混掺型煤矸石地聚物混凝土力学性能及微观机理研究

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硅酸盐水泥的大量使用,致使当今混凝土行业存在能源消耗量大,温室气体排放多等亟待解决的问题,为了改善这些问题,本文开展了一种混掺型地质聚合物混凝土(Geopolymer Concrete,GC)的研究。考虑到现阶段地聚物混凝土同样存在原材料供应短缺、价格上涨,以及抗拉抗裂性能不足的问题,本研究又引入利用率不高的煅烧煤矸石部分替代粉煤灰和粒化高炉矿渣制备混掺型煤矸石地聚物混凝土(Mixed Coal gangue Geopolymer Concrete,MCGC),同时分别掺入玄武岩纤维、钢纤维和PET纤维改善其韧性,制备出了纤维增强混掺型煤矸石地聚物混凝土(FRMCGC)。主要研究内容和试验结果如下:(1)参考相关规范,以普通C30混凝土的标准进行了配合比设计,并借鉴已有研究,确定了混掺型煤矸石地聚物胶凝材料的具体配比。其中原材料包括煅烧煤矸石、粉煤灰和矿渣(质量比2:1:1),碱激发剂由水玻璃和Na OH组成(质量比7:3),激发剂溶液与原材料的质量比为0.5,粗、细骨料分别为卵石和河沙,增强材料分别选用了玄武岩纤维、钢纤维和PET纤维。依照设计配合比,最终浇筑了150个有效立方体试块,用于力学性能试验和微观分析试验。(2)分别对养护至规定龄期的试块进行立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。结果显示:按照本次配合比浇筑的混凝土,28天抗压强度可达到28MPa,它的强度在养护早期增长十分迅速,但中后期(7d后)缓慢。纤维的掺入对MCGC抗压强度的有一定影响,与不掺纤维的基准组比较,强度变化幅度均在±10%左右;相比之下,纤维对MCGC劈裂抗拉强度的影响明显得多,不同纤维种类及掺量的对照组劈裂抗拉强度提升幅度约为16%~73%,其中钢纤维的提升效果最优,其次为PET纤维,最弱的是玄武岩纤维。(3)通过扫描电子显微镜观察了MCGC和FRMCGC的微观形貌,从影像中可以看到,养护至7d和28d的MCGC基体表面都存在不同数量的聚合凝胶、微孔洞、细微裂缝和未反应完全的粉煤灰颗粒,但28d时基体的凝胶量和密实度都明显更高。三种纤维均良好的包裹于MCGC基体中,纤维与骨料、胶体之间的相互作用效果明显,不同之处在于:钢纤维尺寸较大,表面粗糙,不存在被拉断的情况,PET纤维表面有凹槽和划痕,还粘有活化极性基团,被拉断部位也呈现出明显的塑性特征,而玄武岩纤维的表面较光滑,断裂端部呈现出脆性特征,有部分纤维甚至出现了“溶蚀”现象,直接导致了玄武岩纤维对MCGC劈裂抗拉性能的提升效果最差。从本次试验的结果中可以看出,将煅烧煤矸石、粉煤灰和矿渣混合制备地聚物混凝土具有可行性,减轻了混凝土对传统硅酸盐水泥的依赖,缓解了常用掺合料供应短缺和价格上涨的问题,为合理处置煤矸石提供了应用方案。但该种混凝土仍存在后期强度增长缓慢,力学性能不稳定等问题。另外,纤维的掺入显著的改善了MCGC抗拉和抗裂性能,但不同纤维的增韧效果,以及最佳的增韧掺量还需更多的试验探究。
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