CN113773002B - 一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，公开了一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土及其制备方法。所公开的地聚物混凝土由地聚物胶凝材料、粗骨料、细骨料、氢氧化钠、硅酸钠和蒸馏水制备而成。所公开的制备方法是将配方量的各组分按照合理的顺序混合搅拌，装模时分层捣实。本发明按配比制备的地聚物混凝土具有良好的力学性能，同时具备优异的抗硫酸侵蚀性能，将其应用于城市污水管道等基础设施中，可大大提高基础设施的服役寿命。

Description

一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及到一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土及其制备方法。
背景技术
城市污水基础设施中的混凝土构筑物常年受到不同介质侵蚀，导致其强度下降，耐久性降低，引发结构失效，服役寿命缩短，修缮成本增加。而微生物诱导混凝土腐蚀被认为是污水基础设施中混凝土结构劣化的主要原因之一。附着在混凝土孔隙中的微生物在潮湿环境下氧化还原硫物质生成硫酸，溶解水泥水化产物及碳酸盐生成CaSO4等产物，致使混凝土内部pH值降低，体积膨胀，引起拉应力，导致混凝土开裂剥落，发生溶蚀现象。
地聚物，是一类具有优异工程性质(高强度、耐高温、低渗透性、耐酸腐蚀性等)，经强碱激发剂与硅铝原材料发生地质聚合反应生成的无机聚合物胶凝材料。地聚物混凝土发生地质聚合反应生成的Si-O和Al-O网络结构在室温下较难与酸发生反应，而且地质聚合反应后残留的高碱含量可以作为硫酸牺牲介质，缓解混凝土的溶蚀。因此，利用地质聚合反应替代水泥水化反应可以有效改善混凝土的抗酸性能，缓解污水基础设施中混凝土构筑物的溶蚀现象，提升其服役寿命。
但是目前的地聚物混凝土材料，经受酸侵蚀后，试件损伤较大，抗硫酸溶蚀效果一般，难以将其应用到实际工程中。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，该地聚物混凝土经受硫酸侵蚀后，受损伤程度最低。
本发明提供的地聚物混凝土由以下质量分数的原料制备而成：
Figure BDA0003231021060000011
Figure BDA0003231021060000021
优选的，本发明的地聚物混凝土由以下质量分数的原料制备而成：
Figure BDA0003231021060000022
优选的，所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，其地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰，且粉煤灰中的钙含量为11.02％；
优选的，所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，其粗骨料为天然石灰石骨料，粒径为4.75mm～9.5mm；
优选的，所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，其细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；
优选的，所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，其氢氧化钠溶液的浓度为12mol/L，所述硅酸钠为液体硅酸钠，波美度为50；
优选的，所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土，其硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5；
同时本发明提供了上述地聚物混凝土的制备方法。本发明所提供的制备方法包括：
步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌，使地聚物原材料发生地质聚合反应；之后加入配方量的细骨料混合搅拌；然后再加入配方量的粗骨料混合搅拌，使浆、骨料充分混合；最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌，使地聚物浆体充分包裹骨料；
步骤二，浇筑混凝土：在模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
可选的，步骤一中制备拌合料的过程中，每种材料的搅拌时间为90秒，且若搅拌时间过长，混凝土拌合料的流动性较差，若搅拌时间过短，混凝土拌合料中的浆体无法充分包裹骨料。
可选的，步骤二中的模具为Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具，分层捣实为分三层捣实。
有益效果
本申请提供了一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土及其制备方法。本申请的地聚物混凝土包括粉煤灰、粗骨料、细骨料、氢氧化钠和硅酸钠。其中粉煤灰为高钙粉煤灰，与硫酸反应生成石膏，可以有效填充地聚物混凝土试件孔隙，增强地聚物混凝土的抗硫酸溶蚀性，同时也有效改善了地聚物混凝土的抗压强度。本申请的地聚物混凝土具有良好的抗硫酸溶蚀性，同时也具有良好的力学性能，可广泛应用于城市基础设施领域。
附图说明
图1为本发明的一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备过程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明。但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
本发明使用的粉煤灰为某热电厂工业级C级(高钙)粉煤灰，所述粉煤灰的化学成分如下表所示：
表1高钙粉煤灰化学成分
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> CaO K<sub>2</sub>O MgO Na<sub>2</sub>O LOI<sup>a</sup>
含量％ 44.18 26.92 9.34 1.53 1.34 11.02 1.39 1.88 1.29 1.11
本发明使用的粉煤灰为某热电厂工业级F级(低钙)粉煤灰，所述粉煤灰的化学成分如下表所示：
表2低钙粉煤灰化学成分
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> CaO K<sub>2</sub>O MgO Na<sub>2</sub>O LOI<sup>a</sup>
含量％ 44.94 32.15 5.14 2.07 1.49 9.90 1.13 1.04 0.81 1.33
本发明使用的偏高岭土为将高岭土在800摄氏度下煅烧5小时制得，所述偏高岭土的化学成分如下表所示：
表3偏高岭土化学成分
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> CaO K<sub>2</sub>O MgO Na<sub>2</sub>O LOI<sup>a</sup>
含量％ 48.88 43.39 3.77 0.04 2.45 0.98 0.14 - - 0.35
实施例1
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
粉煤灰450份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰，其化学成分如表1所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为8mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
实施例2
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
粉煤灰450份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰，其化学成分如表1所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为12mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
实施例3
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
粉煤灰377份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份。其中，粉煤灰为低钙粉煤灰，其化学成分如表2所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为8mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
实施例4
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
粉煤灰377份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份。其中，粉煤灰为低钙粉煤灰，其化学成分如表2所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为12mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
实施例5
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
偏高岭土399份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份；蒸馏水60份。其中，偏高岭土的化学成分如表3所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为8mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的偏高岭土与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠和蒸馏水混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
实施例6
本申请实例中地聚物混凝土的配方如下：
偏高岭土399份；粗骨料1150份；细骨料500份；氢氧化钠溶液108份；硅酸钠162份；蒸馏水60份。其中，偏高岭土的化学成分如表3所示；粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；细骨料为中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5mm～0.35mm；氢氧化钠溶液的浓度为12mol/L；硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5。
地聚物混凝土的制备方法如下：
步骤一，制备拌合料：将配方量的偏高岭土与氢氧化钠溶液先混合搅拌90秒，之后加入配方量的细骨料混合搅拌90秒，然后加入配方量的粗骨料再混合搅拌90秒，最后加入配方量的硅酸钠和蒸馏水混合搅拌90秒；
步骤二，浇筑混凝土：在Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
步骤三，养护混凝土：将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95％，养护至7天。
将实施例1-6制备的混凝土试件，浸泡于pH＝1的硫酸溶液中，实验采用干湿循环，硫酸浸泡6d，室温干燥24h，共循环98d。依据规范GB/T 50081-2019测试混凝土试件浸泡前后的抗压强度；通过测量试件浸泡前后的质量，并根据质量损失率公式：
Figure BDA0003231021060000071
(m1为周期浸泡后的质量，m0为浸泡前的质量)计算试件的质量损失率；将硫酸侵蚀后的试块从中间劈开并喷涂1％的酚酞酒精溶液，用游标卡尺测量地聚物混凝土断面未显色深度即为中和深度。根据抗压强度、质量损失率、中和深度对本发明制备的地聚物混凝土抗硫酸溶蚀性能进行综合评价。
表4为实施例1-6地聚物混凝土的抗压强度测试结果：
原始抗压强度(MPa) 溶蚀98天后抗压强度(MPa)
实施例1 25.6 29.1
实施例2 27.2 25.1
实施例3 20.3 18.2
实施例4 32.4 20.7
实施例5 8.1 0
实施例6 16.1 0
表5为实施例1-6地聚物混凝土的质量损失率测试结果：
溶蚀7天 溶蚀14天 溶蚀28天 溶蚀63天 溶蚀98天
实施例1 0.66％ 1.48％ 1.30％ 1.25％ 6.49％
实施例2 0.55％ 1.26％ 1.39％ 1.61％ 4.44％
实施例3 0.85％ 1.66％ 1.43％ 1.16％ 7.16％
实施例4 1.30％ 2.03％ 1.93％ 1.93％ 7.53％
实施例5 3.60％ 5.84％ 6.37％ 5.34％ 17.80％
实施例6 2.60％ 5.14％ 4.69％ 6.59％ 15.80％
表6为实施例1-6地聚物混凝土的中和深度测试结果：
Figure BDA0003231021060000081
Figure BDA0003231021060000091
从表4可以看出，地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰的地聚物混凝土经受硫酸溶蚀98天后，抗压强度变化较小，且试件仍能满足实际工程中对混凝土构筑物的强度要求。从表5可以看出，随着溶蚀时间的增加，地聚物混凝土的质量损失也逐渐增加；通过对比发现，地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰在氢氧化钠浓度为12mol/L的碱激发作用下制备的地聚物混凝土，质量损失率最小。从表6可以看出地聚物胶凝材料为偏高岭土的地聚物混凝土，不与酚酞发生显色反应；在硫酸溶蚀98天后，地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰在氢氧化钠浓度为12mol/L的碱激发作用下制备的地聚物混凝土中和深度最小，仅6.9mm。因此，地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰，氢氧化钠浓度为12mol/L的地聚物混凝土抗硫酸溶蚀性最佳。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，所述地聚物混凝土由以下质量份数的原料制备而成：地聚物胶凝材料450份、粗骨料1150份、细骨料500份、氢氧化钠溶液108份、硅酸钠162份；所述粗骨料为天然石灰石骨料；所述细骨料为中砂；所述地聚物胶凝材料为高钙粉煤灰，粉煤灰中的钙含量为11.02%；所述氢氧化钠溶液的浓度为12mol/L，所述硅酸钠与氢氧化钠溶液的质量比为1.5；
所述方法包括以下步骤：
将配方量的粉煤灰与氢氧化钠溶液先混合搅拌，之后加入配方量的细骨料混合搅拌，然后再加入配方量的粗骨料混合搅拌，最后加入配方量的硅酸钠混合搅拌；
在模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分层捣实，装模后即时收浆，然后装入塑料密封袋中，静置1小时；
将装有混凝土的密封袋放入60摄氏度的烘箱中高温养护48小时，之后取出混凝土，冷却1小时后脱模，然后将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在标准养护条件20±2摄氏度，RH≥95%，养护至7天。
2.如权利要求1所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，所述天然石灰石骨料粒径为4.75mm~9.5mm。
3.如权利要求1所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，所述中砂细度模数为3.0~2.3，粒径为0.5mm~0.35mm。
4.如权利要求1所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，所述硅酸钠为液体硅酸钠，波美度为50。
5.如权利要求1所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，每种原料的混合搅拌时间为90秒。
6.如权利要求1所述的抗硫酸溶蚀的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，所述模具为Ф50ⅹ100毫米的圆柱形模具，分层捣实为分三层捣实。
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Application publication date: 20211210

Assignee: Shandong Hongke Construction Project Management Co.,Ltd.

Assignor: CHANGZHOU University

Contract record no.: X2023980050999

Denomination of invention: A geopolymer concrete resistant to sulfuric acid dissolution and its preparation method

Granted publication date: 20230131

License type: Common License

Record date: 20231209