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含活性SiO2材料改善菱镁混凝土性能的研究
 提问日期: 2003-06-25 19:13
含活性SiO2材料改善菱镁混凝土性能的研究 姜利民 ?#30899;?#26480;   摘要 在菱镁混凝土中添加含活性SiO2的材料,如粉煤灰和沸石粉,来提高制品的耐水性和强度.运用正交试验?#27835;?#25163;段,找出了添加材料对制品性能的影响程度.试验证明粉煤灰的掺入对提高制品的性能有显著作用,按此?#27426;?#37197;比生产出了性能改进的菱镁混凝土矿用背板.进一步?#27835;?#34920;明,随粉煤灰品质的改善,将能得到性能更加优异的菱镁混凝土制品.   关键词 菱镁混凝土,粉煤灰,沸石粉,正交试验,强度,耐水性   中图分类号 TU 528 Research on Properties of Magnesium Oxychloride Concrete with Active SiO2 Materials Jiang Limin Weng Jiajie ( College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 )   Abstract Materials containing active SiO2 such as fly ash and zeolite powder added to magnesium oxychloride concrete, can make its strength and water resistance much better. Orthogonal test analysis has been employed to find out the degree of influence of the materials containing active SiO2 on the magnesium oxychloide concrete. Experiments have shown that the properties of magnesium oxychloride concrete are remarkably enhanced by adding fly ash into it. According to this formula the mining back boards with improved properties are produced. Further analysis has indicated that with the enhancement of the fly ash quality, magnesium oxychloride concrete products with better properties can be produced.   Key words magnesium oxychloride concrete, fly ash, zeolite powder, orthogonal test, strength, water-resistant   菱镁混凝土制品相对其它混凝土制品具有重量轻,强度高的优点,但其主要胶凝材料氯氧镁水泥水化硬化后,具?#24515;?#27700;性差的缺点,这是气硬性胶凝材料本身的特性.因此如要提高性能,只有从添加材料来考虑.   很早人们就发现在常温下,Mg(OH)2?#26448;?#19982;SiO2作用,尤其在蒸养条件下,Mg(OH)2与SiO2的亲?#22303;?#27604;CaO与SiO2的亲?#22303;?#26356;大. G L 卡罗赛克(G L Kalousck)等人曾对Mg(OH)2与SiO2在75~35 ℃的水化热进行?#25628;?#31350;,他们研究了以m(MgO)∶m(SiO2)为0.5~2的氧化镁和无水硅酸悬浮液.试验表明在该温度?#27573;?#20869;m(MgO)∶m(SiO2)比值越大,MgO完全结合的时间越长[1].反应式为: Mg(OH)2+SiO2→MgSiO3+H2O .   因此从理论上说,SiO2在MgO的水化过程中与Mg(OH)2形成?#39038;?#24615;较强的MgSiO3胶凝结晶化合物,可以提高制品的?#39038;?#24615;.本?#38382;?#39564;是探索在没有蒸养条件下制品的?#39038;?#24615;能情况. 1 含活性SiO2材料的选用   自然界中含SiO2的材料很多,但只有含活性SiO2的材料才可能与Mg(OH)2作用.另外还要考虑材料适合于工业生产,既要有合理的价格,还要有稳定的货源供应等.因此本?#38382;?#39564;选取粉煤灰和沸石粉. 1.1 粉煤灰   粉煤灰作为混凝土的掺入材料已得到了广泛的应用.粉煤灰不但含有SiO2成分,而?#19968;?#26377;相当一部分具有活性.粉煤灰可提供充足的SiO2与氯氧镁水泥水化产物Mg(OH)2反应,加速它的水化速度,并形成不溶于水的水化产物.   另外由于粉煤灰中有大量的玻璃体结构,在拌和物中起到滚珠轴承作用,所以又兼有增塑减水效果,对提高制品的质量有好处. 1.2 沸石粉   沸石粉是一种新开发的混凝土掺和料,是天然的沸石经磨细而成的粉状物,是一种特殊的火山灰质材料.其主要化学成分是SiO2占65%~73%,Al2O3约占10%~13%,此外还有Fe2O3,CaO等,也具有来源广,价格?#22303;?#31561;特点. 2 试验方案   为确定含活性SiO2材料对提高菱镁混凝土的强度和耐水性的作用及合适的掺量,通过设计一组正交试验来确定.在普通养护条件下,通过试验来确定活性添加材料的种类及合适掺量.虽然根据前面的理论有m(MgO)∶m(SiO2)比值越大,则MgO完全结合的时间愈长,反应速度愈慢,但不能得出m(MgO)∶m(SiO2)比值越小,反应速度愈快.据以往用粉煤灰来调节稠度的经验,本?#38382;?#39564;选取添加剂掺量为氯氧镁水泥即菱镁粉重量的10%和20%,同时为进行对比?#27835;觶?#22686;加一组0水平掺量,故构成三水平因素.因素与水平列于表1中.选取m(MgO)∶m(MgCl2)比值K=2.5,卤液的浓度为25°Be,集料木?#26082;。?#33777;镁粉+添加材料)的40%. 表1 因素水平 Table 1 Factor and level 水平 因  素 A: 粉煤灰掺量/% B: 沸石粉掺量/% 1  0  0 2 10 10 3 20 20 3 原材料及试验过程 3.1 原材料   1) 菱镁粉 试验用菱镁粉产自山东,呈淡黄色,相对密度为3.20~3.27,其物理化学性能见表2. 表2 菱镁粉的物理化学性能 Table 2 The mechanical and chemical properties of magnesium powder wB/% >88 μm含量 t初凝/min t终凝/h 20 ℃体积安定性 强度(20 ℃养护)/MPa MgO CaO 烧失物 3 d抗压 24 h抗折 79.6 0.8 14.56 21% 62 6 合格 40.7 4.35   2) 氯化镁 采用某盐场的副产品卤片来溶解而成的氯化镁溶?#28023;?#26434;质含量较高,经化验?#27835;?#21348;片氯化镁的含量为51.03%.   3) 粉煤灰 采用某电厂原状粉煤灰,粒度较粗,用0.08 mm方孔筛筛余量为46.7%,主要化学成?#27835;獁(SiO2)=45.62%,w(Al2O3)=30.33%.   4) 沸石粉 本?#38382;?#39564;用沸石粉的主要化学成?#27835;獁(SiO2)=59.58%,w(Al2O3)=8.67%.   5) 集料 采用木屑(锯末),无霉烂、无变质,含泥量不大于5%.考虑试验时间较长,含水率会有变化,同时也为计算方便,试验前将木屑全部烘干,近似认为含水率为零. 3.2 试验过程   根据试验方案的确定结果,采用L9(34)的正交表来进行试验的安排[2].考虑因素之间的交互作用或误差估计,试验方案与试验结果见表3.试验的目的是测得标准养护14 d后材料的抗压强度fd,以及吸水饱和后的抗压强度fw,?#27835;?#21508;种因素及水平的作用效果.选用测试水泥胶砂强度的三联模.实验前,将试验方案中的每组配比按成型试件的用量?#30452;?#35745;算.每一拌的材料按重量计算出后,用天平称量?#38109;?搅拌投料的?#25215;?#20026;?#21512;?#23558;木屑投入,在加入规定量的菱镁粉、粉煤灰、沸石粉,搅拌均匀后,在注入卤液.搅拌3 min,将拌和料倒入试模进行加压振捣,所加压力为0.01 MPa. 表3 L9(34)试验方案与极差计算结果 Table 3 L9(34)test plan and result of range calculation 试验号 因  素 考核指标 A:粉煤灰 掺量/% B:沸石粉 掺量/% C: D: fd/MPa fw/MPa 1 1(0%) 1(0%) 1 1 18.00 11.52 2 1 2(10%) 2 2 9.84 6.49 3 1 3(20%) 3 3 4.40 2.94 4 2(10%) 1 2 3 19.60 12.15 5 2 2 3 1 15.12 8.77 6 2 3 1 2 7.20 4.32 7 3(20%) 1 3 2 19.30 11.77 8 3 2 1 3 15.20 10.64 9 3 3 2 1 6.00 3.42 总和   114.66 72.02 抗 压 强 度 fd K1 32.44 56.90 40.40 39.12 K2 41.92 40.16 35.44 36.34 K3 40.50 17.60 38.82 39.20 R 6.68 39.30 4.96 2.86 抗 压 强 度 fw K1 20.95 35.44 26.48 23.71 K2 25.24 25.90 22.06 22.58 K3 25.83 10.68 23.48 25.73 R 4.88 24.76 4.42 3.15 4 测试结果及电?#25443;治? 4.1 测试结果?#27835;?   一天后拆模,在标准养护室内养护14 d后取一组测量其抗压强度fd,同时将另一组放入水中养护.再过14 d后测量在饱和水状态下的抗压强度fw,得试验结果及极差计算见表3,抗压强度方差?#27835;?#35265;表4. 表4 抗压强度fd,fw的方差?#27835;? Table 4 The variance analysis of compressive strength 方差来源 平方和 自由度 均方 F值 临界值 fd fw fd fw fd fw A SA=19 SA=5 2 9.5 1.4 7.9* 1.1 F0.01(2,4)=18.0 B SB=260 SB=104 2 130 52.0 108.3**  40.8** F0.05(2,4)=6.9 误差 Se=5 Se=5 4 1.2 1.3     F0.1(2,4)=4.3 总和 ST=284 ST=114 8     注:“*”表示显著;“**”表示很显著.   通过上述?#27835;觶?#21487;得如下结论:   1) 直接从试验结果看,第4号试验在标准养护与水中养护的抗压强度均最高,强度的损失率为38%.即粉煤灰掺加菱镁粉用量的10%,而不掺加沸石粉.   2) 沸石粉的掺入对强度有显著影响,不论是正常养护,还是水中养护.掺量增大,强度降低.   3) 粉煤灰的掺入对在标准养护条件下的材料强度有?#27426;?#24433;响,掺量增大,强度提高.但对在水中养护后的材料强度影响较弱.   4) 从本?#38382;?#39564;看,为提高制品强度,粉煤灰可掺入20%,而不能掺加沸石粉.   5) 本?#38382;?#39564;的误差为   4.2 电?#25443;治?   为进一步了解掺入粉煤灰后,内部组织结构具体有什么变化,本?#38382;?#39564;又选取了没有掺入任何改性材料的1?#25490;?#27604;和掺入了20%粉煤灰的7?#25490;?#27604;进行电镜照片?#27835;觶?#35265;图1.从照片中可见优化前形成的氯氧镁晶体尺寸偏大,而且有材质疏松的感觉.未反应的氧化?#31350;?#31890;居多,照片中的大?#30416;?#20026;木质纤维留下的痕迹.在优化后的电镜照片中除去因原状粉煤灰中粗大的碳粒及漂珠等形成的大体积的颗粒外,可以看到其余部分的氯氧镁晶体颗粒尺寸减小,结构紧密,宏观就表?#27835;?#25239;压强度提高,?#39038;?#33021;力增强.          优化前           优化后 图1 优化前后电镜照片 Fig.1 The micrograph before and after optimization 5 工业试验   根据理论及实验研究得出的优化配比,在某矿综合厂进行了工业生产试验,生产矿用背板.试验选用了3个配比.1?#25490;?#27604;是该厂原生产配比;2?#25490;?#27604;是实验室优化配比;3号是根据4.1中的结论3),将粉煤灰的掺入量提高到30%.同?#32972;?#22411;标准试件和背板.   菱镁混凝土背板的尺寸为50 mm×160 mm×1 000 mm,内配3根竹筋,机械振捣成型.标准试件在养护28 d后测试结果见表5. 表5 标准试件及背板测试结果 Table 5 The result of test specimens and mining back board 编号 含水率/ % 抗折强度/ MPa 抗压强度/ MPa 软化系数 背板抗折 强度/MPa 1 13.6 4.3  8.7 0.56 14.2 2 13.2 4.9 10.4 0.72 17.3 3 10.2 5.4 10.2 0.70 16.0 6 今后的研究?#36739;?   1) 为提高制品强度和利用粉煤灰,可尝试进一步提高粉煤灰的掺入量及品质(如磨细粉煤灰),有待今后试验验证.   2) 在本?#38382;?#39564;看来,普通养护对提高制品的耐水性能有所提高,但没有达到预期的效果.今后试验可考虑采用蒸汽养护来提高材料的软化系数,有待进一步研究证实.   3) 尝试选用一种适合于菱镁混凝土的减水剂.减少拌制时的用水量,预期可提高制口的强度和耐水性. 作者简介?#33322;?#21033;民,男,1964年生,工学硕士,?#24425;? 作者单位?#33322;?#21033;民 ?#30899;?#26480; (中国矿业大学建筑工程学院 江?#25307;?#24030; 221008)
 提问者:刘小俊  

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