混凝土减水剂最佳配方

前言

水泥基混凝土是民用基础设施建设中广泛使用的一种基础材料，不过，人们对其潜在问题表示担忧，因此建筑业和学术界开始寻找替代方案。

水泥的生产过程已成为导致全球变暖的重要因素之一，水泥生产对环境产生负面影响，并导致材料价值下降。

许多研究显示，制造一吨水泥需要大约2.8吨原材料，并排放约一吨二氧化碳（CO2），这些发现凸显了与水泥制造过程相关的资源利用和环境影响的严重性。

这些问题促使工程师和科学家探索比水泥基混凝土更环保的替代建筑材料，地质聚合物混凝土作为水泥基混凝土的替代品在实践中得到越来越广泛的应用。

地质聚合物

近年来，地质聚合物作为胶结材料展示出巨大的潜力，它具有减少环境碳足迹的能力，因为它可以替代水泥并减少其使用量，这使得它非常具有吸引力和影响力。

地质聚合物混凝土具有渗透性和耐腐蚀性等关键特性，有助于其可持续性，与传统混凝土相比，地质聚合物混凝土具有较低的渗透性和较高的抗氯离子渗透性，减轻了钢筋的腐蚀和损害。

地质聚合物混凝土的生产需要碱性溶液和源材料，如含有铝和硅的物质，这些源材料可以是废弃物，如粉煤灰和高炉炉渣，也可以是天然或合成的材料，如沸石和偏高岭土。

材料的选择取决于其可获得性、价格和所需特性，与传统混凝土相比，地质聚合物混凝土在固化过程中通过碱活化产生硬化，具有出色的物理化学性质，如热稳定性、耐火性、机械性能和耐化学降解性。

在过去几十年中，纳米技术已成为提高建筑材料强度和耐久性的有效方法，纳米材料如纳米二氧化硅具有改善材料特性的能力。

添加纳米颗粒到地质聚合物混合物中已被证明能够增强其微观结构和机械特性，添加纳米二氧化硅可以显著提高地质聚合物的抗压和弯曲强度。

最佳的纳米二氧化硅含量取决于实验条件，如粘合剂来源、液固比、纳米颗粒分布技术、固化温度和碱性溶液浓度。

地质聚合物混凝土性能

通过碱性活化溶液化学活化的偏高岭土（MK）来制备地质聚合物混凝土（GC），制备过程中使用了高效减水剂、水和粗细骨料与MK混合而成。

活化液是由硅酸钠（Na2SiO3）和氢氧化钠溶液（NaOH）混合生成的，NaOH溶液呈片状形式，纯度约为98%，而Na2SiO3的配方为55.5%水，29.42% SiO2，13.7%氧化钠，其模量约为2.14（其中Ms = Si2O/Na2O）。

粗骨料和细骨料是碎石灰石制成的，其最大颗粒分别为12毫米和4毫米，下表1给出了这些骨料的筛分分析结果和其他物理特性。

采用不同百分比的纳米二氧化硅（NS）（MK含量为1.5%，3.0%，4.5%，6.0%和7.5%）制备了地质聚合物混合物。

表1

碱性活化剂使用氢氧化钠溶液和二氧化钠用于GC的合成，在铸造前的24小时内，将12M的氢氧化钠溶液加入二氧化硅中，将常用的28%纯度氢氧化钠颗粒溶解在水中，制成98M的氢氧化钠溶液。

根据实际需要和经济考虑，二氧化硅与氢氧化钠的比例约为1.5-2.5，在第一阶段将粗骨料和细骨料混合2分钟，然后将原料放入2升容量的锅式搅拌器中再次混合80分钟。

慢慢加入高效减水剂、碱性活化剂和适量的水，并继续混合3分钟，为了确保均匀性，最后再次将新形成的混凝土混合2分钟，下图1展示了GC的生产流程。

图1

地质聚合物混凝土的浇筑和养护

每种混合物制备了六个圆柱形试样（尺寸为100×200毫米）和三个棱镜试样（尺寸为100×100×500毫米），试样在机械振动机上压实，以减少内部空隙的产生（见下图2）。

在铸造完毕后，用尼龙板覆盖试样以防止碱性溶液蒸发，并在实验室条件下存放约24小时，从铸造模具中取出试样，在室温（27°C）下固化至测试日期。

图2

需要注意的是，未添加纳米二氧化硅（NS）的试样（MK-NS-0）在48°C的热风炉中固化60小时后，在室温下存放28天。

可加工性是新拌混凝土的一个重要特性，用于评估其易于处理、排放、压实和精加工的能力，根据ASTM C143标准，进行混合后立即进行坍落度测试来评估地质聚合物混凝土的可加工性。

下图3显示了根据ASTM C39和ASTM C09的要求，分别对100×200毫米的圆柱试样进行的压缩强度和分裂拉伸强度测试。

此外，还根据RILEM 50-FMC/198标准，在尺寸为100×100×500毫米的缺口棱柱试样上进行了三点弯曲测试。

图3

垂直位移传感器（LVDT）被用于测量缺口棱柱试样中心的垂直偏转，凹槽切割在试样底部中央，高度为40毫米，宽度为3毫米。

通过这些测试，可以评估地质聚合物混凝土的可加工性和力学性能，以了解其在实际应用中的性能表现。

坍落度测试

下图4展示了对掺入不同NS含量的基于MK的GC混合物进行坍落度测试的结果，坍落度测试根据ASTM C143标准进行。

通添加NS可能会降低GC的坍落度，由于NS颗粒较小且长径比较大，其吸水性更强，从而导致混凝土的坍落度减少，随着NS含量的增加，坍落度进一步降低。

图4

对基于MK的GC的抗压强度，下图5显示了添加不同NS含量（0%至7.5%）的GC的抗压强度。

对照混合物在添加NS后该强度提高到52.5 MPa，NS含量在1.5%至7.5%范围内的混合物的抗压强度明显高于对照混合物。

这表明NS含量的增加与抗压强度的增加呈正相关，当NS含量超过4.5%时，对材料抗压强度的提高效果较小。

图5

NS纳米颗粒的微观扩散能力可能是导致GC抗压强度增加的原因，高达99%的二氧化硅（SiO2）含量使添加到混凝土中的NS产生更多的硅酸盐链，从而使凝胶更致密、更强，具备更好的机械特性。

当NS含量超过6.0%时，强度改善效果下降，这主要是由于6.0%的NS含量已足够使其完全反应。

尽管在NS含量为7.5%时电阻降低，而在最佳值6.0%时强度下降到52.5 MPa，但仍然高于对照地质聚合物。

NS的最佳百分比在2%至4%之间，但需要认识到NS增强抗压强度的有效性可能取决于多种因素，例如混凝土混合物质量、添加材料数量以及纳米颗粒的类型和性质。

抗拉强度

随着NS比例的增加，拉伸强度提高，直到达到6.0%的添加比例，当NS含量为6.0%时，MK基GC的拉伸强度提高了37.6%。这可能与地质聚合物改善的微观结构有关（见下图6）。

当观察到NS比例进一步增加时，拉伸强度的值会下降，尽管与最佳值7.5%相比，强度下降了6.0%，但仍然比对照地质聚合物的强度高。

图6

当纳米颗粒在地质聚合物混合物中的比例增加时，会加速地质聚合过程，纳米颗粒的增加也会促使它们聚集在一起。

这种聚集现象会破坏地质聚合物的有序结构，可能影响其力学性能，包括拉伸强度，增加纳米颗粒的含量可以加速地聚合过程，但超过一定阈值时，可能对地质聚合物整体强度产生不利影响。

下图7显示了不含和含有不同NS含量的MK基GC的7天时间和28天时间的弯曲强度，NS对7天龄和28天龄弯曲强度的影响遵循相似的趋势。

由于持续的地聚合过程，28天龄的弯曲强度高于7天龄的弯曲强度，添加1.5%、3.0%、4.5%、6.0%和7.5%的NS使制备的地质聚合物的弯曲强度分别提高了23%、30%、36.8%、39.4%和32%。

图7

这种增加可能是由于NS颗粒尺寸小，具有更大的表面积和更好的分布性，从而增强了化学键和颗粒之间的相互作用，减小了颗粒之间的间距，这导致整体结构更加坚固，提高了抗弯强度。

此外，结果表明，添加6.0%的NS产生了最大的弯曲强度，发现添加4.5%和6.0%的NS对于增强GC的弯曲强度没有显著差异，这些改善分别为36.8%和39.4%。

需要注意的是，当NS含量超过6.0%时，强度提高的效果开始减弱，这主要是因为NS层的形成，大大降低了纳米颗粒在聚合物基质中的分散性。

这种强度下降可以归因于多种因素，当NS含量超过一定阈值时，纳米颗粒的浓度增加，导致颗粒聚集并形成层状结构。

纳米颗粒无法均匀分散在整个聚合物基质中，导致分布不均匀和降低的分散性，NS层的形成在基质内形成物理屏障，阻碍纳米颗粒的迁移和运动，这导致了其在特定区域的团聚而不是均匀分布。

聚集和固定不动都对纳米颗粒的分散性产生负面影响，这可能会对纳米复合材料的机械性能和性能产生不利影响，因为有效的分散对于实现纳米颗粒与基质之间所需的增强和相互作用至关重要。

结论

本文研究不同NS百分比对基于MK的GC的坍落度、抗压强度、抗拉强度和抗弯强度的影响。

添加NS可以降低基于MK的GC的坍落度，这是因为NS颗粒尺寸小且比表面积高，导致混凝土中的纵横比增加。

在MK基GC中加入NS可提高其机械性能，最佳百分比为6.0%，超过6.0%的NS添加量降低了地质聚合物的机械强度。

添加6%的NS使MK基GC在室温下固化后的抗压强度提高34.4%，分裂拉伸强度和弯曲强度分别提高了37%和39.4%，与对照地质聚合物相比。

NS的百分比与抗压、抗拉和抗弯强度之间存在很强的正相关性（相关系数分别为0.82、0.84和0.81），表明存在稳健的关系。

由MK和NS合成的GC在力学特性方面的潜力，使其成为混凝土建筑应用的可行选择，GC的多功能性使其适用于不同行业。

基于未来的研究机会，强烈建议建立MK基GC及其对抗压强度、抗拉强度和抗弯强度等关键性能的影响之间的综合关系。

此外，建立混凝土的拉伸和弯曲强度与抗压强度之间的联系对于工程界具有重要意义，为了实现这一目标，进一步的调查和实验研究对于建立可靠和实际的关系至关重要。

这一进展将有助于在各种建筑项目中更广泛地采用和实施MK基地质聚合物混凝土，提升混凝土结构的整体可持续性和性能。

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