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水玻璃掺量和模量对碱矿渣水泥砂浆交流阻抗性能的影响
何富强1、2 安晓鹏3
1、土木工程和建筑,厦门大学,厦门,361024
2、厦门生态建材工程研究中心，厦门，361024
3、中国建筑材料研究院，北京，10024
关键词:水玻璃;矿渣;抗压强度
摘要:研究了水玻璃活化渣砂浆的抗压强度和交流阻抗随水玻璃模量(0.5-2.0)和掺量(2-6%)的变化规律。结果表明，当水玻璃掺量为2- 4%时，水玻璃模量对其抗压强度影响不大。对于玻璃水的用量超出4%,水玻璃的模数变化从0.5 - -1.0,抗压强度明显增加而增加模数的水玻璃和水玻璃的模数变化从1.0 - -2.0,水玻璃的模数有抗压强度的影响。强度随剂量的增加而增加，从2%增加到6%。在相同剂量和模量的情况下，体电阻与活化年龄有较好的功率相关性。随着剂量的增加，当剂量低于4%时，体电阻显著降低。当剂量超过4%时，下降幅度较小。剂量的降低程度随活化年龄的增加而增加。模量对体电阻的影响取决于剂量的范围。但可以认为，当剂量分别为4%和6%时，模量对各剂量下的体电阻影响较小。
引言
废物利用是一种很有吸引力的处理方法，因为处理费用和潜在的污染问题随着节约资源的实现而减少甚至消除。然而，利用战略必须结合环境和能源方面的考虑，以便最有效地利用现有材料。
适当快速冷却的高炉铁渣、钢渣、磷渣、铜渣和铅渣具有胶凝或火山灰性质。由于使用这些矿渣作为固井部件只需要研磨，与生产硅酸盐水泥相比，它节省了大量的能源。例如，磨碎高炉矿渣所需的能量仅为生产硅酸盐水泥所需总能量的10%左右。
目前，大多数工业炉渣在使用时没有充分利用它们的性质，或没有加以处理而没有加以利用。大多数情况下，它们被用作不同应用程序或镇流器的聚合。只有一小部分磨碎的高炉矿渣用于部分硅酸盐水泥的替代。局部置换可降低早期强度，但可提高后期强度，显著提高硬化硅酸盐水泥和混凝土的微观结构和耐久性。许多研究结果表明，在正常和水热条件下，无熟料碱活性渣比硅酸盐水泥具有更高的强度、更致密的结构和更好的耐久性。因此，这些炉渣的最佳用途是作为胶凝材料组成部分，而不是作为集料或用于地基稳定。
矿渣主要由水玻璃活化，水玻璃具有快速硬化和高抗压强度的优点。然而，在很短的设定时间和随后的收缩情况下就会出现问题，而且使用的活化剂通常具有很强的腐蚀性，在实验室外很难安全操作。因此，通常使用模量较高的硅酸钠(硅碱比)，腐蚀性较低，因此更安全，也在一定程度上缓解了设定时间的困难。
许多研究人员已经证实，水玻璃是一种有效的渣激发剂。[2 - 4]。对于某一活化剂，矿渣化学成分的不同，对活化剂[5]的需求也不同。水玻璃的掺量和模量对碱矿渣水泥砂浆或混凝土的性能有影响。Krizan和Zivanoic[6]发现水玻璃掺量对水化的影响取决于其模量，当na2o含量保持不变时，模量的降低可以延缓水化。Shi等人研究了水玻璃模量对碱活化水泥中不可汽化水含量的影响。Hrazdira等[8-9]研究了水玻璃用量和模量对碱活性矿渣水泥膏体铺展的影响。Jolicoeur等人[9]发现减水剂对碱矿渣水泥工作性的影响与水玻璃模量有关。Wu和Bin[10-11]等研究了水玻璃掺量和模量对碱矿渣水泥强度的影响。大量研究表明，水玻璃模量对碱矿渣水泥性能有显著影响。在很多情况下，水玻璃是矿渣最有效的活化剂，水玻璃的最合适模量与矿渣的性能有关[4,7,11]。
自本世纪初以来，水泥石的电性能引起了科学家们的兴趣。电导率测量使用交流电(交流电)技术进行，以最大限度地减少电极上发生的电化学过程的影响，在阻抗谱应用于一个非常宽的频率范围(20-110 MHz[13])研究水泥糊之前的几年;在第一个阻抗谱中观察到电极极化和体电阻的贡献。
一些实验研究了多孔结构与水泥浆料电性能的关系[14-17]，另一些实验研究了电性能随水化时间的演化[18-24]。
多孔材料的电性能决定了材料的微观结构和离子浓度。本文的目的是报道碱活化矿渣水泥砂浆中水玻璃的掺量和模量与f阻抗测量结果的关系。老化条件对体电阻的影响将特别关注活化年龄对体电阻的影响。此外，还将讨论水玻璃的用量和模量对抗压强度的影响。
实验方案
原料及配比
本文使用的材料包括地面高炉，其性能和化学成分如表1所示，细度模量2.6的河砂，初始模量3.0的工业水玻璃，Baume度40。通过加水和氢氧化钠调节水的模量。用于测量抗压强度和交流阻抗的砂浆试样的混合比例如表2所示。
表1 本研究所用矿渣的性质及化学成分
表2 本研究所用砂浆试件的配合比
试样制备及测量
采用40times;40times;160 mm的模具制备抗压强度测试用试样。浇注适当振动后，将模具置于雾室中进行标准养护(RHgt;95%，温度21plusmn;2)，用薄膜覆盖，直至砂浆试样从模具中取出。取下标本后，置于带薄膜盖的雾室中。分别在3、14、28 d进行了抗压强度测试。
采用100times;100times;100 mm的模具制作交流阻抗测量用试样。如图1所示，在浇注砂浆前，将两个不锈钢电极置于模具中紧贴模具壁。经适当振动浇注后，将模具置于雾室进行标准养护，并涂上薄膜。分别在3h、1、3、7、14和28d进行了交流阻抗测量。数据采集的频率范围为0.01 Hz到1 MHz，每10年采集7个点。
图1.用于交流阻抗测量的样品说明
结果与讨论
抗压强度
砂浆试件3、14、28 d龄期抗压强度等值线图如图2所示。从三个图中可以看出，当水玻璃掺量约为2- 4%时，水玻璃模量对抗压强度影响不大，随着水玻璃模量的增加，抗压强度几乎保持不变或略有下降。对于玻璃水的用量超过4%,当水玻璃的模数变化从0.5 - -1.0,抗压强度明显增加而增加模数的水玻璃和当水玻璃的模数变化从1.0 - -2.0,水玻璃的模数有点影响抗压强度,抗压强度几乎保持变量的增加而提高水玻璃的模数。到各种模数而言,强度增加而增加的剂量,剂量低于4%时,剂量有1020个应用材料和技术为现代制造业显著影响强度和用量在4%以上的情况下,增加程度的力量逐渐缓慢。
研究表明，水玻璃模量对碱矿渣水泥的强度有显著影响。当模量在0.5 ~ 1.5之间变化时，碱矿渣水泥浆体的强度无明显变化。在本研究中，当掺量低于4%时，模量对强度没有明显影响。水玻璃强度的最佳模量在1.0 ~ 1.5之间，与发表的[10]结果相似。在本研究中，最佳模量为1.5-2.0。Bin[11]发现，当模量在1.7以内时，碱矿渣水泥的强度随模量的增加而增加。当模量大于1.7时，模量对强度的影响不明显。在本研究中，当剂量超过1.5时，强度没有变化。因此，不同矿渣的最佳模量不同。Malolepszy和nocn - wczelik[25]发现当模量在1.0到2.5之间时，水玻璃活化矿渣砂浆的强度随着模量的增加而降低。Bakharev等[26]发现模量对活性矿渣水泥的早期强度影响不大;但当模量保持在1.25左右时，无论加入多少水玻璃，其强度均达到最大值。Shi和Li[7]认为，最佳模量的原因是水玻璃中“初始C-S-H”的形成和SiO 3 -的聚合，促进矿渣水化，形成最致密的微观结构。
图2. 砂浆抗压强度随水玻璃掺量和模量的变化曲线(Mpa)
体积电阻
理论奈奎斯特图预测了两个半圆;另一方面，直线，在最低频率，可以被认为是一个广泛的半圆的一部分，成为粗略完成只有在非常低的频率[27]。由于目前的工作对接口的属性不感兴趣，因此将不再讨论它们。
典型的水泥浆体阻抗谱如图3所示，其中报道了阻抗的虚分量与实分量(Nyquist图);可以看到，从低到高的频率，出现了一条直线和一个半圆。根据等效电路模型[28]，假设频谱由两个并行RC元件串联组成的离散电路产生，分别表示电极(低频)和体电阻(高频)贡献。通过对实验数据的拟合，得到了半圆与实轴相交时的体电阻。
图4是一系列不同激活年龄的Nyquist图。随着水化过程的进行，其半圆直径逐渐增大。这种行为很容易预测;事实上，在水泥基材料中，对导电性贡献最大的是毛细管水相的存在，它在水化过程中被消耗掉。此外，在老化过程中，孔隙结构的连通性降低，差离子导体C-S-H凝胶的数量增加，[24]。Xu等人[29]认为，多孔材料的体电阻取决于孔隙性质(微观结构和孔隙度)和孔隙溶液中离子浓度。
图3. OPC膏体的典型阻抗谱 图4. 不同激活年龄的Nyquist曲线
活化年龄对体电阻的影响
测量的体电阻与活化年龄的函数拟合，结果如表3所示。研究发现，在相同掺量和模量的情况下，砂浆的体积阻力与活化龄期之间存在较好的幂相关关系，说明所有砂浆试件的体积阻力均随着活化龄期的增加而增大。在模量为0.5的2%水玻璃和模量为2.0的6%水玻璃中掺入矿渣砂浆试件的体积阻力分别最高和最低。体积电阻取决于孔隙性质和孔隙溶液中离子浓度[29],这表明力量激活年龄的增加意味着发展的结构,生产批量阻力增加行动,由于反应SiO与Ca 2 3 -离子,孔隙溶液的离子浓度会降低,从而产生一个批量增加阻力。这两个对体电阻的增加作用将使体电阻增加。
表3. 根据公式R=atb，拟合体积电阻与活化年龄关系的a、b值
剂量对体电阻的影响
剂量对体电阻的影响如图5所示。由图4可以看出，随着剂量的增加，体电阻减小。下降程度逐渐减小，4% ~ 6%剂量的体电阻差较小，说明当剂量超过4%时，该剂量对体电阻的影响较小。在龄期早期，三种不同剂量的试样抗压强度差异较大，其体积阻力差异较小或很小。如上所述，强度取决于孔隙结构和孔隙度，而体电阻则取决于孔隙结构、孔隙度和孔隙溶液中离子浓度。随着激活年龄的增加，各强度之间的差异似乎保持了它们的值，但体电阻之间的差异增大。相似的强度差异表示相似的孔隙结构差异，从而产生相似的体电阻差异。体电阻随活化年龄的增大而增大，这可能与离子的减少有关，这是由于水化作用所致。在所有活化年龄，最低剂量产生最高的体电阻和最低强度。低剂量可降低孔隙溶液的水化程度和离子浓度。水化程度越低，孔隙率越高，阻力越大，孔隙溶液中离子浓度越低，阻力越大。
低掺量时强度低，孔隙性质对体电阻率影响小，孔隙溶液中离子浓度对体电阻率影响大。掺量为2%和4%的水玻璃试样的体电阻差异较大，说明当掺量为2%时，孔隙溶液中离子浓度的贡献比孔隙性质的贡献大。掺量为4%和6%的水玻璃试样与相似强度试样的体电阻相差不大，说明当掺量超过4%时，对体电阻的影响不大。
图5. 剂量对体电阻的影响
模量对体电阻的影响
剂量对体电阻的影响如图6所示。这三个图告诉我们一个事实，模量对体电阻的影响小于剂量对体电阻的影响。在加入量的情况下，模量为0.5的水玻璃试样的体电阻是四个体电阻中最高和最低的。模量分别为1.0和1.5的水玻璃试样，在各活化龄期的体电阻基本相同。模量为2.0的水玻璃试样在添加量为2%时体积阻力最小，在添加量为4%和6%时体积阻力次之。四种体电阻的最大差异分别为2%时350ohm和4%、6%时100Ohm。
如上所述,可以得出结论,模量有一个小体积电阻的影响在所有三个剂量的情况下,一个巨大的影响在14和28激活时代用量2%,小剂量4%和6%时产生巨大的影响。模量对体电阻的影响取决于剂量
图6. 模量对体电阻的影响
结论
1)当水玻璃掺量约为2- 4%时，水玻璃模量对抗压强度影响不大;对于玻璃水的用量超出4%,当水玻璃的模数变化从0.5 - -1.0,抗压强度明显增加而增加模数的水玻璃和当水玻璃的模数变化从1.0 - -2.0,水玻璃的模数有抗压强度的影响。强度随着掺量的增加而增加，当掺量低于4%时，掺量对强度有显著影响，当掺量大于4%时，强度的增加程度逐渐放缓。
2)在相同剂量和模量的情况下，体电阻与活化年龄有较好的功率相关性。
3)掺量对水玻璃渣砂浆的体积阻力有显著影响。模量对体电阻的影响取决于剂量的范围。随着剂量的增加，体电阻减小。下降程度逐渐减小，4% ~ 6%剂量的体电阻差较小，说明当剂量超过4%时，该剂量对体电阻的影响较小。剂量的减少程度随活化年龄的增加而增加。
4)三种剂量下，模量对体电阻的影响均较小，分别为2%时，在14、28岁活化年龄时，模量影响较大;4%、6%时，模量影响较小。模量对体电阻的影响取决于剂量。
感谢
本工作由厦门市科技局(3502Z20110009)、福建省科技厅(2013H6025)资助。
参考文献
[1]张建民，1999，“水泥与混凝土之研究”，国立中央大学土木工程研究所硕士论文。
[2]Malolepszy, J。， 1986，碱活化合成melitite矿渣。第八届国际大会水泥化学，巴西里约热内卢，里约热内卢，4,104 -107。
[3]斯洛塔，r。， 1987，水泥与混凝土研究，17(5)，703-708。
[4]施，c，李，Y。， 1989, Il Cemento, 86(3)，161-168。
[5]，c，
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资料编号：[2220]
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