無機(jī)聚合物混凝土力學(xué)性能研究

王引平，王冬一

(中國航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川新津611431)

無機(jī)聚合物(Geopolymer)的概念在20世紀(jì)70年代末首先由Davidovits博士提出[1]。該材料是由空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽組成。與水泥相比，無機(jī)聚合物具有更高的強(qiáng)度、更耐化學(xué)腐蝕和大氣環(huán)境侵蝕,有更好的抗凍性能、更耐高溫，并具有水泥所沒有的防火性能等。

本文提出的無機(jī)聚合物混凝土由基材、激發(fā)劑以及骨料構(gòu)成，基材主要成份為高爐礦渣和粉煤灰，激發(fā)劑包括堿性激活組份和含硅強(qiáng)化組分。課題組基于已取得的無機(jī)聚合物合成機(jī)理及膠凝材料等成果，針對不同需求，提出了滿足搶建、搶修兩種用途的無機(jī)聚合物混凝土，前者早強(qiáng)性能更突出。通過大量試驗(yàn)，本文給出了礦渣用量、溶膠比、砂率和溫度等因素對無機(jī)聚合物混凝土工作性、力學(xué)指標(biāo)、抗?jié)B、抗凍、耐磨以及干縮變形、彎拉疲勞的影響分析。并采用掃描電鏡與能譜分析的方法，發(fā)現(xiàn)了其內(nèi)部無界面過渡區(qū)、膠凝產(chǎn)物密實(shí)的結(jié)構(gòu)特征，揭示了形成無機(jī)聚合物混凝土高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。課題組經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和反饋，解決了實(shí)際施工中的諸多技術(shù)問題，形成了快強(qiáng)早強(qiáng)類新材料與新技術(shù)的研究成果。

1 搶建無用機(jī)聚合物混凝土試驗(yàn)研究

1.1 無機(jī)聚合物混凝土配合比設(shè)計(jì)

采取正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行無機(jī)聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)[2]，見表1、表2。

1.2 混凝土的工作性

設(shè)計(jì)的無機(jī)聚合物混凝土屬于大流動性混凝土，主要采用坍落度指標(biāo)表示工作性，同時觀察其粘聚性、保水性，綜合評價無機(jī)聚合物混凝土拌合物的工作性。混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1 無機(jī)聚合物混凝土試驗(yàn)配合比

表2 普通水泥混凝土試驗(yàn)配合比

注：(1)普通水泥混凝土試件編號為P，無機(jī)聚合物混凝土試件編號為QJ。 (2)溶膠比：激發(fā)劑溶液質(zhì)量與礦渣的質(zhì)量比。

表3 混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來看，無機(jī)聚合物混凝土屬于大流動性混凝土，且漿體顯得粘稠，不離析，勻質(zhì)性較好。

1.3 混凝土的力學(xué)性能

無機(jī)聚合物混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，QJ10的28 d抗折強(qiáng)度高達(dá)8.5 MPa，7 d強(qiáng)度高達(dá)7.6 MPa。而且無機(jī)聚合物混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較快，7 d抗折強(qiáng)度是28 d強(qiáng)度的88.8 %～97.6 %，其抗壓強(qiáng)度同樣具有這種規(guī)律。

1.4 無機(jī)聚合物混凝土彎拉疲勞性能

彎拉疲勞試驗(yàn)試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸100 mm×100 mm×400 mm。按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)期為90 d。采用三分點(diǎn)加載。當(dāng)應(yīng)力比s≥0.8時，加載頻率取5 Hz；當(dāng)應(yīng)力比s<0.8時，頻率取10 Hz，分別見表5和圖1。

表5 無機(jī)聚合物混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果

(a)

(b)

(c)圖1 QJ無機(jī)聚合物混凝土在各應(yīng)力水平下應(yīng)變—疲勞壽命曲線

疲勞方程：

(1)無機(jī)聚合物雙對數(shù)疲勞方程為：lgS=0.0399-0.0350 lgN

(2)等強(qiáng)度水泥混凝土雙對數(shù)疲勞方程為：lgS=0.0054-0.0373 lgN

式中：S為應(yīng)力比；N為應(yīng)力。可以看出：無機(jī)聚合物疲勞特性優(yōu)良。

1.5 無機(jī)聚合物混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡與能譜分析的方法,對無機(jī)聚合物混凝土和普通混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試,結(jié)果見圖2、圖3、圖4。

圖2 掃描電子顯微鏡

(a)

(b)

(c)圖3 普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(電鏡+EDS)

如圖3所示，普通混凝土內(nèi)部有明顯的裂縫孔隙。其過渡區(qū)中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣晶粒大且集中，比較疏松，對混凝土強(qiáng)度特別是抗折強(qiáng)度極為不利。同時疏松的過渡區(qū)對混凝土的抗凍、抗?jié)B等耐久性能也有很大的影響，為水分遷移提供通道，降低混凝土的抗凍、抗?jié)B性能。從圖4可以看到，無機(jī)聚合物混凝土內(nèi)部裂縫孔隙較少，結(jié)構(gòu)比較致密，沒有水泥混凝土那樣明顯的過渡區(qū)。礦粉顆粒在堿性溶液中解體和水化速度快，堿性激發(fā)劑大量溶解出氫氧根陰離子，單位體積內(nèi)形成大量的膠體，縮聚形成水化產(chǎn)物，水化較徹底，水化產(chǎn)物較密實(shí)，其水化產(chǎn)物中除了水化硅酸鈣系統(tǒng)的水化物外，尚含有大量的堿性鋁硅酸鹽水化物和沸石型礦物。

圖4 無機(jī)聚合物混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(電鏡+EDS)

2 搶修用無機(jī)聚合物混凝土性能試驗(yàn)

設(shè)計(jì)搶修用無機(jī)聚合物混凝土主要目標(biāo)是可快速施工、快速硬化。故設(shè)計(jì)搶修用無機(jī)聚合物混凝土為自密實(shí)，4 h抗折強(qiáng)度大于3 MPa的早強(qiáng)快硬混凝土，試驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。

表6 搶修無機(jī)聚合物混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果

表7 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所配制的搶修用無機(jī)聚合物混凝土的流動性與強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

課題組通過大量試驗(yàn)，研究了礦渣用量、溶膠比、砂率和溫度對無機(jī)聚合物混凝土性能的影響規(guī)律，并通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化配合比，成功配制出適用于搶修和搶建用的無機(jī)聚合物高性能混凝土。通過無機(jī)聚合物混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部無界面過渡區(qū)、膠凝產(chǎn)物密實(shí)的結(jié)構(gòu)特征，揭示了形成無機(jī)聚合物混凝土高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。

[1] J·Davidovits.Geopolymers:Inorganic polymeric new materials[J]. Therm Anal. 1991: 1611-1656

[2] 付亞偉，蔡良才，曹定國，等. 堿礦粉無機(jī)聚合物混凝土的制備及性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13(4): 524-527