飽水地質(zhì)聚合物混凝土基本力學(xué)性能研究

王諭賢，許金余,2，尹躍剛

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場建筑工程系，西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072；3.空軍航空大學(xué)飛行訓(xùn)練基地，長春 130062)

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飽水地質(zhì)聚合物混凝土基本力學(xué)性能研究

王諭賢1，許金余1,2，尹躍剛3

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場建筑工程系，西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072；3.空軍航空大學(xué)飛行訓(xùn)練基地，長春 130062)

本文對(duì)自然干燥狀態(tài)及飽水地質(zhì)聚合物混凝土的質(zhì)量變化、超聲波速、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了飽水狀態(tài)對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土(GC)基本物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：GC的吸水速率隨浸水時(shí)間的延長顯著降低，質(zhì)量在前期增長較快，浸水28d后，試件基本達(dá)到飽和狀態(tài)，平均質(zhì)量增長率為2.91%；超聲波在飽水GC試件中的波速明顯增大，波速增長率在15%～20%之間；飽水狀態(tài)對(duì)GC靜態(tài)力學(xué)性能具有明顯的負(fù)面影響，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度較干燥狀態(tài)均出現(xiàn)不同程度的降低，分別下降了12.0%、23.0%和17.2%。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物； 飽水狀態(tài)； 抗折強(qiáng)度； 劈拉強(qiáng)度； 超聲波檢測(cè)

1 引 言

地質(zhì)聚合物混凝土(GC)是一類以粉煤灰、高爐礦渣等作為膠凝體的新型混凝土材料[1-2]。GC在硬化過程中生成特有的三維網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)[3-4]，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和工作性能，且表現(xiàn)出良好的抗侵蝕能力[5-7]，Natali等[8]對(duì)比分析了地質(zhì)聚合物原材料和普通硅酸鹽水泥原材料在加工制備過程中CO2氣體的排放量，結(jié)果表明，地質(zhì)聚合物材料的CO2排放量更少，是一種綠色環(huán)保材料。因此，國內(nèi)國外學(xué)者對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土進(jìn)行了大量的研究。

G?khan等[9]研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，堿激發(fā)劑濃度對(duì)地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。Xie等[10]對(duì)比研究了底灰與粉煤灰對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土力學(xué)性能的影響。龍濤等[11]利用再生骨料制備了堿激發(fā)粉煤灰基地質(zhì)聚合物混凝土。倪文等[12]分析了地質(zhì)聚合物材料的性能特點(diǎn)，闡述了其在應(yīng)用于工程實(shí)踐的可能性。但這些研究均集中在地質(zhì)聚合物的原材料構(gòu)成以及配比分析，關(guān)于GC在水環(huán)境中各項(xiàng)性能的研究較少。而水工結(jié)構(gòu)長期位于水環(huán)境中，混凝土內(nèi)部常處于水飽和狀態(tài)，水分子對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙的填充勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響[13]。

因此，本文以水淬高爐礦渣和粉煤灰作為膠凝材料，氫氧化鈉和硅酸鈉作為堿激發(fā)劑制備出礦渣-粉煤灰基地質(zhì)聚合物混凝土，并在水環(huán)境中浸泡180d制得飽水試件。針對(duì)飽水狀態(tài)下地質(zhì)聚合物混凝土的超聲波速、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，分析了飽水狀態(tài)對(duì)于GC的影響機(jī)理，對(duì)GC在水工建筑的推廣應(yīng)用具有一定意義。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料與配合比

原材料：韓城龍門鋼鐵有限公司水淬高爐礦渣(密度2.97g/cm3，比表面積491.6m2/kg，28d活性指數(shù)≥95%)；粉煤灰為韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的I級(jí)低鈣粉煤灰。化學(xué)組成見表1。

碎石(密度2.70g/cm3，堆積密度1.62kg/L，粒徑5～10mm占15%，粒徑10～20mm占85%，含泥量0.2%)；砂(細(xì)度模數(shù)2.8，級(jí)配合格，密度2.63g/cm3，堆積密度1.50kg/L，含泥量1.1%)；氫氧化鈉(化學(xué)純片狀固體，純度≥97%)；硅酸鈉(分析純液體，模數(shù)為3.1～3.4，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%)。原料配合比如表2所示。

表1 礦渣及粉煤灰的化學(xué)組成(質(zhì)量)

表2 GC配合比

2.2 試件成型

首先，將稱量好的砂與一半堿激發(fā)液(氫氧化鈉、硅酸鈉和水的混合溶液)倒入混凝土攪拌機(jī)中，加入碎石后繼續(xù)攪拌30s；然后，將粉煤灰與礦渣倒入攪拌60s；最后，將剩余堿激發(fā)液倒入，攪拌120s。

攪拌完畢后，將拌合物分別澆筑至20個(gè)100mm× 100mm× 100mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體及10個(gè)100mm× 100mm×400mm的長方體模具中，振搗120s后，抹平表面并利用保鮮膜保濕。室內(nèi)靜置1d后拆模并編號(hào)，之后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件((20±2) ℃，相對(duì)濕度95%)下養(yǎng)護(hù)28d。養(yǎng)護(hù)完成后，將試件置于室內(nèi)環(huán)境中靜置3d，使試件內(nèi)部濕度趨于穩(wěn)定。然后，將試件分維兩組，飽水組包含10個(gè)立方體試件和5個(gè)長方體試件，文中標(biāo)為GCS，其中立方體試件編號(hào)依次為GCS-1～GCS-10，長方體試件編號(hào)依次為GCS-11～GCS-15。干燥組試件仍置于室內(nèi)，記作GCN，標(biāo)號(hào)規(guī)則與浸水試件相同，放置180d后將試件取出進(jìn)行后續(xù)物理力學(xué)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

(1)質(zhì)量觀測(cè)

利用精密電子天平(精度1.0g)對(duì)GC浸水前和浸水0.5d，1d，3d，7d，28d，60d及180d后的質(zhì)量進(jìn)行稱量。稱量GCS試件前，應(yīng)將表面多余水分拭去，以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)超聲波檢測(cè)

利用NM-4型非金屬超聲檢測(cè)分析儀，分別對(duì)GCS與GCN立方體試件進(jìn)行超聲波檢測(cè)。測(cè)試采用直測(cè)法，即在混凝土非澆筑方向中心軸上使用探頭進(jìn)行對(duì)測(cè)，每個(gè)試件測(cè)試三次，結(jié)果取其平均值。

(3)強(qiáng)度試驗(yàn)

采用HYY型電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)分別測(cè)試GCS與GCN立方體試件的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，采用混凝土抗折試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩組長方體試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，取各自平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)步驟參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[14]進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量及超聲波速分析

圖1 質(zhì)量隨浸水時(shí)間變化曲線(GCS-1)Fig.1 Weight varing with immersion time

圖2 質(zhì)量對(duì)比直方圖Fig.2 Comparison histogram of weight

圖1為GCS質(zhì)量隨浸水時(shí)間變化曲線圖，圖2為GCS浸水前后質(zhì)量對(duì)比直方圖。由圖可知：(1)由于試件浸水前較為干燥，試件浸水后在滲透、毛細(xì)及擴(kuò)散作用下大量吸水，質(zhì)量顯著增大，浸水28d后GCS的平均質(zhì)量增長率為2.91%:；(2)GC試件質(zhì)量隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律同普通硅酸鹽混凝土試件類似[15]，7d內(nèi)試件質(zhì)量增長較快，之后隨著浸水時(shí)間的增長吸水速率明顯降低，試件在浸水28d后質(zhì)量無較大變化，浸水28d后試件質(zhì)量基本保持不變，因此認(rèn)為浸水28d后的GCS試件達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 超聲波波速對(duì)比直方圖Fig.3 Comparison histogram of wave velocity

圖4 波速增長率對(duì)比直方圖Fig.4 Comparison histogram of the growth of wave velocity

圖3為GCS浸水前后超聲波波速對(duì)比直方圖，圖4為波速增長率對(duì)比直方圖?？梢钥闯觯c干燥試件相比，穿過GCS的超聲波波速明顯增大，所測(cè)五組試件的平均波速由浸水前的4224m/s增至浸水后的4997m/s，波速增長率在15%～20%之間。由于試件長期浸水達(dá)到飽和，水分填滿試件內(nèi)部的非封閉空隙，使得試件更加密實(shí)，因此超聲波波速顯著增大。

3.2 基本靜態(tài)力學(xué)性能分析

圖5 抗壓強(qiáng)度變化圖Fig.5 Variation of compressive strength

圖6 劈拉強(qiáng)度變化圖Fig.6 Variation of splitting tensile strength

圖7 抗折強(qiáng)度變化圖Fig.7 Variation of flexural strength

圖5～圖7分別為GCS與GCN抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度的變化圖?？梢钥闯觯?/p>

(1)GC試件各項(xiàng)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)值均有一定程度的離散，經(jīng)計(jì)算，各數(shù)值均在整體數(shù)據(jù)均值±15%范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果有效[14]；

(2)飽水后，GC材料的靜態(tài)力學(xué)性能明顯劣化，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的降低。GCN的抗壓強(qiáng)度平均值、劈拉強(qiáng)度平均值以及抗折強(qiáng)度平均值分別為54.1MPa、4.43MPa和8.1MPa，而GCS的抗壓強(qiáng)度平均值、劈拉強(qiáng)度平均值以及抗折強(qiáng)度平均值則分別為47.6MPa、3.67MPa和6.2MPa，分別降低了12.0%、17.2%和23.0%。研究表明，飽水狀態(tài)對(duì)普通硅酸鹽混凝土材料也有相似的劣化影響[16-17]。

3.3 機(jī)理分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，浸入混凝土的孔隙水是引起GC靜態(tài)力學(xué)性能變化的主要因素，下面針對(duì)孔隙水對(duì)GC材料性能的影響進(jìn)行分析。

根據(jù)Griffith斷裂力學(xué)理論[18]，在靜荷載作用下，GC材料內(nèi)部應(yīng)變能逐漸累積增大，當(dāng)達(dá)到某一極限值時(shí)，絕大部分應(yīng)變能以表面能的形式釋放，致使裂縫起裂、擴(kuò)展直至試件破壞，因此，裂縫的形成發(fā)展需要不斷克服材料的表面能。根據(jù)楊氏方程[19]，固-液面處的表面能可以表示為：

γs1=γs-γ1cosθ

(1)

式中：γs1為固-液面處的表面能，γs為干燥固體的表面能，γ1為飽和液體的表面能，θ為固體與液體的接觸角。由式(1)可知，當(dāng)試件浸水后，水填充試件的非封閉空隙， 值增大，因?yàn)镚C是一種親水材料，所以 值可近似取0[19]，從而 值減小，即固-液面處的表面能減小，致使在相同靜力荷載下，材料內(nèi)部更容易形成和發(fā)展裂縫，最終導(dǎo)致材料性能的劣化。因此認(rèn)為，材料表面能因水浸入而降低是導(dǎo)致飽水GC混凝土靜態(tài)力學(xué)性能下降的主要因素。

4 結(jié) 論

(1)GC材料隨著水分浸入質(zhì)量逐漸增大，吸水速率隨著浸水時(shí)間的增加而明顯降低，試件在浸水28d后基本達(dá)到飽和狀態(tài)。與干燥試件相比，穿過飽水試件的超聲波波速增長明顯；

(2)浸水飽和狀態(tài)對(duì)GC材料的靜態(tài)力學(xué)性能有明顯的負(fù)面影響，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的降低；

(3)材料表面能因水的浸入而降低是飽水GC靜態(tài)力學(xué)性能下降的主要因素。同時(shí)，飽水狀態(tài)會(huì)加劇混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部過渡區(qū)的應(yīng)力集中，對(duì)強(qiáng)度有一定的不利影響；

(4)為保證水工結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，在設(shè)計(jì)計(jì)算、監(jiān)測(cè)和評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮飽水對(duì)GC材料的劣化作用。

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Basic Properties of Water Saturated Geopolymeric Concrete

WANG Yu-xian1,XU Jin-yu1,2,YIN Yue-gang3

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi'an710038,China;2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi'an710072,China;3.BaseofFlightTraining,AviationUniversityofAirForce,Changchun130062,China)

ThebasicpropertiesofgeopolymericconcreteundernaturalandsaturatedstatewastestedtoclarifytheinfluenceofwatersaturationonGC.TheresultsshowthatGC'sbibulousratesignificantlyreduceswithimmersiontimeextending.Theweightgrowsfastinearlystage.Thespecimensbecomesaturatedins28d'simmergencewithanaverageweightgrowthrateof2.91%;Ultrasonicwavevelocityincreases15%-20%viasaturatedGC.ComparedwithGCundernaturalstate,thecompressivestrength,flexuralstrengthandsplittingtensilestrengthofsaturatedGCrespectivelydecreaseby12.0%,23.0%and17.2%.

geopolymericconcrete;watersaturation;flexuralstrength;splittingtensilestrength;ultrasonictesting

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078350，51208507)

王諭賢(1993-)，男，碩士研究生.主要從事防護(hù)結(jié)構(gòu)方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4237-05