地聚物混凝土 - 副本.pptx

地聚物混凝土 小組成員 簡思敏 曹亮 閆佳 肖永波 海嘯指導老師 蔡健 左志亮 地聚物定義地聚物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地聚物混凝土的性能 地聚物定義 地聚合物材料是近年來國際上研究非常活躍的材料之一 它是以粘土 偏高嶺土 工業(yè)廢渣或礦渣 堿激發(fā)劑為原料 采用適當?shù)墓に囂幚?在較低的溫度條件下 50 180 通過化學反應(yīng)得到的具有與陶瓷性能相似的一種新材料 地聚物的制備 硅鋁酸鹽材料 如 偏高領(lǐng)土 粉煤灰 礦渣 如 硅酸鈉 硅酸鉀 堿性溶液 地聚物 一 地聚物混凝土發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 使用普通硅酸鹽水泥建造的現(xiàn)代混凝土建筑的壽命一般在50年左右 然而許多古代的建筑 如古羅馬的斗獸場 埃及的金字塔等卻能千年屹立不倒 J Davidovits經(jīng)過大量調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)古埃及金字塔所用的石材是人工合成的 而這種人工合成的材料正是所謂地聚物 接著通過X光 XR X光衍射 XRD 核磁共振 NMR 電子衍射等手段證實了這一觀點 地聚物 Geopolymer 最早于1978年由法國科學家J Davidovits提出 在對耐久性優(yōu)異的古埃及金字塔等的研究中發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)狀的硅鋁化合物 而該化合物的結(jié)構(gòu)與地殼中的沸石類結(jié)構(gòu)非常類似 因此被稱為地聚物 發(fā)展歷程 國外研究 澳大利亞的J Temuujin A vanRiessen研究了火山灰初步煅燒對地聚物性能的影響 印度尼西亞SotyaAstutingsih和HenkiWibowoAshadi等組成的科研團隊 研究了利用制備地聚物膠凝材料的課題 新西蘭的Jona混凝土廢料thanTaiby Kennth J D MacKenzie對硅鋁地聚物與波特蘭水泥復合材料的結(jié)構(gòu)和物理性能 以及其內(nèi)含物質(zhì)進行了研究 國內(nèi)研究 最有代表性的是張云升博士和孫偉教授的研究團隊以及香港科學與技術(shù)大學的李宗津教授 早在2000年就開始了對地聚物的形成機理 結(jié)構(gòu)特征 配比設(shè)計 工藝體系 物理性能 耐久性及其在土木工程中的應(yīng)用進行了研究 此外 楊巧 楊曉鴻研究了利用偏高嶺土制備地聚物膠凝材料的工藝和特性 孫家瑛首次討論了地聚物與粉煤灰復合灌漿材料的物理力學性能 并對其制備工藝進行了研究 關(guān)于地聚物的形成機理主要有以下幾種認識 如下表所示 J Davidovits觀點 目前 最為認可的就是J Davidovits提出的解聚和縮聚理論 認為地聚物材料的凝結(jié)硬化過程就是原材料中硅氧鍵和鋁氧鍵在堿性催化劑作用下斷裂后再重組的反應(yīng)過程 以偏高嶺土為原材料 NaOH和KOH為激活劑制備 Na K PSS為例對其反應(yīng)機理進行說明 首先 摩爾比為1 2的偏高嶺土和無定型二氧化硅在強親核試劑NaOH和KOH以及水的作用下 發(fā)生Si O和AI O共價鍵的斷裂反應(yīng) 可以這么說 在水溶液中生成了硅酸和氫氧化鋁的混合溶膠 溶膠顆粒之間部分脫水縮合生成正鋁硅酸 其次正鋁硅酸在堿性或干燥環(huán)境下不穩(wěn)定 會進一步脫水聚合形成聚鋁硅氧縮聚大分子鏈 J Davidovits觀點 地聚物的結(jié)構(gòu)地聚物縮聚大分子的通式為 Mx Si O w Al O n zH2O其中 M代表堿金屬元素 x代表堿離子個數(shù) 表示化學鍵 w表示硅鋁比 n表示縮聚度 z表示化學結(jié)合水的數(shù)目 0 w 4 地聚物優(yōu)點 地聚合物具有以下優(yōu)點 1 強度高 主要力學性能指標優(yōu)于玻璃與水泥 2 具有較強的耐腐蝕性與較好的耐久性 大大優(yōu)于傳統(tǒng)水泥材料 3 具有較好的快硬固化性 4 材料耐高溫 隔熱效果好 5 原料價格低廉 儲量豐富 其主要構(gòu)成元素硅 鋁 氧在地殼中儲量分別為27 8 47 6 生產(chǎn)能耗低 其能耗只有陶瓷的1 20 鋼的1 70 塑料的1 150 7 增韌 增強外添加劑選擇范圍廣 地聚物混凝土 地聚物膠凝材料是一種高性能的堿激活水泥 不同于普通硅酸鹽水泥 地聚物混凝土研究發(fā)現(xiàn) 地聚合物具有許多硅酸鹽系列水泥難以達到的優(yōu)異性能 在土木工程 固核固廢 高強 密封及高溫材料等方面均顯示出很好的開發(fā)應(yīng)用前景 由于偏高嶺土價格較高 近年來采用各種工業(yè)廢渣 如粉煤灰 礦渣 爐渣 尾礦等鋁硅酸鹽材料部分或全部取代偏高嶺土 制備堿激發(fā)復合膠凝材料再次成為國內(nèi)外的研究熱點 混凝土拌合物和易性 研究發(fā)現(xiàn) 對硅酸鹽水泥具有良好減水作用的減水劑對堿激發(fā)膠凝材料效果往往很差 此外 隨NaOH和水玻璃濃度增加 堿激發(fā)粉煤灰砂漿流動度下降 堿激發(fā)膠凝材料 集料界面特性 在硅酸鹽系列水泥混凝土中 通常集料與水泥石間存在界面過渡區(qū) 對強度和耐久性影響較大 但堿激發(fā)膠凝材料與集料間不存在類似界面過渡區(qū) 原因 石灰石砂與膠凝材料間存在化學作用 石英砂和花崗巖砂中鋁硅成分則在堿激發(fā)作用下 也參與聚合反應(yīng) 從而在堿激發(fā)膠凝材料與集料之間不存在界面過渡區(qū) 抗化學侵蝕性 研究表明 雖然礦渣含鈣量較高 但與硅酸鹽系列水泥相比 堿礦渣水泥仍具有良好的抗化學侵蝕性能且其抗化學侵蝕性能似乎優(yōu)于堿激發(fā)粉煤灰材料 其原因可能與堿激發(fā)材料孔結(jié)構(gòu)有關(guān) 水玻璃激發(fā)粉煤灰試樣平均孔徑約6 28nm 水玻璃激發(fā)礦渣試樣大部分孔均為10nm以下的凝膠孔 因此 水玻璃激發(fā)礦渣混凝土抗化學侵蝕性優(yōu)于水玻璃激發(fā)粉煤灰混凝土 對鋼筋的保護作用 1 粉煤灰混凝土研究發(fā)現(xiàn) 抗壓強度相當時 與普通硅酸鹽水泥相比 堿激發(fā)粉煤灰混凝土對鋼筋具有更好保護作用 強度越高 鋼筋防銹能力越強 NaOH和水玻璃激發(fā)粉煤灰混凝土與普通水泥混凝土類似 可迅速在鋼筋表面形成鈍化保護層 因而對鋼筋具有良好保護作用 但堿激發(fā)粉煤灰混凝土中含有2 的Cl 時 其銹蝕速率將增大100倍 對鋼筋的保護作用 2 堿礦渣混凝土堿礦渣砂漿抗氯離子滲透能力優(yōu)于硅酸鹽水泥砂漿 水玻璃激發(fā)礦渣砂漿28d 氯離子滲透電通量僅約為硅酸鹽水泥砂漿的1 3 Na2CO3和激發(fā)礦渣砂漿抗氯離子滲透能力更強 可見 堿激發(fā)膠凝材料混凝土具有良好抗氯離子滲透能力 特別適合海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 混凝土變形性能 1 化學變形一般認為 堿激發(fā)偏高嶺土和粉煤灰材料化學減縮變形較小 但相關(guān)研究很少 廖佳慶研究發(fā)現(xiàn) 激發(fā)堿礦渣水泥化學減縮與硅酸鹽水泥相當 水玻璃激發(fā)試樣化學減縮略小于硅酸鹽水泥 2 干縮變形堿激發(fā)偏高嶺土材料和堿激發(fā)粉煤灰材料的干縮變形都小于硅酸鹽水泥 而堿礦渣水泥干縮較大 其干縮與激發(fā)劑種類和用量有關(guān) 水玻璃和NaOH激發(fā)試樣干縮分別達 混凝土變形能力 硅酸鹽水泥干縮的6倍和3倍 且隨激發(fā)劑用量增加而增大 而碳酸鈉激發(fā)試樣干縮比硅酸鹽水泥略低或相當 加入減縮劑可有效減小水玻璃激發(fā)礦渣砂漿干縮 但相對濕度較低時 干縮仍遠高于硅酸鹽水泥砂漿 3 彈性模量與Poisson比堿激發(fā)粉煤灰材料配制成混凝土后 其彈性模量大大提高 但是與硅酸鹽水泥混凝土相比 堿激發(fā)