文摘

地质聚合物材料有几个明显的优势,如节能减排、废物再利用,这样他们就可以成为水泥材料的替代品。在这项研究中,地质聚合物砂浆由高炉矿渣和钢渣强化了玄武岩纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维准备探索对强度和收缩性能的影响。扫描电子显微镜(SEM)是用来描述地质聚合物迫击炮的反应机理。结果表明,PVA纤维和玄武岩纤维可以提高地质聚合物的机械性能迫击炮后期养护期间。地质聚合物得到了玄武岩纤维表现出更好的韧性。适当的PVA纤维和玄武岩纤维含量可以有效地减少干燥和地质聚合物砂浆自收缩。玄武岩纤维的最佳内容和PVA纤维减少干燥收缩了0.4%。SEM结果表明,纤维可以有效地缓解应力集中,防止裂纹扩展。

1。介绍

近年来,水泥砂浆已广泛应用于混凝土修复和加固材料由于其低成本的优势,方便施工,和稳定的性能。然而,大规模使用水泥产生了越来越严重的问题,如能源消耗、资源消耗和环境污染。地质聚合物是一种新型的非金属材料准备从自然Si-Al-containing材料或工业矿渣如矿渣、粉煤灰和钢渣1- - - - - -3]。地质聚合物表现出优异的特性包括高强度、低有限公司2排放、优良的耐腐蚀性能和耐用性比传统胶结绑定(4- - - - - -6]。

因此,许多研究人员已经使用地质聚合物材料准备迫击炮和努力改善他们的属性。Helmy [7]表明,间歇性治疗证明所有地质聚合物的抗压强度的增加迫击炮由粉煤灰在每个治疗步骤。Atis航站et al。8)认为,热固化温度和热固化时间的增加有利于提高地质聚合物的抗压强度。Fly-ash-based地质聚合物贴达到120 MPa激活时14%氢氧化钠和治愈24小时的115°C。Ilkentapar et al。9)发现,全美浮尘地质聚合物的吸水迫击炮热固化时间的增加而增加。一个额外的休息时间的养护热固化后增加了吸水。杨et al。10)发现替代粉煤灰的反应活性降低固体的前身metakaolin-based地质聚合物迫击炮,导致反应速率较低,反应时间较长,水蒸发从孔隙网络的阻塞。Elyamany et al。11)探讨了氢氧化钠浓度对地质聚合物迫击炮的设置时间。结果表明,设置时间随氢氧化钠溶液中物质的量浓度增加而降低可能是因为增加氢氧化钠量浓度可以提高铝矽酸盐前体的溶解速度,提高geopolymerization过程。陈等人。12)显示,当矿渣微粉的替代率达到30%,砂浆最好抗压强度(75.9 MPa),弯曲强度(12.2 MPa),和粘结强度(6.4 MPa)比许多路面修复材料。

然而,地质聚合物迫击炮高脆性的缺点,低韧性,和较低的抗变形性,这是类似于水泥砂浆。然而,各种纤维的加入可以显著提高这些性质。例如,Zhang et al。13)实验得出结论,对地质聚合物砂浆抗压强度和断裂能量可以改善PVA纤维的混合一定量。马利克(14)表明,地质聚合物的结构性能和耐久性改善通过加入PVA纤维的5%。显微结构的研究证实了PVA纤维在地质聚合物矩阵分布式开发fibre-bridging质地,性能有所改善。郭(15]发现,玄武岩纤维也可以显著提高地质聚合物迫击炮的28天抗压和抗弯强度,有效防止开裂,裂纹扩展,如扫描电子显微图所示。Punurai [16)发现玄武岩纤维可以使地质聚合物贴更均匀,密度较小的总孔隙度。因此,PVA纤维和玄武岩纤维可用于提高地质聚合物的韧性和耐久性迫击炮。

在设置明显的收缩和硬化过程是另一个重要的因素影响的广域应用地质聚合物(17,18]。过度收缩会导致开裂,进一步降低了强度、刚度、和结构的使用寿命10,19,20.]。已由学者来研究地质聚合物的收缩特性。研究表明,增加粉煤灰的加入可以显著减少地质聚合物的干燥收缩由于粉煤灰的微团聚体填充效果21,22]。此外,氢氧化钠浓度严重影响地质聚合物的干燥收缩。地质聚合物由更高的氢氧化钠浓度显示较低的干燥收缩和更高的自收缩23]。Ridtirud et al。24)发现,固化温度和固体/液体比在决定中扮演关键角色的干燥收缩fly-ash-based地质聚合物。段et al。25)认为TiO的合并2地质聚合物的纳米颗粒进入地质聚合物可以改善碳化性能,减少干燥收缩。

在本文中,使用钢渣和矿渣为原料制备地质聚合物砂浆。钢渣和矿渣可以相互促进碱性励磁机的作用下由于活动的差异。由于早期的快速反应和Ca的缺乏2 +在以后的阶段,而钢渣CaO含量高,Ca(哦)2反应可以生成的渣吸收促进矿渣的水化。钙的吸收2 +由渣促进离解的钢渣水化并生成水合钙铝硅酸盐和沸石等产品来填补毛孔,形成的早期反应。此外,混合纤维材料预计将提高地质聚合物的韧性和减少收缩。因此,进一步研究限制对地质聚合物砂浆收缩通过添加PVA纤维或玄武岩纤维是有意义的,但相关的研究仍然不足。地质聚合物由矿渣和钢渣与各种混合体积比PVA纤维和玄武岩纤维准备探索影响地质聚合物迫击炮的收缩和力学性能。

2。实验

2.1。材料

高炉矿渣和钢渣作为原材料制备地质聚合物粘结剂,与石英砂颗粒大小40 - 70毫米作为细骨料。高炉矿渣粉的比表面积是436米2/公斤。高炉熔渣主要由37.2%曹、SiO 30.0%2,16.6%的铝2O3,如表所示1。钢渣是一种固体废物从炼钢、及其化学成分的影响因素如铁矿石来源、出渣材料,和炼钢方法。钢渣的化学成分研究中主要由30.1%曹、SiO 15.3%2,33.2%的铁2O3,分别以15.0%,如表所示1,与一个特定的表面面积420 m2/公斤。

表1
高炉矿渣和钢渣的化学成分。

水玻璃的模数选择解决方案(米=n(SiO2)/n(Na2O)为3.2,这是调整由氢氧化钠和用作复合碱催化剂。复合模量的碱催化剂是1.2。Na的固体含量2O和SiO2分别为8.5%和26.8%。

聚乙烯醇纤维(PVA纤维)长12毫米和15μ米直径和玄武岩纤维(BF) 12毫米长度和13所示μ米直径。他们的技术指标如表所示2。

表2
PVA和玄武岩纤维的技术指标。
2.2。混合比例的地质聚合物迫击炮

表3介绍了地质聚合物迫击炮的混合比例。水粘结剂的比例为0.55(包括催化剂的水),砂粘结剂的比率是0.60,相当于Na2SiO3催化剂的粘结剂材料是22%。添加0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的PVA纤维(分别PVA-1, PVA-2、PVA-3和PVA-4)被选为与控制样本(PVA-0)和比例都是表示体积的比率(%)。样品与玄武岩纤维的0.1 - -0.4%体积比混合(名叫样机bf - 1, BF-2 BF-3, BF-4)也准备好了。

表3
混合比例的地质聚合物迫击炮。
2.3。制备地质聚合物迫击炮

地质聚合物迫击炮也有类似的准备过程水泥贴。首先,纤维被放入活化剂和混合分布,以及与水混合物注入水泥砂浆搅拌机、高炉矿渣、钢渣、石英砂。然后,混合物是120年代在低速搅拌混合器前。经过180年代的高速搅拌,地质聚合物迫击炮被倒进模具尺寸为70.7×70.7×70.7毫米和40×40×160毫米。

2.4。测试方法
2.4.1。机械性能

根据水泥的标准测试方法确定强度(ISO 679: 2009),抗压强度(70.7×70.7×70.7毫米)和弯曲强度(40毫米×40毫米×160毫米)的标本进行测试在3 d治疗年龄,7 d,和28 d微机控制压力测试系统。样本治愈标准养护箱(20°C和> 95% RH),直到指定的年龄了。抗压强度和抗弯强度的平均六个单独的测试。超过10%的偏离的数据意味着被淘汰。

2.4.2。干燥收缩

根据标准的测试方法(JC / T 603 - 2004),干燥收缩测量报告的三个标本获得平均价值。脱模后,样本进一步治愈20°C水浴2天,然后被删除。标本的表面上的水擦拭,和初始长度测量精度可达到0.001毫米,如图1。之后,样品被放在一个干燥的温度和收缩盒治疗20±2°C和60±5%的相对湿度。固化后测试样品的长度精度可达到0.001毫米。干燥收缩决定如下: 在哪里ε是干燥收缩,l0(毫米)脱模的长度,ld(毫米)是测量长度,160 (mm)的有效长度是标本没有两头指甲。


图1
比较器和拨号指标。
2.4.3。自收缩

自收缩测试使用光束进行标本的大小40×40×160毫米。经过24小时的造型,标本从模具取出,立即用聚乙烯薄膜,包裹着一层粘性锡箔。自收缩决定如下:

初始长度L1测量长度比例米,和Lt后测量设置为指定的年龄。

2.4.4。质量损失

质量损失率是用来测量质量变化相同的养护条件下干燥收缩试验。确定了质量损失如下:

这里,Δm (wt %)是质量损失,Ws的初始重量标本,测量重量是wt的标本t天。

3所示。结果与讨论

3.1。抗压和抗弯强度的玄武岩纤维增强地质聚合物迫击炮

对地质聚合物砂浆抗压强度与不同玄武岩纤维内容3 d后,7 d, 28 d养护如图2(一个)。样品的抗压强度在3 d和7 d玄武岩纤维添加后略有下降。抗压强度高于对照组只有当纤维含量为0.3%。28 d固化后,抗压强度先增加然后减少纤维含量的增加,和所有的优点都高于对照组。混凝土的抗压强度达到最大值41.1 MPa时纤维增加了0.2%,高于对照组11.7%。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
地质聚合物强度与不同的玄武岩纤维混合内容。(一)抗压强度和抗弯强度(b)。

图2 (b)显示了地质聚合物迫击炮的挠曲强度与不同玄武岩纤维在固化的3 d内容,7 d, 28 d。对地质聚合物砂浆抗弯强度增加时,玄武岩纤维含量从0.1%上升到0.3%。玄武岩纤维含量进一步增加,弯曲强度略有降低,抗压强度仍高于对照组。玄武岩纤维的最佳内容大约是0.2%,和早期的挠曲强度达到5.4 MPa和6.1 MPa的最大固化的3 d和7 d。如果内容的玄武岩纤维为0.3%,28 d的挠曲强度治疗年龄达到7.4 MPa的最大和对照试样相比增加了17.4%。最优抗压强度发展玄武岩纤维含量为0.2 -0.3%。

玄武岩纤维可以均匀分散在标本形成一个网状结构,有效地抵抗裂纹扩展和增强了结构的韧性(26]。添加一个合适的纤维含量有利于吸收能量和力量的发展。然而,太多的纤维难以混合在迫击炮,导致过度的不均匀结构孔隙缺陷(27]。

3.2。抗压和抗弯强度的PVA纤维增强地质聚合物迫击炮

地质聚合物的抗压强度在3 d迫击炮,7 d, 28 d养护不同PVA纤维内容如图3(一个)。PVA纤维的掺入降低了砂浆的抗压强度3 d的治疗除了0.2%的PVA纤维添加。7 d抗压强度出现与PVA纤维的掺入增加减少。如果奶油水果蛋白饼纤维的含量小于0.2%,抗压强度在28 d治疗年龄明显改善。然而,如果含量高于0.2%,抗压强度在养护28 d降低了。这种力量甚至低于对照组,而内容是0.4%。28天抗压强度最高的地质聚合物迫击炮(准备与PVA纤维含量0.2%)为41.8 MPa,高于13.6%的控制样本。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
地质聚合物强度与不同PVA纤维的内容。(一)抗压强度和抗弯强度(b)。

图3 (b)显示了地质聚合物迫击炮的挠曲强度与不同PVA纤维在3 d内容,7 d, 28 d治疗年龄的。结果表明,三维弯曲强度达到最大值4.3 MPa的PVA纤维含量为0.2%。7 d的挠曲强度在不同PVA纤维含量略高于对照组。对地质聚合物迫击炮PVA纤维的增强效果明显在养护28 d。PVA纤维的最佳含量为28 d挠曲强度增益为0.2%,和相应的强度达到7.6 MPa,高于20.6%的控制样本。与抗压强度的变化趋势相似,过度的内容(> 0.2%)预计将削弱PVA纤维的增强效果。

PVA纤维显著贡献的抗压和抗弯强度获得治疗年龄(d) 28日晚些时候,这是符合报告(15]。最优PVA纤维含量0.2 - -0.3%。此外,玄武岩纤维加固对地质聚合物迫击炮的影响高于PVA纤维在早期。原因可能是玄武岩纤维的弹性模量较高,有利于应力分散和承受压力的一部分。

3.3。地质聚合物迫击炮的干燥收缩

图4显示了玄武岩纤维的影响的内容和PVA纤维对地质聚合物砂浆干缩。收缩可以归因于内部的水蒸发从粘结剂的孔隙网络到外部环境在一个相对较低的湿度水平。毛细管压力的蒸发毛细水在干燥过程中产生收缩变形。大部分的干燥收缩发生在第一天因为快速流失的内部水从新鲜表面形成的。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
玄武岩纤维的影响的内容(a)和(b) PVA纤维地质聚合物砂浆干缩。

图4(一)表明对地质聚合物砂浆干缩了玄武岩纤维经历两个阶段。干燥收缩在初始阶段地质聚合物迅速增加,随后平整。第一干燥收缩增加,随后随纤维含量增加。干燥收缩是最小的玄武岩纤维含量为0.4%时56个d。14-d干燥收缩是410×10−5对照组,占92.5%的56-d干燥收缩。玄武岩纤维对地质聚合物迫击炮准备0.4%,56-d干燥收缩是361×10−5迫击炮钢筋玄武岩纤维为0.4%,与对照组相比降低了18.5%。玄武岩纤维高弹性模量的增加复合材料的抗拉强度在初始阶段,可塑性和硬化和抵抗变形矩阵由于脱水和干燥。一个合适的玄武岩纤维含量可以减少干燥收缩,改善材料的体积稳定性。

图4 (b)显示了PVA纤维的影响内容和干燥年龄对地质聚合物迫击炮的干燥收缩。样品准备的干燥收缩与PVA纤维似乎迅速增早期阶段和后28 d养护。更明显的干燥收缩出现时,PVA纤维含量小于0.3%与对照组相比。例如,56-d干燥收缩的样本准备0.2% PVA纤维的体积分数是540×10−5,这是一个与对照组相比增长了21.9%。相比之下,56-d干燥收缩时受到明显的限制PVA纤维含量增加到0.4%,这是一个与对照组相比降低了4%。玄武岩纤维有更好的影响对地质聚合物砂浆干缩比PVA纤维。纤维的最佳内容抑制干燥收缩是抗压强度不同。56-d干燥收缩时最大0.2%玄武岩纤维和PVA纤维添加的内容,达到458×10−5和540×10−5,分别。添加纤维体积分数为0.4%的最优加固地质聚合物迫击炮的干燥收缩的影响。纤维抑制微裂隙的扩展和延伸,分散压力引起的收缩,从而降低材料的收缩变形。

图5显示了地质聚合物的质量损失率迫击炮在干燥过程。类似于干燥过程,地质聚合物的质量损失率增加干燥较长的年龄。一个更明显的质量损失发生在早期阶段。后期的相对稳定的质量损失率与干燥收缩呈正相关;干燥收缩大,对应于一个更大的失水率。与适当的内容添加玄武岩纤维可以有效地减少地质聚合物的孔隙度和限制内部水从地质聚合物释放。地质聚合物迫击炮有早期的质量损失率低于对照组,PVA纤维含量增加0.4%,但成为高于对照组56 d后干燥。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
玄武岩纤维的影响的内容(a)和(b) PVA纤维失水率的地质聚合物迫击炮。
3.4。地质聚合物自收缩的迫击炮

自收缩的地质聚合物来自自干燥和化学收缩,减少体积。在这项研究中,地质聚合物的自收缩测量24小时后成型。化学收缩主要发生在新鲜状态,所以它将不会在下一节中讨论。自收缩曲线的贴在两个不同的发展阶段:(1)扩张行为在最初的治疗年龄和(2)收缩行为由于收缩变形的进一步增加。

图6(一)显示了玄武岩纤维的影响对地质聚合物砂浆自收缩。自收缩的设置年龄的增加而增加。对地质聚合物砂浆自收缩钢筋由玄武岩纤维含量最低(278×10 0.3%−5在56个d),这与对照组相比降低了15.3%。14-d自收缩达到188×10−5当玄武岩纤维含量为0.4%,占65.7%的干燥收缩56个d。增加0.3 - -0.4%体积分数的玄武岩纤维对自收缩有较明显的抑制作用。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
玄武岩纤维的影响的内容(a)和(b) PVA纤维地质聚合物砂浆自收缩速率。

PVA纤维的影响对地质聚合物砂浆自收缩与干燥收缩不同,如图6 (b)。对地质聚合物砂浆自收缩随纤维含量增加而降低0.3%体积分数和随之增加。所有内容的PVA纤维有效地减少了自收缩。地质聚合物的自收缩迫击炮设置年龄的增加而增加。添加0.3% PVA纤维的内容主要是减少了56-d自收缩。它达到了240✕10−5和对照组相比下降了26.8%。

3.5。扫描电镜分析

图7显示了地质聚合物的SEM图像迫击炮后28 d养护。质量絮状阶段没有固定形状被发现在所有标本。这是将非晶形成的阶段alkali-activated反应和形成C-S-H凝胶和/或N-A-S-H [28,29日]。alkali-activated反应可以生成C-S-H较小的凝胶凝胶粒子填充孔隙结构。此外,凝胶阶段可以生成一个三维的网络结构通过一个聚合的过程(30.,31日]。然而,一些未反应的钢渣颗粒仍然由于其低的活动。孔隙和裂缝地质聚合物迫击炮也可以观察到,如图7(一),可以收缩和水造成的损失(32]。单一独立的纤维可以观察和显示为一个强大的债券与周围的地质聚合物砂浆,可有效抵抗裂纹扩展和分散压力,证实了图7 (b)(33]。因此,当纤维含量都是0.4%,干燥收缩是最小的。在这个内容,纤维能有效地提高机械性能,减少干燥收缩。然而,比较数据b和c,PVA纤维将展览集聚现象由于更好的亲水性,还有微裂隙在PVA纤维的结合表面和地面聚。凝胶和纤维无法紧密相连,周围结构松散,和更多的水,所以当PVA纤维掺杂是0.4%,干燥收缩值大于玄武岩纤维。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
SEM图像的地质聚合物迫击炮来表示纤维的可分散性。(一)空白样品。(b)玄武岩纤维(0.4%。(c) PVA纤维(0.4%)。

4所示。结论

在本文中,地质聚合物迫击炮的收缩和强度性质由高炉矿渣和钢渣强化了玄武岩纤维和聚乙烯醇(PVA)进行了研究。主要结论如下:(1)添加了PVA纤维和玄武岩纤维后,对地质聚合物砂浆抗压强度和抗弯强度提高。抗弯和抗压强度先增加然后减少。玄武岩纤维和PVA纤维的最佳含量为0.2 -0.3%,和玄武岩纤维具有更好的增韧效果比PVA纤维。(2)对地质聚合物砂浆干缩先增加然后减少随着玄武岩纤维和PVA纤维的内容。质量损失速率显示了干燥收缩的趋势。玄武岩纤维和PVA纤维的最佳内容限制干燥收缩是0.4%。PVA纤维会增加收缩比玄武岩纤维由于其亲水性。(3)自收缩测试显示,当纤维的含量是0.3%,self-shrinkage是最小的。SEM测试表明,纤维的加入可以有效地减轻地质聚合物的应力集中迫击炮和阻止裂纹扩展。然而,过度的纤维会结块,导致力量的损失。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持河南交通部门的科技项目(批准号2018阁下)。