地聚物砂漿高溫后抗拉和粘結(jié)性能及退化機(jī)理

張海燕，曹 亮，吳 波

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州510640；2.亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣州510640)

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地聚物砂漿高溫后抗拉和粘結(jié)性能及退化機(jī)理

張海燕1,2，曹 亮1，吳 波1,2

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州510640；2.亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣州510640)

為考察地聚物砂漿在有耐高溫要求的混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的應(yīng)用可行性，開展了常溫下和高溫后地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以及地聚物砂漿與普通水泥砂漿及普通混凝土基體的粘結(jié)性能試驗(yàn)，并與普通水泥砂漿的抗拉及粘結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)比較；通過熱重分析-差示掃描量熱分析(TG-DSC)，探究了地聚物砂漿的高溫強(qiáng)度退化機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果表明：地聚物砂漿與水泥砂漿及混凝土之間的常溫粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)2.15 MPa及1.7 MPa，經(jīng)300 ℃高溫后殘余粘結(jié)強(qiáng)度仍有1.5 MPa左右，遠(yuǎn)高于普通水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；超過300 ℃以后地聚物砂漿的強(qiáng)度急劇退化，這主要是因地聚物砂漿高溫脫水、微觀結(jié)構(gòu)遭受破壞引起.基于上述試驗(yàn)結(jié)果，可將地聚物砂漿用于300 ℃以下高溫環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固.關(guān)鍵詞: 砂漿；地聚物；抗拉強(qiáng)度；粘結(jié)強(qiáng)度；高溫；強(qiáng)度退化

水泥砂漿或聚合物水泥砂漿是常用的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固材料[1]，常與鋼絲網(wǎng)、鋼絞線網(wǎng)片、纖維網(wǎng)格等材料結(jié)合[2-3]，用以加固混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件.水泥砂漿抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，但與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度較低，且水泥生產(chǎn)能耗較高，二氧化碳排放量較大，因此尋找節(jié)能環(huán)保的水泥替代品，研制非水泥基砂漿近年來成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一[4-5].

地聚物是通過堿激發(fā)礦渣、粉煤灰、偏高嶺土等硅鋁源材料而成的一種新型無機(jī)膠凝材料[6-7]，其力學(xué)性能優(yōu)異，收縮徐變小，耐高溫，抗酸堿腐蝕，且生產(chǎn)地聚物材料時(shí)的能耗和CO2排放量低，分別為生產(chǎn)水泥的1/6～1/4及1/15～1/10[8]，因此地聚物被認(rèn)為是一種綠色材料，可以在某些領(lǐng)域替代水泥或作為水泥材料的補(bǔ)充[7].已有學(xué)者對地聚物砂漿在混凝土梁加固[9]以及地下結(jié)構(gòu)和污水管道等加固領(lǐng)域[10]的應(yīng)用進(jìn)行了研究，關(guān)于地聚物砂漿材料本身的抗折和抗壓強(qiáng)度[4-5]及常溫粘結(jié)性能方面的研究也有不少[9]，但關(guān)于地聚物砂漿的高溫抗拉和粘結(jié)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還比較缺乏，而這些試驗(yàn)結(jié)果對地聚物砂漿在有耐高溫要求的混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要.

作者在前期的研究中，以粉煤灰和偏高嶺土混合物為硅鋁源材料，采用鉀水玻璃激發(fā)，制備了一種具有較高抗折和抗壓強(qiáng)度的地聚物砂漿[11].本文在此基礎(chǔ)上，對地聚物砂漿常溫下和高溫后的抗拉及粘結(jié)性能進(jìn)行研究，并通過熱重分析-差示掃描量熱分析(TG-DSC)探究地聚物砂漿的高溫強(qiáng)度退化機(jī)理.

1 試件制備及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及地聚物砂漿的制備

制備地聚物砂漿的原材料包括：平均粒徑0.032 mm的低鈣粉煤灰，煅燒溫度900 ℃、平均粒徑0.017 mm的偏高嶺土，模數(shù)2.4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的工業(yè)硅酸鉀溶液，純度95%的固體氫氧化鉀，過2.0 mm篩、細(xì)度模數(shù)2.7的中砂，自來水.偏高嶺土和粉煤灰的主要化學(xué)成分見文獻(xiàn)[11].

地聚物砂漿的制備過程如下：首先在工業(yè)硅酸鉀溶液中加入適量的固體氫氧化鉀和水配制出模數(shù)1.0、質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的硅酸鉀溶液(鉀水玻璃)，然后靜置冷卻；將粉煤灰和偏高嶺土固體粉末按質(zhì)量比1:1混合，再倒入上述配制完成的鉀水玻璃，攪拌均勻后，加入河砂，再攪拌3～5 min即可.

制備水泥砂漿和混凝土的原材料包括：石井牌P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，過2.0 mm篩、細(xì)度模數(shù)2.7的中砂，自來水，粒徑5～20 mm的碎石，聚羧酸高效減水劑.

1.2 試件制備

1.2.1 地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件的制備

為獲得較優(yōu)的地聚物砂漿配方，首先進(jìn)行不同配方的地聚物砂漿在常溫下的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).

將地聚物砂漿注入周壁涂有脫模劑的“8”字型試模中，試件尺寸見DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》[12]，然后置于砂漿振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)，以除去氣泡；接著覆蓋薄膜，置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度22 ℃，濕度95%)6 d后取出，自然晾干一天后進(jìn)行地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).

砂膠比和水膠比是影響地聚物砂漿強(qiáng)度的兩個(gè)重要因素.此外，已有研究表明，在砂漿中加入短切纖維絲可以改善砂漿的抗裂和抗拉性能[13].本文配制了8種不同配方的地聚物砂漿(GM 1～8)，每種配方澆筑3個(gè)試件，進(jìn)行常溫下的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以考察砂膠比、水膠比和短切纖維絲含量對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響.其中，短切纖維絲采用單絲直徑7.0～13 μm、抗拉強(qiáng)度3 600～3 800 MPa、長度5～6 mm的短切碳纖維絲(CF).根據(jù)常溫下的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果，選擇了纖維絲含量(CF的質(zhì)量與偏高嶺土和粉煤灰質(zhì)量和之比)不同的兩種較優(yōu)配方配制地聚物砂漿，進(jìn)行高溫后的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，每種測試溫度亦包括3個(gè)試件.地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的制備參數(shù)及高溫處理溫度見表1.

表1 試件制備參數(shù)及處理溫度

注：砂膠比=砂的質(zhì)量/(水玻璃溶質(zhì)質(zhì)量+粉煤灰和偏高嶺土固體粉末質(zhì)量)；水膠比=水玻璃溶劑的質(zhì)量/(水玻璃溶質(zhì)質(zhì)量+粉煤灰和偏高嶺土固體粉末質(zhì)量).

1.2.2 地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件的制備

制作地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件(GM-CMO)，以測試地聚物砂漿與水泥砂漿之間的粘結(jié)性能，GM-CMO試件的尺寸與地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸相同.提前制備半圓形的舊水泥砂漿試塊，在養(yǎng)護(hù)28 d后放回“8”字型模具的一個(gè)半圓內(nèi)，再在另一個(gè)半圓內(nèi)澆注新鮮地聚物砂漿.為避免拉伸過程中舊水泥砂漿內(nèi)部發(fā)生破壞，舊水泥砂漿采用高強(qiáng)水泥砂漿，按水∶水泥∶砂∶減水劑=0.31∶1∶3∶0.018的質(zhì)量比制備.根據(jù)常溫下和高溫后抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，粘結(jié)試驗(yàn)中的地聚物砂漿采用與表1中GM4試件相同的配方制備.圖1給出了GM-CMO試件的照片，其中紅色部分為地聚物砂漿，內(nèi)摻適量色粉.經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，色粉的摻入對地聚物砂漿的強(qiáng)度無顯著影響.

圖1 地聚物砂漿-水泥砂漿試件

1.2.3 地聚物砂漿-混凝土粘結(jié)試件的制備

采用地聚物砂漿粘結(jié)兩個(gè)舊混凝土塊(GM-CCO)，測試地聚物砂漿與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度.舊混凝土塊的配合比為水∶水泥∶砂∶石∶減水劑=0.31∶1∶1.5∶2.3∶0.018，地聚物砂漿的配方與GM 4試件相同.試件尺寸見DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[14]，試件照片見圖2.

圖2 地聚物砂漿-混凝土試件

為對比地聚物砂漿與普通水泥砂漿的抗拉及粘結(jié)性能，按照上述地聚物砂漿試件的制備方法，分別制作了水泥砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件(CM)、新舊水泥砂漿粘結(jié)試件(CM-CMO)以及水泥砂漿-混凝土粘結(jié)試件(CM-CCO)，其中新水泥砂漿的配比為水∶水泥∶砂=0.45∶1∶3.

1.3 試驗(yàn)方法

采用量程為20 kN的UTM5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)對上述試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以獲得地聚物砂漿和普通水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，加載速度統(tǒng)一采用2 mm/min.對需要進(jìn)行高溫處理的試件，首先將試件放入智能箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行加熱，以5 ℃/min的升溫速度加熱到目標(biāo)溫度后恒溫60 min，然后自然冷卻至室溫，接著按上述常溫下的試驗(yàn)方法進(jìn)行高溫后的拉伸試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)裝置

2 抗拉及粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果

2.1 地聚物砂漿常溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

為考察砂膠比對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響，對GM 1～3這3組試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見圖4.圖4中數(shù)據(jù)采用3個(gè)試件的平均試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)點(diǎn)上下的Ⅰ字型線表示數(shù)據(jù)的離散范圍.由圖4可看出，3種配方的地聚物砂漿均具有較高的抗拉強(qiáng)度(>3.5 MPa)，且地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度隨砂膠比的增加先增后減，其中砂膠比為3的試件(GM 2)平均抗拉強(qiáng)度最高(4.07 MPa)，強(qiáng)度離散性最小.

圖4 砂膠比對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響

地聚物砂漿試件GM 2、GM 4和GM 8用于探究水膠比對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響，圖5給出了這3組試件的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果.由圖5可知，水膠比在0.4～0.5范圍內(nèi)時(shí)，地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度隨水膠比的增大而降低.水膠比對地聚物砂漿的流動(dòng)性也有較大影響.采用跳桌試驗(yàn)測試不同水膠比下地聚物砂漿的流動(dòng)度.測試結(jié)果表明，當(dāng)水膠比分別為0.4、0.45和0.5時(shí)，地聚物砂漿的流動(dòng)度對應(yīng)為114.8、137.4和159.6 mm.相對于常規(guī)的砂漿流動(dòng)度(140～180 mm)，水膠比為0.4時(shí)的流動(dòng)度偏小較多.綜合地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度和流動(dòng)度測試結(jié)果，水膠比取0.45比較合適.

圖5 水膠比對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響

地聚物砂漿試件GM 4～7含有不同比例的短切碳纖維絲(CF)，CF摻量分別是粉煤灰和偏高嶺土固體粉末質(zhì)量和的0%、0.5%、1%和2%.這4組試件在常溫下的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖6.可以看出，添加CF對地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度有一定提高，但效果并不顯著，如當(dāng)CF摻量為2%時(shí)，地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度較無CF的砂漿僅提高了9%.這可能是因?yàn)樘祭w維絲表面光滑，當(dāng)纖維絲承擔(dān)的拉力達(dá)到一定值后纖維絲產(chǎn)生滑移，使得其強(qiáng)度得不到充分利用.

圖6 CF摻量對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的影響

2.2 地聚物砂漿高溫后抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對不同短切碳纖維絲含量的地聚物砂漿試件GM 9-12(0% CF，配方與GM 4相同)和GM 13-16(1% CF)進(jìn)行高溫處理(100、300、500和700 ℃)，冷卻后進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以考察短切碳纖維絲對地聚物砂漿高溫后抗拉強(qiáng)度的影響.圖7給出了這些試件的試驗(yàn)結(jié)果.可以看出，兩種配方的地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度在100 ℃時(shí)均有所提高，超過300 ℃以后，強(qiáng)度急劇下降，500 ℃時(shí)其抗拉強(qiáng)度僅為常溫強(qiáng)度的25%左右.盡管1% CF摻量的地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)均高于未摻入CF的地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度，但兩者的強(qiáng)度差隨溫度的升高先增后減，當(dāng)溫度超過500 ℃后兩種配方的地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度差幾乎為零.這主要是因?yàn)榈鼐畚锷皾{與CF的粘結(jié)強(qiáng)度退化以及CF自身強(qiáng)度退化引起.文獻(xiàn)[15]指出，有氧條件下，CF在500 ℃時(shí)殘余抗拉強(qiáng)度僅為常溫強(qiáng)度的29%.因此，500℃高溫后CF對地聚物砂漿抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)已很小.

圖7 地聚物砂漿和普通水泥砂漿高溫后的抗拉強(qiáng)度比較

Fig.7 Tensile strength comparison between GM and CM after exposure to elevated temperatures

由于短切碳纖維絲的摻入對地聚物砂漿常溫下和高溫后的抗拉強(qiáng)度提高作用均有限，因此在后續(xù)的粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，地聚物砂漿采用與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件GM 4相同的配方(0% CF)進(jìn)行配制.

為比較地聚物砂漿與普通水泥砂漿高溫后抗拉強(qiáng)度的差異，圖7還列出了普通水泥砂漿在常溫下、300和700 ℃高溫后的抗拉強(qiáng)度.從圖可以看出，常溫下地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度幾乎是水泥砂漿強(qiáng)度的2倍，高溫后地聚物砂漿和水泥砂漿抗拉強(qiáng)度的差異有所減小，但700 ℃高溫后地聚物砂漿仍具有更高的抗拉強(qiáng)度.

2.3 地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 破壞特征

理論上，地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件的破壞形式應(yīng)包括地聚物砂漿內(nèi)部破壞、舊水泥砂漿內(nèi)部破壞以及地聚物砂漿-水泥砂漿界面破壞.由于地聚物砂漿-水泥砂漿結(jié)合界面處于截面面積最小的部位，且地聚物砂漿和水泥砂漿(高強(qiáng)水泥砂漿)自身的抗拉強(qiáng)度較高，因此地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件在常溫下和高溫后粘結(jié)試驗(yàn)中的破壞模式基本都是界面破壞，15個(gè)試件中僅有2個(gè)試件同時(shí)出現(xiàn)了界面破壞和水泥砂漿內(nèi)部破壞的復(fù)合破壞模式(發(fā)生在常溫和500 ℃高溫后)，見圖8.新舊水泥砂漿粘結(jié)試件的破壞模式均為新舊水泥砂漿的粘結(jié)界面破壞.

圖8 地聚物砂漿-水泥砂漿試件的粘結(jié)破壞模式

2.3.2 地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度

3）廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，將各專業(yè)的信息交換變得更加規(guī)范、有序，保證上下序之間交換的數(shù)據(jù)滿足時(shí)效性和準(zhǔn)確性要求。

圖9給出了地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件(GM-CMO)、新舊水泥砂漿粘結(jié)試件(CM-CMO)在常溫下和高溫后的粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果.可以看出，GM-CMO的粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的升高先增后減，在100 ℃時(shí)達(dá)到最高(2.83 MPa)，為常溫強(qiáng)度的132%，但300 ℃和500 ℃時(shí)強(qiáng)度大幅下降，分別為常溫強(qiáng)度的68%和32%，700 ℃高溫后殘余強(qiáng)度幾乎為零.而CM-CMO的粘結(jié)強(qiáng)度則隨溫度一直下降，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于GM-CMO的強(qiáng)度，如常溫時(shí)CM-CMO的粘結(jié)強(qiáng)度僅為GM-CMO的1/2左右.

圖9 地聚物砂漿和水泥砂漿與舊水泥砂漿基體的粘結(jié)強(qiáng)度比較

Fig.9 Bond strength comparison between GM and CM bonding old cement mortar substrate

2.4 地聚物砂漿-普通混凝土粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 破壞特征

常溫下和高溫后地聚物砂漿-普通混凝土粘結(jié)試件(GM-CCO)的破壞模式與地聚物砂漿-水泥砂漿粘結(jié)試件類似，基本都是地聚物砂漿與普通混凝土的界面破壞，僅有100 ℃高溫后的地聚物砂漿-普通混凝土粘結(jié)試件出現(xiàn)了舊混凝土內(nèi)部和地聚物砂漿-混凝土界面同時(shí)破壞的復(fù)合破壞形態(tài).圖10給出了地聚物砂漿-普通混凝土粘結(jié)試件在常溫下和100 ℃高溫后的粘結(jié)破壞面.水泥砂漿-混凝土粘結(jié)試件(CM-CCO)的破壞模式均為界面破壞.

2.4.2 地聚物砂漿-混凝土粘結(jié)強(qiáng)度

圖11給出了地聚物砂漿-混凝土粘結(jié)試件(GM-CCO)、水泥砂漿-混凝土粘結(jié)試件(CM-CCO)的粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化曲線.由圖可知，GM-CCO的常溫粘結(jié)強(qiáng)度(1.7 MPa)遠(yuǎn)高于CM-CCO的粘結(jié)強(qiáng)度(0.4 MPa)，而與聚合物改性水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度(約1.6 MPa[16])接近，且在25～300 ℃范圍內(nèi)強(qiáng)度變化不大，300 ℃時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度仍有1.57 MPa，但超過300 ℃之后粘結(jié)強(qiáng)度迅速下降.

地聚物砂漿與水泥砂漿或混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于新舊水泥砂漿或水泥砂漿-混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，究其原因主要是當(dāng)?shù)鼐畚锷皾{遇到水泥砂漿后，地聚物砂漿中的硅酸鉀與界面處水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成了水化硅酸鈣，具體化學(xué)反應(yīng)過程[17]：

1)水泥中硅酸三鈣水化產(chǎn)生氫氧化鈣3CaO·SiO2+nH2O→2 CaO·SiO2·(n-1)H2O+ Ca(OH)2，

2)硅酸鉀與氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣Ca(OH)2+ K2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O+ 2KOH.

水化硅酸鈣具有較強(qiáng)凝膠性，是水泥水化的主要產(chǎn)物以及水泥硬化后強(qiáng)度形成的主要原因.在地聚物砂漿與水泥砂漿或混凝土界面生成的水化硅酸鈣，增強(qiáng)了地聚物砂漿與水泥砂漿或混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度.

圖10 地聚物砂漿-混凝土試件的粘結(jié)破壞面

圖11 地聚物砂漿和水泥砂漿與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度比較

Fig.11 Bond strength comparison between GM and CM bonding concrete substrate

3 地聚物砂漿高溫強(qiáng)度退化機(jī)理分析

比較圖7、9和11，可看到地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度、地聚物砂漿與水泥砂漿基體以及混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢基本一致，均在100 ℃時(shí)強(qiáng)度增加，300 ℃之后強(qiáng)度迅速下降，但地聚物砂漿-混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度在300 ℃以后的強(qiáng)度退化速度要低于地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度以及地聚物砂漿-水泥砂漿之間粘結(jié)強(qiáng)度的退化速度，這主要是因?yàn)榈鼐畚锷皾{-混凝土粘結(jié)試件的尺寸較大，試件內(nèi)部的溫度升高速度較緩，因此強(qiáng)度降低較慢.

地聚物砂漿在100 ℃時(shí)的強(qiáng)度提高可歸因于地聚物的進(jìn)一步地聚合反應(yīng).已有研究表明，蒸汽或高溫養(yǎng)護(hù)條件能促進(jìn)地聚物膠凝材料的地聚合反應(yīng)，且養(yǎng)護(hù)溫度為60～90 ℃時(shí)地聚合反應(yīng)程度最高[18].地聚物砂漿從常溫升至100 ℃并恒溫60 min的過程類似于蒸汽養(yǎng)護(hù)，因此地聚物砂漿經(jīng)過100 ℃的高溫處理強(qiáng)度會(huì)有所提高.

為查明地聚物砂漿經(jīng)300 ℃高溫處理后抗拉及粘結(jié)強(qiáng)度急劇退化的原因，對水膠比為0.45的地聚物凈漿粉末進(jìn)行25～800 ℃范圍內(nèi)的熱重分析-差示掃描量熱分析(TG-DSC)，TG-DSC試驗(yàn)采用NETZSCH STA449F3同步熱分析儀進(jìn)行.圖12給出了地聚物的熱重分析曲線(TG)以及熱重微分曲線(DTG).由圖12可知，地聚物在整個(gè)升溫過程中有兩個(gè)明顯的失重段，分別是25～250 ℃和450～650 ℃，其中25～250 ℃的失重量占到了總失重量的71.8%.地聚物砂漿在高溫下的重量(質(zhì)量)損失主要是因地聚物砂漿脫水引起.在25～250 ℃范圍內(nèi)，大量的自由水和吸附水汽化，并從結(jié)構(gòu)內(nèi)部向表面遷移和蒸發(fā)，地聚物砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)急劇惡化，導(dǎo)致抗拉及粘結(jié)強(qiáng)度在溫度高于300 ℃時(shí)急劇下降；當(dāng)升溫至450 ℃時(shí)，地聚物中的結(jié)晶水也開始脫出，微觀結(jié)構(gòu)受到進(jìn)一步破壞.這一點(diǎn)也可以從圖13中的DSC曲線看出.地聚物凈漿的DSC曲線在25～250 ℃以及450～800 ℃區(qū)間各出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰，前者是由于自由水和吸附水蒸發(fā)引起，后者是由于地聚物凝膠(化學(xué)式為Mn{-(SiO2)zAlO2}n·wH2O， 式中M為K或Na元素，這里為K；n,z,w為分子數(shù))脫水，生成鉀霞石(KAlSiO4)或白榴石(KAlSi2O6)所致[19].由于結(jié)晶水的失去比自由水和吸附水蒸發(fā)需要吸收更多的熱量，因此，450～800 ℃區(qū)間的吸熱峰遠(yuǎn)高于25～250 ℃區(qū)間的吸熱峰.結(jié)晶水的失去使得地聚物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步遭受嚴(yán)重破壞，因此500 ℃高溫以后，地聚物砂漿強(qiáng)度所剩無幾.此外，高溫下地聚物膠凝材料的收縮變形和砂漿中細(xì)骨料的熱膨脹變形不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致高溫后地聚物砂漿強(qiáng)度退化的另一個(gè)原因[11].

圖12 地聚物凈漿的TG和DTG曲線

圖13 地聚物凈漿的DSC曲線

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了常溫下和高溫后不同配方的地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、地聚物砂漿-水泥砂漿和地聚物砂漿-普通混凝土的粘結(jié)性能試驗(yàn)，以及地聚物的熱重分析-差示掃描量熱分析(TG-DSC)，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)?shù)鼐畚锷皾{的砂膠比為3，水膠比為0.45時(shí)，地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3.84 MPa，且流動(dòng)性較好.

2)短切碳纖維絲摻量在0～2%范圍內(nèi)時(shí)，添加短切碳纖維絲對地聚物砂漿的常溫和高溫后抗拉強(qiáng)度有一定提高，但效果不顯著.

3)地聚物砂漿的抗拉強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度均隨溫度升高先增后減，在100 ℃時(shí)達(dá)到最高，超過300 ℃以后強(qiáng)度急劇下降.

4)地聚物的TG-DSC曲線在25～250 ℃以及450～800 ℃區(qū)間存在兩個(gè)明顯失重段和吸熱峰，分別對應(yīng)地聚物中自由水、吸附水脫出和結(jié)晶水脫出，這是導(dǎo)致300 ℃以上高溫地聚物砂漿強(qiáng)度急劇退化的主要原因.

5)地聚物砂漿與普通水泥砂漿及普通混凝土之間的常溫粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)到2.15 MPa及1.7 MPa，高于試驗(yàn)用普通水泥砂漿的相應(yīng)粘結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)，經(jīng)300 ℃處理后殘余粘結(jié)強(qiáng)度仍有1.5 MPa，因此地聚物砂漿可作為修復(fù)砂漿用于300 ℃以下高溫環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)和加固.

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(編輯 趙麗瑩)

Tensile and bond properties and strength degradation mechanism of geopolymer mortar after exposure to elevated temperatures

ZHANG Haiyan1,2，CAO Liang1，WU Bo1,2

(1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2.State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science (South China University of Technology), Guangzhou 510640, China)

To investigate the feasibility of geopolymer mortar as a repair material for strengthening concrete structures in which fire resistance is one of the primary requirements, tensile strength and bond strength of geopolymer mortar on Portland cement mortar and concrete substrate were tested at ambient temperature and after exposure to elevated temperatures. Comparative tests were conducted on cement mortar specimens. Thermogravimetry and differential scanning calorimetry (TG-DSC) analysis were conducted on geopolymer paste to explore the strength degradation mechanism of geopolymer mortar at high temperatures. The results show that the bond strength of geopolymer mortar at ambient temperature on cement mortar and cement concrete substrate is 2.15 MPa and 1.7 MPa respectively, and the residual bond strength is about 1.5 MPa after exposure to 300 ℃, which is much higher than that of Portland cement mortar. When temperatures exceed 300 ℃, geopolymer mortar exhibits significant strength degradation, due to the microstructural damage induced by the dehydration of geopolymers at high temperatures. Based on the above test results, geopolymer mortar can be used as a repair material for concrete structures in high temperature environment below 300 ℃.

mortar; geopolymer；tensile strength；bond strength；elevated temperatures；strength degradation

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.018

2015-08-22

國家自然科學(xué)基金(51478195); 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2011CB013800)

張海燕(1978—)，女，博士，教授； 吳 波(1968—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師

張海燕，zhanghy@scut.edu.cn

TU502

A

0367-6234(2016)12-0128-07