凝石混凝土技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用展望
2005-10-27 00:00
[摘要] 介紹了凝石及地聚合物材料的一般特點， 根據(jù)對凝石混凝土的初步實驗結(jié)果， 認為凝石混凝土的良好性能和低廉造價尤其適用于水工混凝土， 在水利工程中有廣闊的應(yīng)用前景。
[關(guān)鍵詞] 凝石； 混凝土； 實驗； 應(yīng)用
凝石是一種硅～鋁系的無機膠凝材料， 也是地聚合物技術(shù)的一個重要分支。初步結(jié)果表明：以凝石為膠凝材料的凝石混凝土， 其抗壓、抗折等物理力學(xué)性能與硅～鈣系的水泥混凝土相比基本相當(dāng)， 而抗凍融強度、抗?jié)B強度、水化熱、抗AAR 能力等指標(biāo)優(yōu)于水泥混凝土。凝石系采用廢鋼渣等硅～鋁系材料經(jīng)研磨并添加若干激活材料制成， 與較采用兩燒一磨方法制成的硅～鈣系水泥相比， 具有造價低、污染小等優(yōu)點。對要求有較高的耐久性、較低工程造價的水利工程而言尤為適合。
1 地聚合物材料技術(shù)概述
地聚合物膠凝材料主要是根據(jù)大地成巖的基本原理， 以燒粘土(偏高嶺土) 、激活劑為主要原料得到的一種具有與陶瓷性能相似的合成巖石。眾所周知， 地球上最穩(wěn)定的無機物為硅～鋁系材料， 而地聚合物的最終產(chǎn)物便是一種復(fù)雜的多晶、多相的聚集體， 其化學(xué)組成為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的鋁硅酸鹽。由于地聚合物材料具有類似有機聚合的鏈狀結(jié)構(gòu)， 因而具有無機化合物和有機化合物的共同特點：
(1) 強度高， 主要力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于玻璃與水泥， 可與陶瓷、鋁、鋼等金屬材料相媲美。
(2) 較強的耐腐蝕性與較好的耐久性， 優(yōu)于傳統(tǒng)水泥。
(3) 較好的快硬固化性。
(4) 材料耐高溫， 隔熱效果好。
(5) 原料價格低廉， 儲量豐富。
(6) 免煅燒， 生產(chǎn)能耗低。
(7) 增韌、增強外添加劑選擇范圍廣， 由于反應(yīng)在較低溫度下進行， 避免了高溫可能導(dǎo)致的添加物變質(zhì)， 添加物與基體的熱失配與化學(xué)不相容， 從而可采用多種外添加劑進行增強、增韌，提高材料性能。
(8) 結(jié)構(gòu)致密， 滲透系數(shù)低。
2 凝石的基本原理
2.1 模仿大地成巖的基本原理
凝石混凝土主要是根據(jù)大地成巖的基本原理制成合成巖石。清華大學(xué)、北京科技大學(xué)的有關(guān)研究指出： 砂礫巖的結(jié)構(gòu)與混凝土具有非常相近的結(jié)構(gòu)， 然而將礫及砂粒膠結(jié)在一起的膠凝材料卻有著本質(zhì)區(qū)別。在天然礫巖中起膠凝作用的是微細的硅酸鹽礦物顆粒， 這些礦物顆粒有著次生加大、溶蝕～再結(jié)晶等礦物結(jié)構(gòu)， 其成巖過程是在成巖流體作用下通過礦物本身溶解～再生長而把大的顆粒膠結(jié)在一起， 并填滿沉積物中的所有微孔隙， 從而把松散的沉積物轉(zhuǎn)變成堅硬的天然巖石。因此天然砂礫巖的形成并沒有真正意義上的“膠凝”過程， 而是靠成巖流體將硅酸鹽礦物顆粒溶蝕～再生長， 類似工程建設(shè)中的鋼材的“焊接”過程。自然界的這種溶蝕～再生長不僅表現(xiàn)在細小的硅酸鹽礦物顆粒上， 也表現(xiàn)在直徑較大的砂礫上。其微觀結(jié)構(gòu)是大小的礫石、砂礫與細粒硅酸鹽礦物牢固的“焊接”在一起， 其間依靠Si - O 共價鍵和晶界化學(xué)鍵結(jié)合， 其作用力主要是各種化學(xué)鍵力。而水泥混凝土是由C -S - H 凝膠包裹砂子、石子后， 靠C - S - H 凝膠“粘結(jié)”在一起， 其作用力主要是范德華力。
清華大學(xué)、北京科技大學(xué)的研究還指出， 成巖流體中各種化學(xué)成分的協(xié)同效應(yīng)， 是成巖的主要原因。這種協(xié)同效應(yīng)能使成巖流體對硅酸鹽礦物顆粒的侵蝕作用能力提高數(shù)萬倍至數(shù)百萬倍。
所謂協(xié)同效應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)與化工應(yīng)用中是一種常見的現(xiàn)象， 譬如金元素本來既不溶于硝酸， 也不溶于鹽酸， 但卻能溶于將硝酸和鹽酸按一定比例配成的王水， 這就是鹽酸中的Cl - 離子的絡(luò)合作用與硝酸對金的氧化作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。
凝石技術(shù)就是利用了這種協(xié)同效應(yīng)開發(fā)出各種成巖劑， 從而實現(xiàn)把各種硅酸鹽類固體廢棄物轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)凝石的主要原料。
2.2 凝石與傳統(tǒng)水泥的比較
從嚴(yán)格的意義上， 凝石膠凝材料與水泥的定義“凡磨細成粉末狀， 加入適量的水以后成為塑性漿體， 既能在空氣中硬化， 又能在水中硬化，并能將砂、石等散?；蚶w維材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料”相符合， 因此也可以認為凝石是一種新型水泥。除養(yǎng)護方式與傳統(tǒng)水泥混凝土略有不同外， 其使用方法與水泥大致相同見
表1 。
表1 凝石與傳統(tǒng)水泥的比較
3 對凝石混凝土的初步實驗結(jié)果
3.1 物理、力學(xué)性能
清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位對凝石混凝土的物理、力學(xué)性能進行的部分實驗結(jié)果見表2 、3 、4 。
表2 凝石混凝土的物理性能
表3 凝石混凝土的力學(xué)性能
表4 凝石混凝土的抗凍融循環(huán)能力
清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的實驗還表明： 凝石混凝土的水化熱大致僅相當(dāng)于水泥混凝土的1/ 10 ， 抗?jié)B透能力較強， 當(dāng)抗?jié)B透儀壓力達到最大時， 滲透高度讀數(shù)仍較低。
吉林省水利科學(xué)研究院對凝石混凝土的力學(xué)性能進行了探索性實驗， 其中3d 的抗折、抗壓強度見表5 ：
表5 凝石混凝土的力學(xué)性能
分析清華大學(xué)、北京科技大學(xué)及吉林省水利科學(xué)研究院的上述實驗結(jié)果可看出：
①凝石混凝土初凝時間較水泥混凝土略長，而終凝時間較短；
②抗折強度略高于同標(biāo)號水泥混凝土， 抗壓強度基本相當(dāng)；
③抗凍融循環(huán)能力較好， 在沒有外加劑條件下， 凍融循環(huán)(慢凍) 達到386 次， 按東北勘測設(shè)計院的科研院經(jīng)驗公式， 大致相當(dāng)于快凍170次左右。此時強度及質(zhì)量損失率均低于25 % ，而相對動彈性模量下降率較高。表明凝石混凝土有一定的抗凍融能力， 但凍融破壞機理似有所不同。
3.2 抗AAR 破壞能力分析
混凝土產(chǎn)生堿———骨料反應(yīng)須具備三個必要條件： 較高的可溶性堿(Na2O + K2O) 含量，具有堿活性的骨料， 混凝土暴露在水中或潮濕的環(huán)境中。這三個條件中缺少任何一個， 混凝土出現(xiàn)AAR 破壞的可能性就會大大減少。
清華大學(xué)、北京科技大學(xué)對凝石材料在水換洗浸泡條件下18d 的p H 值變化、凝石材料中的
主要氧化物析出情況等進行了實驗， 結(jié)果見圖1 。
圖1 水洗條件下凝石材料p H 值變化情況
從圖1 中看出： 凝石材料在換水浸泡條件下， 最初的p H 值略低于水泥(p H 值13.5) ，18d 后仍保持一定高的堿性水環(huán)境。在水浸泡條件下， 凝石中的主要氧化物析出情況見表6 ：
表6 凝石中的主要氧化物析出情況
上述實驗表明： 凝石混凝土將保持較低的而又必要的可溶性堿水平， 因此出現(xiàn)AAR 破壞的可能性減少。但筆者認為： 和水泥一樣， 當(dāng)膠凝材料凝固后， 其化學(xué)組分將發(fā)生變化， 僅采用水合前的凝膠材料進行有關(guān)試驗所得到的結(jié)論不甚充分， 宜采用終凝后的凝石人造石的研末進行實驗研究。
3.3 鹽堿性水環(huán)境分析
吉林省水利科學(xué)研究院采用終凝后的凝石人造石的研末進行了換洗水浸泡條件下的p H 值、電導(dǎo)率水平試驗。
用PHS - 25C 微機酸度儀對凝石混凝土研末水浸泡液的p H 值進行檢測， p H 值變化情況如圖2 ：
圖2 p H 值變化情況
實驗結(jié)果表明： 凝石人造石研末水洗浸泡液的p H 值達到最高點的時間約180min ， 高于P.O 水泥的100min ， 曲線基本保持緩慢下降趨勢。采用DDS - 11A 精密電導(dǎo)儀檢測和比較凝石混凝土研末水浸泡液中的可溶性鹽情況， 實驗結(jié)果表明： 在各時段的凝石混凝土研末水浸泡液中， 其可溶性堿金屬鹽的含量低于各種常見水泥混凝土的含量見， 圖3 。
圖3 凝石混凝土與各種水泥混凝土電導(dǎo)率比較
為便于觀察， 將各種水泥混凝土及凝石混凝土研末的22d 水浸泡液電導(dǎo)率的平均值進行比較(見圖4) 。
圖4 各種水泥混凝土與凝石混凝土電導(dǎo)率平均值比較
實驗結(jié)果也表明： 凝石混凝土研末水浸泡液中的可溶性堿金屬鹽的平均含量明顯低于各種水泥混凝土。
4 凝石混凝土技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用展望
凝石系采用廢鋼渣、火山灰、粉煤灰等作為原材料磨制而成， 不產(chǎn)生CO2 污染， 節(jié)省能源，符合可持續(xù)發(fā)展的基本要求。同時， 由于凝石材料已經(jīng)表現(xiàn)出的良好性能， 無疑將在土木工程領(lǐng)域特別是水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。
4.1 水工性能良好， 適合堤壩混凝土工程
用于水庫大壩、防洪堤、渠系建筑物等水工建筑物的混凝土， 由于其施工應(yīng)用、工作環(huán)境的特殊性， 往往要求有較高的耐久性、較少的水化熱。而目前的初步實驗結(jié)果， 已經(jīng)顯示出凝石混凝土具有較好的物理、力學(xué)性能， 抗凍融循環(huán)能力較好， 水化熱較低， 滲透系數(shù)較小、產(chǎn)生AAR 破壞及硫酸鹽破壞的可能性小等良好的水工性能， 有利于增加混凝土的耐久性， 適合于堤壩混凝土等水利工程。
4.2 降低工程造價， 尤其適合農(nóng)田水利工程
在水利工程特別是農(nóng)田水利工程中， 一般要求混凝土工程造價較低。由于凝石的生產(chǎn)工藝較傳統(tǒng)水泥簡單， 生產(chǎn)成本低， 據(jù)測算， 凝石混凝土的造價比傳統(tǒng)水泥混凝土約減少10 %。
4.3 鹽堿析出量低， 適合于綠化混凝土等生態(tài)
友好型混凝土根據(jù)對凝石混凝土研末水浸泡液中析出的可溶性鹽堿進行檢測的結(jié)果， 凝石混凝土空隙內(nèi)水環(huán)境中的鹽堿含量非常低， 用于制作綠化混凝土?xí)r， 對植物根系損害的可能性大大減少。但值得注意的是， 空隙內(nèi)水環(huán)境中可轉(zhuǎn)化利用的堿金屬含量也不足， 在配制空隙填充料時應(yīng)注意補充。
5 存在問題
目前對凝石混凝土應(yīng)用技術(shù)缺乏系統(tǒng)性的研究結(jié)果， 很多應(yīng)用特性尚有待在實驗和實際工程中認識和把握。為此吉林省水利科學(xué)研究院已經(jīng)計劃同清華大學(xué)、通化藍資科技有限公司等單位合作， 進一步開展凝石混凝土技術(shù)在水利工程中的各項應(yīng)用技術(shù)研究， 為凝石混凝土技術(shù)在水利工程中的推廣和應(yīng)用提供可靠的科學(xué)依據(jù)。
The Glued Stone Concrete Technique and Its appl ication in the Hydraul ic Engineering in the future
DON GJ ian - wei ， WAN G- Hui
Abstract ： The paper int roduces the feat ure of t he glued stone concrete ， and consider s it has extensive applied prospect in water conservancy project ， specially hydraulic engineering concrete ， based on t he preliminary experiment result s.
Key words ： glued stone ； concrete ； experiment ； application
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