热固法在高温下对碱矿渣砂浆力学强度的影响外文翻译资料

 2022-03-06 10:03

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热固法在高温下对碱矿渣砂浆力学强度的影响

泰成1，陈海康2，海文权

1（胡志明市科技教育大学 土木工程学院 越南胡志明市杜德区vo van ngan街1号700000）

2(岭南大学 土木工程学院 韩国庆北)

摘要: 这次试验的目的是研究热固法在200-1000℃下对碱矿渣砂浆力学强度的影响。碱矿渣砂浆在温度为20plusmn;5℃ 相对湿度为60plusmn;5% 下养护，并在干燥烘箱、密封塑料袋和蒸汽三种不同的加热制度下固化。碱矿渣合成的活化剂是一种纳硅比为1，氧化纳含量为炉渣质量4%的水玻璃和氢氧化钠的混合物。通过热重分析法、扫描电子显微镜以及X射线能量色散光谱仪观察砂浆的微观结构变化。据结果显示：低于800℃时固化方法显著影响砂浆的力学强度。28天晚期，经过热处理的砂浆的抗压强度增长要大于未进行热处理的。

关键词：碱矿渣；力学强度；高温；热固法；脆性；暴露

  1. 引言

碱活化磨细粒化高炉矿渣作为波特兰水泥的一种潜在替代品收到了极大的关注。[1]当用作主要粘合剂时，矿渣通常被碱性试剂活化，例如氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠或其他碱。很多学者已经得出结论，[2]这种活化过程的主要产物是一种低钙硅比的低结晶硅酸钙水合物。碱矿渣的性能高度依赖于碱性活化剂的种类与性能以及固化条件。[3]碱矿渣砂浆水化过程的研究显示，碱矿渣砂浆的水化过程与碱溶液中的钠含量和二氧化硅模数（纳硅比）有关。[4]同时，碱矿渣砂浆在高温下固化较在常温下固化在早期可以获得更高的强度。[5-6]高温固化大大加速了矿渣活化过程，从而导致力学强度的快速增长。此外，高湿度的固化较干燥的固化更有利，原因是水化过程中需要一定的保水性。[7-14]更重要的是，虽然蒸汽固化适用于具有高钙硅比的活化剂，但是蒸汽固化也适用于含有低浓度氧化纳和低钙硅比的碱性溶液的碱矿渣砂浆。[15]研究证明在高温条件下固化，可以显著减少碱矿渣砂浆和混凝土的收缩。

碱矿渣砂浆被认为在高温条件下比波特兰水泥的耐久性更好，[16-20]因为在碱矿渣砂浆中无法形成氢氧化钙。因此，碱矿渣砂浆的热性能最近在很多的刊物上被讨论过。[21-26]组达等学者研究过加热到1200℃时碱矿渣砂浆的特性，在这些研究中发现，在1200摄氏度下，[27]碱矿渣砂浆中使用电瓷作为细骨料比使用石英砂作为细骨料的剩余强度好。拉沙德学者讨论了在200-800℃用矿渣代替天然砂骨料对碱矿渣砂浆的热性能的影响。由于骨料与矿渣的良好粘结，碱矿渣砂浆中矿渣含量越高，其剩余抗压强度越高。另一方面，[28]圭列里研发了激发剂对混凝土性能的影响，这种激发剂是粉状硅酸钠和熟石灰的混合物，可以用于高达1200℃的火灾撒粉处理[16-18]。碱矿渣混凝土的强度在高温下会有所降低，主要原因是矿渣基质和骨料之间的热不相容性。碱矿渣浆料的高热收缩率被认为是高温状态下，碱矿渣混凝土高热不相容性的主要原因。此外，阿拉尼学者通过用重量级骨料取代正常重量的粗骨料来研究重量级地质聚合物混凝土高温性能。但是，这些研究是在相同养护条件下对碱矿渣砂浆试件进行的。事实上，很少有已经发表出来的研究阐述固化法对碱矿渣砂浆的热性能的影响。图尔克学者用两种不同的固化方法实施了碱矿渣砂浆试件的高温暴露测试：环境固化(样品在实验室条件下储存28天)和高温固化（样品在60℃的干燥箱中固化6小时，然后储存在实验室28天）。[29-30]与未暴露在环境中的样品相比，在200℃环境中固化的样品的抗压强度大约增长20%，而放置在温度（200-800℃）下，热固化样品的温度都有所降低。尽管如此，很少有学者测试在不同的热固化方式下对碱矿渣砂浆的热稳定性能的影响。尤其是，池学长展示出碱矿渣混凝土暴露在200-800℃下三种固化方法（冷气、饱和石灰水、温度为60℃相对湿度为80%的情况）的残余抗压强度。池研究指出碱矿渣混凝土在高温高湿的情况下固化展现出卓越的耐久性。但是，没有详细的分析可以佐证这一结论。

这篇文章的主要目的是阐述不同的热固法在超过1000℃下对碱矿渣砂浆力学强度的影响。更重要的是，通过热重分析法、扫描电子显微镜以及X射线能量色散光谱仪观察后期砂浆在不同固化法下的微观结构变化。

  1. 原材料和方法

2.1材料特征

韩国一家商业供应商的高炉矿渣被用作原料粘结剂。表1中显示的是矿渣的化学成分。有布莱恩法检测，矿渣的特定表面积是435 m2/kg，其比重为2.9

表1 矿渣的氧化物组成和烧失量(LOI)(%)

Oxide

SiO2

CaO

Al2O3

Fe2O3

MgO

SO3

Na2O

K2O

LOI

(%)

33.81

41.24

15.19

0.41

5.54

2.51

0.25

0.61

0.18

通过将氢氧化钠颗粒溶解在含有64.5%水，硅纳比重为3.22的硅酸钠溶液中制作二氧化硅模数为1的活化剂。将标称最大尺寸为4 mm，细度模数为2.45的石英砂作为细骨料加入砂浆混合物中。

2.2配合比

砂浆混合物在矿渣比重为2.75，水固比为0.45时达到很好的聚集效果。其中的固体质量是指矿渣的质量和活化剂的固体成分质量的总和，活化剂中氧化纳的含量占到矿渣质量的4%。

2.3试验方法

先将砂浆混合物在规格为[31]ASTM C305的行星搅拌机中搅拌，然后浇筑在砂浆模具中，再将成型的样品安置在温度为（20plusmn;5）℃和相对湿度为（60plusmn;5）%的环境中，接着，分别将50毫米立方体样品，40*40*160mm棱柱样品，8字形试件进行抗压强度试验和抗弯强度试验。最后，将砂浆样品在热处理之前进行脱模并在四种不同的固化方法下进行27天固化：A样品被储存在温度为（20plusmn;5）℃和相对湿度为（60plusmn;5）%的环境中；H样品在80℃的干燥箱中固化：B样品被密封在塑料袋中，并在烤箱中固化；S样品在湿度固化柜提供的蒸汽环境中固化

试样固化后，将样品放置在[32]ASTM C109上测试砂浆的抗压强度，在ASTM C348上测试抗折强度。张力测试仪如[33]ASTM C190用于测量砂浆拉伸强度。样品进行热处理时，将其放置在加热速率为6.67℃/min的回热炉提供的200、400、600、800和1000℃的环境中。[34-35]试样以目标温度储存在熔炉中2小时，然后自然冷却至实验室温度，熔炉中的温度循环如图1所示。

待砂浆试样冷却至常温，测试其剩余力学强度。参考以前的刊物，先挑选出经过抗压强度试验后浸泡在丙酮中72小时已经停止水合的碎片，然后在丙酮中洗净，最后在真空干燥器中干燥24小时。选择一些碎片用于配备有能谱分析装置的电子显微分析，将部分干燥样品粉碎用于热重分析。

  1. 结果和分析

3.1参考力学强度

表2展示的是碱矿渣砂浆试样未经过高温处理养护28天的机械强度参数。正如表2所示，碱矿渣砂浆的机械强度受固化法影响明显。与A固化法下的试样相比，S固化法下的试样的所有机械强度均更高，但是低于H固化法和B固化法下试件的抗弯强度。另外，随着折压比的减小以及内摩擦角的增大，材料的脆性将更大[36-38]。因此，由表2可知，H试样是最脆的。

表2.未暴露环境的28天样品机械强度

试样

抗压强度/MPa

抗折强度/MPa

抗拉强度/MPa

折压比

内摩擦角

A

H

B

S

35.77

51.32

51.81

59.36

6.82

4.5

5.62

11.19

1.54

1.56

3.06

3.03

0.1907

0.0877

0.1085

0.1885

0.6786

0.6964

0.659

0.6685

热处理可以大大提高碱矿渣砂浆早期的抗压强度。例如，H、B和S试样与A试样相比，分别有44.3%、44.7%和65.9%的强度增长。尽管都是在80℃下发生固化，S试样获得的强度增长比H试样和B试样多出15%。这是因为试样在干燥箱和塑料袋中固化时，水可以从样品中快速逸出。另一方面，碱矿渣砂浆水化过程需要蒸汽条件下保留的水分。

由表2可知，H法和B法可以降低碱矿渣砂浆的抗折强度。例如，H试件和B试件的抗折强度分别减少了33.8%和17.6%。[39]杨敏学者指出，抗折强度相较抗压强度而言，更容易受到微裂纹存在的影响。碱矿渣砂浆反应速率的提高主要原因是早期热处理导致较大的化学收缩并在内部形成微裂纹。样品结构的破坏主要是样品在80℃下养护27天，其内部水分蒸发导致的干燥收缩而引起的。这就可以解释为什么B试件和H试件的抗折强度比A试件低，相反，S试件较A试件有近64.7%的强度增长。S法相较于H法和B法在提高样品抗折强度上更有效，原因可能是S法在碱矿渣砂浆混凝土结构中形成有限的微裂缝。

通过测试8形样品来测量碱矿渣砂浆的28天抗拉强度。未暴露的B试样和S试样较A试样和H试样拥有近两倍的相似的拉伸强度。安提斯指出，当样品脆性增加时，其抗拉强度有所降低。但是，尽管H试件的脆性较A试件的脆性更大，H试件与A试件仍拥有相同的抗拉强度。

3.2残余抗压强度

通过确定高温处理后试件的机械强度变化来评估不同固化法下的碱矿渣砂浆的热性能。暴露试样的机械强度如图3所示，此外，经超过1000℃热处理过的试件的残余抗压强度如图2a所示,而2b则表现出试件的抗压强度200-1000℃范围内的百分比变化。

经过高温处理的A试件和B试件拥有相同的强度变化趋势。在200℃下，A试件和B试件分别获得36.9%和23.6%的强度增长。当升温至400℃时，A试件和B试件的强度增长有所减少，但是仍高于A试件参考增长强度的30.7%和B试件参考增长强度的18.5%。

当S试件暴露在200-400℃气氛中，其抗压强度也有所增长。其在200℃和400℃气氛中分别有18.2%和22.4%的强度增长。因此，S试件在400℃获得最高的强度，而A试件和B试件则是在200℃获得最高的强度。

与上述试件相比，H试件在所有的温度下都有一定的强度损失。其在200、400、600和800℃下的强度损失分别为7.8%、23.2%、42.3%和82.3%。很多刊物都有讨论过热处理对碱矿渣强度发展的影响。碱矿渣试件在高温下固化，其早期强度有明显的增长。但是，将样品放置在实验室中试验时，结果显示试件的强度增长受热处理的影响大于热固法的影响。试件A在200和400℃下抗压强度的提高低于其在脱模后固化时的强度增长。另一方面，B试件和S试件在脱模后进行热处理获得的强度增长高于他们在200和400℃气氛下获得的1强度增长。但是，A试件在200和400℃下进行热处理可以获得最大的强度增长。相反，如图2所示，H试件进行热处理并不能引起后期的强度增长。前述的强度增长可能是后期的温度进一步加速水化而引起的。上述结果显示，后期水化的增强可能与砂浆结构中的残余水有关。碱矿渣砂浆的进一步水化是因为后期的热处理使砂浆结构中的水分更容易逸出。H试件在200和400℃下强度增长的不足主要是其在80℃的干燥箱中进行27天固化会造成大量的水分的流失

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