碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明涉及混凝土配合比设计领域。更具体地说，本发明涉及一种碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法。
背景技术
由于地聚合物特殊的原材料和反应机理，目前已有的关于地聚合物混凝土的配合比设计研究很少，一般就是研究原材料所含元素的比值对强度等力学性能的影响，还有是需要大量的试验或利用统计试验的方法建立混凝土性能与组分的关系，进行地聚合物混凝土设计。然而，地聚合物材料来源广泛，主要是利用固废材料，由于固废材料的品种多样，每种材料的由于排放时的条件不同，可能影响到固废材料的化学成分，因此，即便是采用相同的激发剂，相同的养护方式，地聚合物混凝土的最终的性能也会差别较大。地聚合物特殊的原材料和反应机理，导致以上的配合比设计方法没有普遍性。到目前为止，地聚合物混凝土的配合比设计仍缺乏统一的设计方法及标准。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，其设计方法简单可行，普适性强，可应用于不同固废材料的地聚合物混凝土配合比设计，能够作为地聚合物混凝土的配合比设计的标准设计方法推广使用。
为了实现根据本发明的目的和其它优点，提供了一种碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，包括：
步骤一、确定地聚合物混凝土的配制强度和初始水胶比；
步骤二、参照《水泥胶砂强度检验方法》，用固废作为胶凝材料替代水泥制备胶砂试件，通过确定最佳激发剂模数和掺量下的胶砂强度，确定胶凝材料的强度等级；
步骤三、根据地聚合物混凝土的配制强度等级和胶凝材料的强度等级确定胶凝材料用量；
步骤四、根据胶凝材料用量、初始水胶比、激发剂模数和激发剂掺量，确定总用水量和外加用水量，外加用水量＝总用水量-激发剂中的用水量；
步骤五、根据骨料类型、骨料最大公称粒径和水胶比确定砂率；
步骤六、参照《普通混凝土配合设计规程》中的重量法或体积法，计算地聚合物混凝土中各组分用量，确定地聚合物混凝土的初始配合比；
步骤七、进行地聚合物混凝土试拌，根据拌合物的工作性能，在激发剂模数和激发剂掺量不变的情况下，调整外加用水量、胶凝材料用量和/或砂率；
步骤八、将满足工作性能的拌合物立刻浇筑试件，养护，检测定龄期的试件强度；
步骤九、根据试件强度检测结果，确定地聚合物混凝土的最终配合比。
优选的是，所述的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，步骤一中，地聚合物混凝土的配制强度，fpc＝kfpc′，式中，fpc′为设计强度，k为常数，当设计强度大于等于60MPa时，k为1.15，当设计强度小于60MPa时，k为1.10-1.15。
优选的是，所述的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，步骤一中，初始水胶比的预设取值范围为0.25-0.55，其中，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，水胶比的预设取值范围为0.45-0.55，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，水胶比的预设取值范围为0.35-0.45，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，水胶比的预设取值范围为0.30-0.35，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，水胶比的预设取值范围为0.25-0.35。
优选的是，所述的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，步骤二中，所述激发剂为水玻璃和氢氧化钠混合溶液。
优选的是，所述的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，步骤三中，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，胶凝材料强度等级为42.5时，胶凝材料的用量为350-400kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，胶凝材料强度等级为42.5及以上时，胶凝材料的用量为400-420kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，胶凝材料强度等级为52.5及以上时，胶凝材料的用量为400-450kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，胶凝材料强度等级为52.5及以上时，胶凝材料的用量为420-550kg/m3。
优选的是，所述的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，步骤七中，外加用水量和胶凝材料用量的调整需满足，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，水胶比为0.45-0.55，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，水胶比为0.35-0.45，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，水胶比为0.30-0.35，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，水胶比为0.25-0.35。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法通过在配置前进行激发剂模数和激发剂掺量的选择，确定胶凝材料的强度和强度等级，根据配制的胶凝材料强度等级进行后续的地聚合物混凝土配合比设计，免去了现有的基于混凝土性能和组分关系进行地聚合物混凝土设计时的大量试验和复杂计算，具有简单可行、普适性强、可应用于不同固废材料的地聚合物混凝土配合比设计的优点，能够作为地聚合物混凝土的配合比设计的标准设计方法推广使用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种碱激发地聚合物混凝土配合比设计方法，包括：
步骤一、确定地聚合物混凝土的配制强度和初始水胶比，具体的，配制强度根据下面的公式确定，fpc＝kfpc′，式中，fpc′为设计强度，k为常数，当设计强度大于等于60MPa时，k为推荐1.15，当设计强度小于60MPa时，k推荐为1.10-1.15；初始水胶比的预设取值范围为0.25-0.55，其中，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，水胶比的预设取值范围为0.45-0.55，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，水胶比的预设取值范围为0.35-0.45，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，水胶比的预设取值范围为0.30-0.35，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，水胶比的预设取值范围为0.25-0.35。
步骤二、参照《水泥胶砂强度检验方法》，用固废作为胶凝材料替代水泥制备胶砂试件，通过确定最佳激发剂模数和掺量下的胶砂强度，确定胶凝材料的强度等级；
具体的，激发剂选取新硅酸钠溶液，俗称水玻璃。水玻璃是一种碱性氧化物，模数的高低决定着化学性能，水玻璃的溶液随着模数的增加，其碱性降低，溶液的粘稠度增加，对粉煤灰等原材料中的玻璃体的激发效果较差，最终的强度值较低。当水玻璃的模数降低时，相应的增加了Na2O的含量，溶液的碱性增加，粘稠度降低，激发效果也相对较好。因此，水玻璃溶液的模数是制备地聚合物混凝土最重要的参数之一。通常市面上一般买不到合适的水玻璃，一般通常的做法就是用高模数的水玻璃通过添加氢氧化钠来调配需要的模数的激发剂溶液。
下面以模数为3.36的水玻璃，配制模数为1.2的水玻璃为例，计算需要添加多少氢氧化钠。(水玻璃选择的是无锡市燕翔化工有限公司生产的，模数为3.36，100g溶液Na2O％的8.21％，SiO2％为26.12％)。
其化学反应式为：
计算配制模数为1.2的水玻璃溶液100g，需要增加NaOH的量。
Na2O的克分子数＝含量/分子量＝8.21/62＝0.1324
SiO2的克分子数＝0.1324×3.36＝0.4449
如果新制备的溶液模数为1.2，此时Na2O的克分子数＝0.4449/1.2＝0.3708，则需要增加的Na2O的克分子数＝0.3708-0.1324＝0.2384。
根据以上(式1)化学反应方程式可以换算成NaOH的质量为：
0.2384×80＝19.07
所以：X＝19.07。
由以上可知：调配模数为1.2的水玻璃溶液需要增加19.07克NaOH。
首先在试验室内通过配制不同模数的水玻璃，最终确定最佳模数，固定胶凝材料用量，参照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671-1999，用胶凝材料替代水泥制备胶砂试件，再对胶砂试件进行强度测定。
在地聚合物混凝土的材料中，价格最贵的就是激发剂，所以激发剂的用量直接影响到制备混凝土的经济性。激发剂掺量并不是越大越好。因此，需要进行最佳激发剂掺量的配比试验，确定最优掺量，激发剂掺量以胶凝材料质量的百分比计。方法同上。
对于地聚合物来说，粉煤灰矿渣等工业固废是完全代替水泥作为地聚合物的胶凝材料。因此，在混凝土配合比之前必须进行胶凝材料的强度检测，目的就是衡量胶凝材料在此激发剂的激发下强度发展情况，另外也是判断胶凝材料是否合适制备混凝土的准备工作之一。确定胶凝材料的强度等级对后面制备地聚合物混凝土等级起到非常关键的作用。具体地，在激发剂模数和激发剂掺量确定的条件下，参照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671-1999，用胶凝材料替代水泥制备胶砂试件，测定胶砂试件的强度，进而确定对应胶凝材料的强度和强度等级。
步骤三、根据地聚合物混凝土的配制强度等级和胶凝材料的强度等级确定胶凝材料用量。具体的，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，胶凝材料强度等级为42.5时，胶凝材料的用量推荐为350-400kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，胶凝材料强度等级为42.5及以上时，胶凝材料的用量推荐为400-420kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，胶凝材料强度等级为52.5及以上时，胶凝材料的用量推荐为400-450kg/m3；当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，胶凝材料强度等级为52.5及以上时，胶凝材料的用量推荐为420-550kg/m3。
步骤四、根据胶凝材料用量、初始水胶比、激发剂模数和激发剂掺量，计算外加用水量，外加用水量＝总用水量-激发剂中的用水量；地聚合物混凝土中的水实际上是由2部分组成，一部分来自激发剂溶液，一部门来自外加水，或者根据需要全部来自于激发剂溶液，这也是取决于我们的配合比设计，但是水不宜多，尤其是激发剂溶液中不易多，只需要满足地聚合物拌合物需要的工作性能即可，激发剂中的水是以NaOH溶液和Na2SiO3溶液中存在的水的质量之和，因此根据激发剂溶液的混合物各自的固含量或浓度就可以得出含水量，从而得出水的总质量或碱性激活剂溶液的含水量。
步骤五、根据骨料类型、骨料最大公称粒径和水胶比确定砂率；砂率的选择，建议在0.30～0.39之间，可根据骨料室内试验确定，具体还需要试配决定。
步骤六、参照《普通混凝土配合设计规程》中的重量法或体积法，计算地聚合物混凝土中各组分用量，确定地聚合物混凝土的初始配合比；
具体的，以重量法为例，在以上参数确定之后按照下面的公式进行计算，算出混凝土各组分的组成。
步骤七、进行地聚合物混凝土试拌，根据拌合物的工作性能，在激发剂模数和激发剂掺量不变的情况下，调整外加用水量、胶凝材料用量或者砂率，直到符合要求为止，具体的，外加用水量和胶凝材料用量的调整需满足，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C30，水胶比推荐为0.45-0.55，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C40，水胶比推荐为0.35-0.45，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C50，水胶比推荐为0.30-0.35，当地聚合物混凝土的配制强度等级为C60，水胶比推荐为0.25-0.35。
步骤八、将满足工作性能的拌合物立刻浇筑试件，成型试件后应该立刻覆盖混凝土养生膜合作塑料薄膜，以防止水分等蒸发或流失，24小时后拆模，按照普通混凝土的方法进行养护，至规定龄期后取出，检测试件强度。
步骤九、根据试件强度检测结果，确定地聚合物混凝土的最终配合比，若试件强度满足要求，则确定此配合比为地聚合物混凝土的最终配合比，若试件强度不满足要求，则返回步骤八，调整外加用水量、胶凝材料用量或者砂率。
下面以粉煤灰矿渣基地聚合物制备为例对本发明的配合比设计方法进行进一步说明。在本实施例中，激发剂选用3.36模数的硅酸钠水溶液和氢氧化钠固体复合激发剂，已知：硅酸钠溶液固含量为34.33％，n＝3.36。
步骤一、确定地聚合物混凝土的配制强度和初始水胶比
假设确定配制强度60MPa的地聚合物混凝土，根据配制强度等级，先初步确定水胶比为0.35。值得注意的是此处的水胶比仅为参考。后期需要28天强度测试结果确定最终水胶比。
步骤二、确定激发剂模数和掺量
(1)确定复合激发剂溶液最佳模数
根据以3天和28天强度为目标，在试验室内进行胶砂强度试验的配比，结果见表1。复合激发剂溶液的模数为1.2时激发剂的效果最佳。根据式1计算出100克的硅酸钠溶液，需要添加氢氧化钠19.07克。
(2)确定激发剂溶液的最佳掺量
根据试验室胶砂强度试配结果，详见表1，激发剂的掺量(以溶质计)为胶凝材料的20％时，激发效果最佳。掺加25％的激发剂后的强度已经增加不大，激发剂是整个材料中比较贵的原材，考虑到经济的因素，所以选择20％。
表1室内胶凝材料胶砂试件强度
由上表可知，复合水玻璃模数1.2和掺量为20％时，胶凝材料的28天强度可以达到60兆帕以上，说明激发剂复配和掺加的比例的起到的激发效果好。
步骤三、确定胶凝材料用量
根据地聚合物混凝土的配制强度，选择胶凝材料的用量为450kg/m3。
步骤四、确定外加用水量
(1)总需水量
根据水胶比，得出混凝土的用水量为450x0.35＝157kg/m3(取整数，下同)。
(2)激发剂溶液中所含的水量：
按照激发剂掺量的百分之20％，复配后的激发剂溶液中，水玻璃溶液为168kg/m3，氢氧化钠为32kg/m3，根据水玻璃溶液的固含量为34.33％，所以，激发剂溶液的含水量为110kg/m3。
(3)外加用水量
还需要增加额外水157-110＝47kg/m3。
步骤五、确定砂率
初步确定砂率为35％。
粗骨料选取的为二级级配，M5-16:M10-20＝3:8
步骤六、确定初始配合比
根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55中的重量法(式2)确定各组分的用量。
经计算可得：M砂＝596，M石＝1106。
计算混凝土配合比各组分比例：胶凝材料：激发剂：外加水：砂：石为：450:200:47:596:1106。
步骤七、试配、调整与确定
通过室内试配：通过测试混凝土拌合物的工作性能及观察混凝土的流动性及粘聚性等发现，浆体流动度较大，浆体比较多。通过减去20kg/m3胶凝材料，增加砂率到36％，保持水胶比不变，浆体饱满，粘聚性好，流动度适中。最终得出：混凝土试配调节后最终试验室的胶凝材料：激发剂：外加水：砂：石的比例为:430:200:40:623:1107。
步骤八、成型养护
试配后满意后的混凝土立即成型，成型后覆盖混凝土养生膜，然后放置24小时候拆模，放入混凝土标养室进行养护。
步骤九、强度检测
最终混凝土的立方用量及强度检测值见表2所示。由表2可知，28天强度达到62MPa，满足目标配制混凝土强度要求。
表2地聚合物混凝土强度1d、3d、7d、28d天检测结果
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
