MPCM对地聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土凝结时间的影响

时晓东

(新疆梨城新创检测服务有限公司 巴州 841000)

1 研究背景

将废弃材料回收成新的建筑材料有助于保护环境和自然资源。地聚合物将是普通硅酸盐水泥的替代品，与硅酸盐水泥相比，它显著减少温室气体排放，降低高能耗[1]。地聚合物可以由富含铝硅酸盐或高岭石的工业废料与碱性溶液结合制备[2,3]。此外，与胶凝材料相比，地聚合物组分具有优异的机械性能和更短的凝结时间[4,5]。

在高寒地区，建筑物在冬季暴露在冰冻天气中，更容易造成砂浆和混凝土的劣化。相变材料(PCM)可以使混凝土结构较少的暴露在冻融循环中，并有助于保持舒适的室内温度[6]。当温度高于相变材料的熔点时，相变材料熔化吸收多余的热量，相变材料具有很高的潜热。当温度降低时，相变材料通过凝固释放多余的热量。将PCM封装到微胶囊中可防止PCM与周围材料之间的相互作用[7]。此外，微胶囊提供较大的传热表面积，提高结构稳定性，使用含有微胶囊相变材料的砂浆和混凝土可以获得更好的热舒适性[8-9]。

2 材料和方法

2.1 材料

使用两种不同的带有疏水壳的MPCM(以尽量减少吸附在微胶囊壳上的水量)：PE-EVA-PCM，具有50 %低密度聚乙烯(LDPE)和50 %乙烯基乙酸乙酯(EVA)共聚物的壳；St-DVB-PCM，是由50%苯乙烯(St)和50%二乙烯基苯(DVB)共聚物组成的壳。使用石蜡作为两种微胶囊的核心。

采用F级粉煤灰(FA)、磨细高炉矿渣(GGBFS)、砂、碎石等碱性激发剂配制地聚合物混凝土。用于制备碱性溶液的氢氧化钠和硅酸钠溶液(按重量计，35 %固体)。表1显示了由GGBFS和F级粉煤灰的X射线荧光(XRF)测定的化学成分。硅酸盐水泥与FA混合，为了在不添加大量水的情况下获得更好的工作性，使用高效减水剂。

表1 X射线荧光法分析FA和GGBFS

用于地聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土的碎石和砂筛分情况和FA的低角激光散射见图1所示。

图1 (a)矿渣、粉煤灰、微胶囊和(b)砂和碎石粒度分布

2.2 混合浇筑

对于所有的地聚合物，选择具有硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液(14 M)的1.5和总SiO2至Na2O比为0.7的碱性溶液。由于糊状物不含砂，微胶囊作为额外添加剂添加。对于混凝土，微胶囊取代了相应体积的砂。

对于地聚合物膏体，选择碱性溶液与地聚合物粘合剂(FA +GGBFS)之比为0.4。将地聚合物粘合剂和碱性溶液混合90s，然后加入微胶囊并混合90s，以获得均匀的糊状物。对于硅酸盐水泥浆体，将水灰比为0.35的水泥混合90s，获得与地聚合物浆体相同的稠度。加入MPCM后，混合继续进行90s。对于地聚合物和硅酸盐水泥浆体，MPCM作为另外20%体积的粉末材料加入。

为了获得GPC和PCC的可靠数据，地聚合物粘合剂的液体总量(碱性溶液+水)和硅酸盐水泥的水灰比保持在0.5不变。此外，对于不含微胶囊的混凝土，碎石和砂的总量与地聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土几乎相同。

为了减少由于混合过程对微胶囊的潜在损害，最后添加MPCM。表2和表3分别给出了地聚合物和硅酸盐水泥浆体以及混凝土的组成。对于混凝土，微胶囊的百分比对应于用MPCM代替的砂的体积。

表2 地聚合物膏体与混凝土配合比设计

表3 硅酸盐膏体与混凝土的配合比设计

GPC和PCC样品中，0%和20%的砂被St-DVB-PCM或PE-EVA-PCM代替，在20℃时，由于GPC的凝固时间较短，使用振动机去除试样内的空气，而对于PCC试样，则使用钢杵压实模具。将GPC和PCC浇铸到10cm×10cm×10cm的模具中，预固化24h(环境温度；相对湿度90%)，然后对样品进行脱模。脱模后的试样在自来水中固化28天(20℃下)。在开始冻融循环之前，将固化后的样品置于露天1h并称重。在每个冻融循环中，首先将样品浸泡在温度为(3±1)℃的冷却室中的自来水中6 h。然后，将样品放置在温度为(-20±1)℃的冰箱中18h。对样品进行0、7、14和28次冻融循环。冻融循环结束后，样品在室温下干燥，然后进行进一步测试。

2.3 试验方法

用计算机控制的维卡针仪(ToniSET One，7301型)测定无微胶囊和含20%微胶囊的硅酸盐水泥和地聚合物浆体在0℃和20℃下的凝结时间。在仪器盆中装满了冰水混合物确保测量在0℃下进行。从原材料的初始混合计算凝结时间，并用硅酸盐水泥浆的10分钟和地聚合物糊的2分钟进行测定。初始凝固时间为针入度小于39.5mm的时间，而最终凝固时间为针入度样品至0.5mm深度的时间。

3 试验结果分析

图2显示了温度和微胶囊对硅酸盐水泥和地质聚合物糊凝结时间的影响。从图2可以清楚地看出，地质聚合物反应比硅酸盐水泥的水合反应快得多。正如预期的那样，降低温度会减缓硅酸盐水泥浆体的水化速度，从而延长凝结时间，而地质聚合物糊在低温下的凝结时间要快得多。

图2 (a)硅酸盐水泥浆和(b)含有0和20 %微胶囊的地聚合物浆在0℃和20℃下的初凝和终凝时间

当向水泥浆中添加MPCM时，水被吸附在微胶囊的表面上，从而减少了浆中的可用水量。尽管有效水的减少将加速水化过程初始阶段的水泥水化，但当向样品中添加微胶囊时，初始凝结时间变长。这可能是由于较高的粘度引起的，这会减慢水泥反应的初始阶段。PE-EVAPCM比St-DVB-PCM具有更高的吸水率和更低的坍落度，对初凝时间的影响也更为显著。在初始凝固时间之后，所有样品的粘度都很高。在这一阶段，由于可用水量减少，水泥水化速度加快成为主导过程。因此，对于含有微胶囊的样品，样品的凝固速度更快，最终凝固时间更短。

对于室温下的地质聚合物膏体，在0℃时，凝固时间非常快，而微胶囊的添加没有显著影响。NaOH在水中的溶解度从20℃时的1110g/L(27.8m)下降到0℃时的418g/L(10.5m)，此外，水玻璃的溶解度也随着温度的降低而降低。准确的数值取决于水玻璃的组成，溶解度也可能会受到其他化合物的影响。将14M NaOH溶液与固体含量为35%的硅酸钠溶液混合，然后与干粉(将水吸附在颗粒表面)混合。当所得到的混合物(地聚合物糊)在凝固时间测量开始时冷却至0℃时，可以合理地假设NaOH和硅酸钠浓度均高于这些组分在0℃时的溶解度。因此，碱性溶液开始沉淀。碱溶液沉淀形成的固体颗粒可以作为地聚合物反应的核心，从而加快反应速率。此外，沉淀增加了样品的固体含量，这可能有助于缩短凝固时间。

4 结论

微胶囊的加入使初凝时间延长，终凝时间缩短。吸附在微胶囊上的水可能是造成这种效果的原因。与预期的一样，降低温度会减缓波特兰水泥的反应速度，导致更长的凝结时间。有趣的是，地质聚合物浆体的凝结时间在低温下要快得多。这可能是碱性溶液在低温下沉淀造成的。