及氢氧化钠的浓度;玻璃在碱中的比例和质量。

飞灰来自灰坝

斯蒂芬?埃科洛教授表示,在南非,将粉煤灰用作地聚合物水泥的研究十分有限。埃科洛是这项研究的作者之一,曾任约翰内斯堡大学土木工程与建筑环境学院院长。

“现有的粉煤灰地聚合物混凝土的研究使用的是直接从发电厂供应的粉煤灰。利用来自填埋场和灰坝的粉煤灰(技术上称为“底灰”)生产地聚合物水泥还需要进一步的研究。

“最大的研究问题是材料质量、混合设计,以及开发允许在环境条件下固化的技术,而不是目前高温固化的实践。”一旦这三个科学问题得到解决,粉煤灰和大多数其他形式的地聚合物水泥就可以更好地在世界范围内替代OPC,”Ekolu说。

不是混凝土扩展器

目前常用的水泥掺入剂是少量粉煤灰。在南非,这个数字是每年3600万吨产量的10%。与熟料混合生产火山灰硅酸盐水泥(Pozzolanic Portland cement, PPC)。

粉煤灰是一种常用的OPC增稠剂,但粉煤灰基地聚合物混凝土(FA-GC)与OPC基混凝土不相结合。

这是因为OPC的水化过程与FA-GC的地聚反应完全不同。此外,opc基混凝土和地聚合物混凝土需要不同的养护条件。

与OPC生产不同

OPC生产的主要阶段是煅烧和研磨过程。与OPC不同,地聚合物的生产不需要这些阶段。粉煤灰基地聚合物粘合剂由粉煤灰和碱激发剂两部分组成。通常情况下,粉煤灰是作为发电厂生产的产品使用,不需要进一步处理。

碱活化剂溶液,如硅酸钠和氢氧化钠,也广泛地在工业中生产。它们有多种用途,如洗涤剂和纺织品生产。

“绿色”混凝土

“地聚合物水泥在不同环境条件下的长期耐久性需要进一步研究。此外,全球建筑行业缺乏生产地聚合物的技术知识。为了雇佣地聚合物粘结剂,工程师、技术人员和建筑工人需要接受培训,以设计和生产具有所需性能的地聚合物混凝土配合比设计,”Naghizadeh说。

“毫无疑问,由于波特兰水泥对环境的巨大影响,未来需要限制其生产。这其中包括全球人为排放到大气中的二氧化碳的5%到8%,这是气候变化的原因之一,”Ekolu说。

几项研究,包括来自约翰内斯堡大学的研究表明,粉煤灰地聚合物可以表现出优于或类似于波特兰水泥的性能。这使得它在某些应用中成为替代波特兰水泥的合适选择。

此外,在世界范围内,特别是在发展中国家,粉煤灰的可用性为生产比普通硅酸盐水泥更经济的“更环保”的混凝土提供了机会,从可能重新利用有问题的废料的观点来看。

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