沸石基混凝土的制备及其性能研究

0引言

室内环境包括温度、湿度等气象条件，适宜的湿度环境对人体的健康、室内物品的保存等有重大的意义。目前对于室内湿度的调节主要采用空调技术，这种调节方式容易造成室内空气污染，同时消耗大量能源。沸石粉是一种天然的矿物粉末，具有较好的火山灰活性，可作为混凝土矿物掺合料使用，同时沸石粉特殊的格架状结构使得沸石粉具有一定的吸放湿性能，使其可作为一种调节湿度的基材。

本文利用改性沸石粉代替部分水泥制备混凝土，期望得到一种既具有一定的承载能力，又具备一定调湿性能的复合型混凝土，采用正交试验的方式探究了各影响因素对沸石粉混凝土调湿性能、力学性能及工作性能的影响，旨在为利用沸石粉制备调湿混凝土提供一定的理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

水泥采用山水工源牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥胶砂28d抗折强度为7.9MPa，抗压强度为49.7MPa，初凝时间为210min，终凝时间为290min，用试饼法检验水泥安定性合格。

沸石产地辽宁，为天然斜发沸石岩，由沸石粉厂加工成细度为200目的天然沸石粉，经过酸改性处理，具体改性方法为常温下在浓度为3mol/L的HNO3溶液中浸泡3h。

砂采用天然河砂，细度模数为2.9。石子采用矿山开采碎石，公称粒径8～16mm。水采用城市用自来水。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率≥23%。

1.2 试验方法

1.2.1吸放湿试验

选取饱和MgCl2溶液和饱和K2SO4溶液模拟干湿环境，既将饱和MgCl2溶液置于干燥器底部，模拟相对湿度33%的干环境，将饱和K2SO4溶液置于干燥器底部，模拟相对湿度98%的湿环境，制作50mm×50mm×50mm的混凝土试块用于吸放湿试验。吸湿试验：在室内23℃环境下，将混凝土试件放入105℃烘箱中干燥至质量恒定，然后置于相对湿度33%的干燥器中进行湿平衡，湿平衡后试件质量记为me，之后将试件转入相对湿度98%的干燥器中进行吸湿试验，每隔一段时间取出试件进行称重，直至重量不再变化，吸湿饱和为止，此时试件质量记为mmax。放湿试验：在室内23℃环境下，将吸湿饱和的混凝土试件转入相对湿度33%的干燥器中进行放湿，每隔一段时间取出进行称重，直至重量不再变化，放湿完成为止，此时试件质量记为mmin。式1-1、1-2为试样单位面积最大吸（放）湿量计算公式。

1.2.2 混凝土工作性能及力学性能试验

参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测试混凝土拌合物性能，参照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，测试混凝土的立方体抗压强度，混凝土试件采用边长为100mm的非标准试件，测得强度乘以0.95的尺寸转换系数，

试验采用WEW-1000C液压试验机完成，加载速度控制在0.3MPa/s～1.0MPa/s。

1.3试验方案

1.3.1最适宜配合比试验方案

将改性沸石粉以内掺的方式代替部分水泥制备混凝土，采用3因素3水平的正交试验方法考察水胶比、砂率、改性沸石粉掺量对混凝土的工作性能、调湿性能及力学性能的影响，并选取混凝土的最适宜配合比组合，正交试验的因素水平见表1。

1.3.2沸石粉混凝土与普通混凝土对比试验方案

分别按照上述试验选取的最适宜配合比和不掺入改性沸石粉的配合比制备沸石粉混凝土和基本混凝土，通过试验对比两种混凝土的坍落度、抗压强度和最大吸（放）湿量。

2.试验结果与讨论

2.1最适宜配合比试验

以改性沸石粉混凝土的坍落度、28d抗压强度、最大吸湿量、吸放湿滞后率为考核指标，分析各因素对各项考核指标的影响，正交试验结果如表2所示。

2.1.1和易性分析

采用极差分析法对正交试验混凝土坍落度试验结果进行分析，分析结果如表3所示。由表3可知，改性沸石粉掺量对混凝土坍落度影响程度最大，水胶比其次，砂率的影响最小。随着沸石粉掺量的增加混凝土坍落度逐渐减小，随着水胶比的增大混凝土坍落度逐渐增大，随着砂率的增大混凝土坍落度先降低后增加。由各因素对混凝土坍落度影响趋势图可知，最佳组合为A3B3C1，即水胶比为0.50，砂率为41%，改性沸石粉掺量为10%。

2.1.2抗压强度分析

各因素水平对混凝土28d抗压强度的影响趋势图如图1所示。

由图1可知，水胶比对混凝土28d抗压强度的影响最大，随着水胶比的增大混凝土28d抗压强度呈下降趋势，当水胶比为0.42时混凝土28d抗压强度最大；改性沸石粉掺量对混凝土28d抗压强度的影响仅次于水胶比，随着改性沸石粉掺量的增加，混凝土28d抗压强度先增大后降低，当沸石粉掺量为15%时混凝土28d抗压强度最大；砂率对混凝土28d抗压强度的影响较弱，随着砂率的增大，混凝土28d抗压强度先增加后减小，砂率为38%时混凝土28d抗压强度最大。因此，以混凝土28d抗压强度为考核指标的最优组合为A1B2C2，即水胶比为0.42，砂率为38%，改性沸石粉掺量为15%。

2.1.3吸（放）湿量分析

各因素水平对混凝土最大吸湿量和吸放湿滞后率的影响趋势图如图2所示。

由图2（a）可知，砂率对混凝土最大吸湿量的影响最大，随着的砂率增加混凝土的最大吸湿量呈减少趋势；改性沸石粉掺量的影响位居第二，随着改性沸石粉掺量的增大混凝土最大吸湿量呈上升趋势；水胶比的影响最小，随着水胶比的增加，混凝土最大吸湿量呈增大趋势，以混凝土最大吸湿量为考核指标的最优组合为A3B1C3。由图2（b）可知，改性沸石粉掺量对混凝土吸放湿滞后率的影响最大，砂率的影响位居第二，水胶比的影响最小，以混凝土吸放湿滞后率为考核指标的最优组合为A3B2C3。

以混凝土28d抗压强度和吸（放）湿性能为主要考核指标，同时兼顾混凝土坍落度，

根据各因素水平的影响程度综合分析，可选取混凝土最适宜配比组合为A1B1C2。

2.2 沸石粉混凝土与普通混凝土对比试验

选择最适宜配比组合A1B1C2制备沸石粉混凝土，并与未掺入沸石粉的混凝土进行对比试验，试验结果如表4所示。

由试验结果可知，与普通混凝土相比，沸石粉混凝土的最大吸（放）湿量分别增加了38.4%和41.5%，混凝土的吸（放）湿性能得到了提升；坍落度降低了6.4%，但满足泵送要求；28d抗压强度略高于普通混凝土，保证了混凝土的强度。

2.3机理分析

沸石粉经过改性后吸水性能得到了一定的提升，沸石粉代替部分水泥掺入混凝土后，吸附了部分混凝土拌合物中的自由水，致使混凝土拌合物的坍落度降低。同时经过改性后虽然沸石粉的硅铝比有所提高，但是其主要活性成份SiO2和Al2O3均得到了不同程度的保留，能与水泥水化放出的Ca（OH）2发生二次反应，生成具有胶凝能力的C-S-H 和C-A-H及低碱度水化硅酸钙，可以改善水泥浆体的微观结构，从而保证混凝土的强度。沸石粉混凝土具备良好的吸（放）湿性能，主要是因为经过改性后，沸石粉特殊的格架状结构得以保持，孔径和通道得到疏通和拓宽，其吸（放）湿性能得到了提升，将其代替部分水泥掺入混凝土后，可增强混凝土的吸（放）湿性能。

3结论

（1）利用改性沸石粉作为混凝土掺合料代替部分水泥，可配制出具有较高强度、调湿性能良好的沸石粉混凝土。

（2）以混凝土28d抗压强度和吸（放）湿性能为主要考核指标，同时兼顾混凝土坍落度，可得混凝土最适宜配比组合为A1B1C2。

（3）按照最适宜配比组合A1B1C2配制的沸石粉混凝土，与普通混凝土相比，最大吸（放）湿量均得到了提升，混凝土坍落度有所降低，但满足泵送要求，28d抗压强度略高于普通混凝土。

参考文献

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