粉煤灰土聚合物混凝土可抵抗极端碱侵蚀

燃煤发电站产生的粉煤灰是环境问题,它造成了巨大的垃圾填埋场和烟灰坝对地下水、空气污染。其中的一些废品可以重新用于地质聚合物混凝土中,例如用于结构的预制热固化元件。

然而,关键问题是它们对极端碱侵蚀的抵抗力低。不过,最近约翰内斯堡大学的研究人员发现,高温热处理(HTHT)可以将粉煤灰地质聚合物混凝土中的有害机理减少一半。

聚合物混凝土砌块在200摄氏度下进行热固化,然后在80摄氏度(a和b)下在极端碱性介质中浸泡14天(与在600摄氏度下热固化并经受同样的处理)相比,其抗侵蚀性要好得多这一系列扫描电子显微镜图像中的处理(c和d)。方块显示存在凝胶状物质,具有3M NaOH溶液对碱的侵蚀特性。热固化可显着降低侵蚀强度,但不能阻止侵蚀。燃煤发电产生的粉煤灰可重新用于高级土工聚合物混凝土中。然而,关键的耐久性问题是耐碱侵蚀性低。UJ研究人员发现,在200摄氏度下进行高温热处理可以使粉煤灰地质聚合物混凝土中的有害机理减半。图片来源:约翰内斯堡大学Abdolhossein Naghizadeh博士。

在先前的研究中,研究人员发现粉煤灰地质聚合物混凝土可能在极端碱性条件下易受伤害。因此,他们建议这种材料不应用于暴露于高碱性介质的结构中。然而新研究的结果表明,将地质聚合物混凝土暴露在评估温度下,可以显着提高其耐碱性。

该研究是约翰内斯堡大学土木工程系Naghizadeh博士研究的一部分。

极端碱性介质

在发表于《建筑材料案例研究》中的研究中,粉煤灰土聚合物砂浆块分别在100、200、400或600摄氏度下热固化了六个小时。将它们浸入水,中等碱性介质或极端碱性介质中在80摄氏度下保存14天或28天,具体取决于性能指标。

进行了长达28天的长时间热固化,将结果与其他采用相同固化方案的研究结果进行比较。这种长期固化适合用于研究目的,但不建议用于实际施工。碱性介质为1M NaOH溶液。极端碱性介质是3M NaOH溶液。)

“硬化的砖块在200度下加热固化,然后浸入极端碱性介质(“ 200 / 3M”砖块)中,在碱侵蚀时在22.6 MPa时保持约50%的残余强度。在其他温度下加热固化的砖块保持在10.3至14.6 MPa时的残余强度要低得多。” Naghizadeh说。

“浸入极端碱性介质中的200 / 3M块仅显示出有限的细裂纹,表明与其他相比,膨胀率低,显示出严重的裂纹。对于200 / 3M块,硅和铝的浸出最少。

“ X射线衍射表明在200 / 3M块的粘合剂相中形成了结晶矿物,钠长石和硅线石。200/ 3M粘合剂的扫描电子显微镜图像显示存在类似凝胶的物质,具有碱侵蚀的特征。热固化大大降低了攻击的强度,但不能阻止它。”

“ 200度的高温热处理(HTHT)通过抑制未反应的粉煤灰颗粒在硬化的地质聚合物混凝土基质中的溶解而产生了这种效果。但是,HTHT还将这些砌块的抗压强度降低了26.7%。”

最好用作预制

粉煤灰地质聚合物粘合剂具有出色的耐久性能。Naghizadeh说,其中包括对碱-二氧化硅反应的高抗性,优异的耐酸性和对火的抗性,低碳化和有限的硫酸盐侵蚀。粉煤灰地质聚合物水泥主要适用于工厂或车间生产的预制混凝土。

原因是在环境温度下,地质聚合物水泥混合物的强度发展通常缓慢。这使得热固化对于早期强度增加是必需的或必不可少的。为此,可以建立用于热固化预制普通波特兰水泥(OPC)的实用方法。

这使粉煤灰地质聚合物适用于预制混凝土构件,例如建筑物和桥梁的梁或大梁,铁路枕木,墙板,空心板和混凝土管。对于常规粉煤灰地质聚合物混凝土,在60到80摄氏度下加热24小时就足以获得足够的强度。

这种固化方式(温度和持续时间)在水泥工业中很常见,也用于某些波特兰水泥混凝土。尽管地质聚合物水泥的使用量每年都在增长,但与OPC相比,它并未得到广泛使用。

地质聚合物在大多数欧洲国家、中国、澳大利亚和美国已被用作住宅结构、桥梁和跑道的粘合剂。

下一代水泥

自18世纪中叶以来,OPC已广泛用于生产混凝土。它的耐久性能是众所周知的,并且可以预测其长期性能。然而,在某些应用中,新一代水泥正在作为OPC的合适替代品。这些地质聚合物水泥(或地质聚合物粘合剂)的性质和微观结构与OPC完全不同。

用于地质聚合物粘合剂的起始材料必须富含氧化铝和硅酸盐含量。根据此标准,多种工业废物或副产品符合条件,包括稻壳灰,棕榈油燃料灰和燃煤电厂粉煤灰。但是,Naghizadeh说,粉煤灰用作地质聚合物水泥有两个优点。

系列照片显示了热固化的粉煤灰土聚合物混凝土砌块的膨胀,然后将其浸入80摄氏度的极端碱性介质中14天。与其他砖块相比,在200摄氏度下热固化的砖块仅显示出有限的细裂纹,表明膨胀率低。燃煤发电产生的粉煤灰可重新用于地质聚合物混凝土中。然而,关键的耐久性问题是耐碱侵蚀性低。约翰内斯堡大学的研究人员发现,在200摄氏度下进行高温热处理可以使粉煤灰地质聚合物混凝土中的这种有害机理减半。图片来源:约翰内斯堡大学Abdolhossein Naghizadeh博士。

首先,包括发展中国家在内,全球有数百万吨的粉煤灰。将粉煤灰重新用作建筑材料可以潜在地减少其对环境的某些影响。目前,它被处置在靠近燃煤发电厂的巨大灰烬坝和垃圾填埋场,这些发电厂会产生空气和地下水污染。

粉煤灰作为地质聚合物水泥原料的第二个优点是其化学成分。通常,粉煤灰中的反应性硅和氧化铝含量足够高,这会导致更好的地聚。

与使用含有铝硅酸盐的其他废品制得的地聚合物混凝土相比,这又产生了具有优异机械,物理和耐久性能的粘合剂。

“绿色”混凝土

地质聚合物水泥在不同环境条件下的长期耐久性需要进一步研究。此外,全球建筑行业缺乏生产地质聚合物的技术知识。要雇用地质聚合物粘合剂,工程师,技术人员和建筑工人需要接受培训以设计和生产地质聚合物具有所需性能的混凝土配合料设计。

毫无疑问,由于其对环境的巨大影响,未来波特兰水泥的生产将受到限制。这包括全球人为排放到大气中的二氧化碳中约有5至8%,这是导致气候变化的原因。

包括约翰内斯堡大学在内的几项研究表明,粉煤灰地质聚合物的性能优于波特兰水泥。这使其成为在某些应用中替代波特兰水泥的合适替代品。

而且,从潜在重新利用有问题的废品角度来看,全世界特别是在发展中国家中,粉煤灰的可获得性提供了生产比普通波特兰水泥 “更绿色”的经济混凝土的机会。

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