地質聚合物再生混凝土的制備及其力學性能★

葉 煒 黃 恩 裘煜可 謝子令

(溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

·建筑材料及應用·

地質聚合物再生混凝土的制備及其力學性能★

葉 煒 黃 恩 裘煜可 謝子令

(溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

以粉煤灰地質聚合物為膠凝材料，天然砂、碎石及再生粗骨料為集料，制備了地質聚合物再生混凝土，并探討了再生骨料取代率及養(yǎng)護條件對其抗壓強度的影響，結果表明，地質聚合物再生混凝土的強度隨再生骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，存在一個最佳的摻量；高溫養(yǎng)護能加速地質聚合物再生混凝土強度的發(fā)展，并導致峰值強度的最佳摻量向低摻量方向偏移。

地質聚合物，再生混凝土，高溫養(yǎng)護，抗壓強度

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的進程日漸加快，各種基礎設施和住宅建筑進行了更新、改造。在建設過程中，我國的砂石等資源過度開采，以至于砂石資源的短缺已經(jīng)嚴重影響我國的國家經(jīng)濟發(fā)展，與此同時，大量廢舊建筑物被拆除，從而產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。這些垃圾多被運送到郊外進行掩埋，堿性的廢渣會令大片土壤“失活”。此舉不僅要花費大量的運費，而且會給城市郊區(qū)造成二次污染。其次，堆放掩埋這些建筑垃圾又要占用大量寶貴的土地資源，當下該問題已成為城市的一大公害。如果能將這些廢棄的商品混凝土回收利用，制成再生混凝土重新運用到新的建設中，此舉不僅能緩解日漸嚴重的砂石緊缺現(xiàn)象，又使廢棄混凝土得到了妥善的安排利用，同時解決了對土地資源的污染問題，貫徹了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，再生混凝土的研究已經(jīng)成為當下混凝土的主要方向。

近年來，地質聚合物作為新型膠凝材料取代傳統(tǒng)水泥，正在廣泛應用于水泥制品、砂漿、復合板材、功能材料各個方面。Jannie S.J.van Deventer等人[1]認為地質聚合物的應用是商業(yè)和技術上的進步。而要作為新型材料投放市場，該材料應滿足足夠的強度和耐久性。Bakharev T.[2，3]，Kumaravel S等人[4]研究了地質聚合物在鈉和硫酸鎂及酸性環(huán)境下的耐久性，使用氫氧化鈉作為激發(fā)劑使得地質聚合物的強度有保證，且養(yǎng)護溫度也起著重要的作用。Bakharev T.[5]還研究了地質聚合物的熱穩(wěn)定性。地質聚合物不存在硅酸鈣的水化反應，其凝結產(chǎn)物為三維網(wǎng)絡凝膠體，相對水泥而言，與骨料聯(lián)接緊密，具有顯著的界面結合能力強的特點?？紤]這一特點，我們結合地質聚合物和廢棄的混凝土制成新型地質聚合物再生混凝土，并主要對力學性能進行了研究。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料

粉煤灰：購于溫州某電廠，其主要化學成分為質量分數(shù)為49.1%的SiO2，36.7%的Al2O3，4.96%的CaO，3.67%的Fe2O3以及1.39%含量的TiO2等。

礦渣：其成分主要為質量分數(shù)為32.3%的SiO2，37.9%的CaO，13.8%的Al2O3及2.74%的Fe2O3等。

細骨料砂子采用福建砂，其松散堆積密度為1 400 kg/m3，細度模數(shù)為2.4，級配良好的Ⅱ區(qū)中砂。天然碎石采用粗細骨料(5 mm～10 mm，40%；10 mm～20 mm，60%)搭配，篩分析結果表明搭配后級配良好，可以使集料空隙率減小，提高地質聚合物混凝土的密實性，進而提高其力學性能,而且能使地質聚合物膠凝材料包裹集料表面的潤滑層增加，使拌合物工作性能得到改善。

再生骨料：將150 mm×150 mm×150 mm的C20混凝土試塊，用鄂式破碎機進行破碎，并對破碎后的骨料的物理力學性能進行了測試分析。篩分析結果如表1所示，壓碎指標為14.3%，吸水率為6.5%，根據(jù)GB/T 25177—2010混凝土用再生粗骨料規(guī)范[6]進行判定，則該破碎再生骨料屬于5～25連續(xù)粒級，堅固性及吸水率均滿足Ⅲ類再生骨料的要求。

表1 再生骨料的篩分析結果

激發(fā)劑：采用18 mol/L的氫氧化鈉溶液與市售泡花堿，按質量比1∶3混合而成的復合激發(fā)劑，復合激發(fā)劑通常提前1 d配置，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 地質聚合物混凝土制備

基于前期的實驗結果，地質聚合物混凝土的流動性受礦粉摻量影響較大，考慮到再生骨料石粉含量以及吸水率較高，會增加激發(fā)劑的用量，為在不增加激發(fā)劑摻量的條件下盡量提高拌合物的流動性，將礦渣的摻量控制在30%，具體配比見表2。首先將砂、石骨料以及粉煤灰、礦渣等干料倒入雙臥軸混凝土攪拌機中干拌5 min，加入規(guī)定量的激發(fā)劑溶液再攪拌5 min，將拌合物裝入試模中，振動1 min成型，為防止水分散失，試樣表面覆蓋保鮮膜，為探討?zhàn)B護溫度對地質聚合物再生混凝土的強度發(fā)展的影響，將部分試樣放置在 60 ℃恒溫養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后拆模，拆模后放置在室內環(huán)境中至測試的齡期；部分試樣直接放置在室內環(huán)境，3 d后拆模并室溫條件養(yǎng)護至測試齡期(60 d)。為探討高溫養(yǎng)護是否會導致地質聚合物再生混凝土強度倒縮的現(xiàn)象，對經(jīng)60 ℃養(yǎng)護24 h，齡期分別為3 d及60 d的試樣分別進行了立方體抗壓強度測試。

表2 地質聚合物再生混凝土的配比 kg

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)護條件及再生骨料取代率對強度發(fā)展的影響

圖1給出的是養(yǎng)護條件及再生骨料取代率對地質聚合物混凝土強度的影響。如圖1中標識為“■”曲線所示，自然條件養(yǎng)護，齡期60 d的地質聚合物再生骨料混凝土的強度隨再生骨料取代率的增加出現(xiàn)先增后降的變化趨勢，在再生骨料摻量為60%時，出現(xiàn)了峰值65.4 MPa，隨后隨再生骨料摻量的進一步增加，地質聚合物再生混凝土的強度出現(xiàn)降低，在摻量為80%，減小至45.7 MPa，較摻量為0%時的62.5 MPa降低了近27%，全再生粗骨料時進一步減少至39.8 MPa，較摻量為0%的減小了36.3%。提高養(yǎng)護溫度可加快受激材料的聚合化反應，增加地質聚合物混凝土早期強度，如圖1中標識為“◆”曲線所示，經(jīng)60 ℃養(yǎng)護24 h，3 d齡期的地質聚合物再生混凝土立方抗壓強度已接近自然條件下齡期為60 d的試樣。與自然條件下養(yǎng)護的試樣類似，經(jīng)高溫條件養(yǎng)護的試樣，其強度的發(fā)展隨再生骨料摻量的增大呈現(xiàn)先增后降的趨勢，但高溫養(yǎng)護導致出現(xiàn)強度峰值的再生骨料摻量向小摻量方向偏移，出現(xiàn)在摻量為40%～60%之間。進一步對比分析可見，經(jīng)高溫養(yǎng)護的試樣，在再生骨料摻量為0%時，強度59.5 MPa，較自然養(yǎng)護試樣低4.8%左右；在取代率為40%時，高溫養(yǎng)護試樣強度達到62.5 MPa，與自然養(yǎng)護試樣的63.8 MPa相差不足2%；當取代率進一步提高至60%，高溫養(yǎng)護試樣的強度較摻量為40%的試樣有所降低，降低至60.2 MPa，略高于摻量為0%的試樣，但與自然養(yǎng)護試樣的強度偏差達到了80%；隨再生骨料取代率的進一步增大，強度呈現(xiàn)降低的趨勢，養(yǎng)護溫度帶來的強度偏差又有所降低，可見不同再生骨料摻量下試樣對高溫養(yǎng)護的響應存在一定的差別。

2.2 養(yǎng)護齡期及再生骨料取代率對強度發(fā)展的影響

圖2給出的是養(yǎng)護齡期及再生骨料取代率對地質聚合物混凝土強度的影響。如圖2中“■”曲線所示60 ℃養(yǎng)護24 h，齡期3 d的地質聚合物再生骨料混凝土的強度隨再生骨料取代率的增加出現(xiàn)先增后降的變化趨勢。在再生粗骨料摻量為40%時出現(xiàn)強度峰值62.5 MPa。隨后隨再生粗骨料的進一步增加，地質聚合物再生混凝土的強度出現(xiàn)降低，在摻量為60%，減小至60.2 MPa，較摻量為40%時的62.5 MPa，略微減小了3.8%，但仍較摻量為0時的59.5 MPa高1.18%；在摻量為80%，減小至45.2 MPa，較摻量為0%時的59.5 MPa降低了近24%，全再生粗骨料時進一步減少至36.8 MPa，較摻量為0%的減小了38.2%。增加養(yǎng)護齡期卻并不會顯著增加地質聚合物再生骨料混凝土的強度。如圖2中“◆”曲線所示，養(yǎng)護齡期為60 d的試塊強度與齡期為3 d的試塊在各再生粗骨料取代率下趨勢相差不大，強度增長不明顯。在取代率為80%時，強度為45.8 MPa，較齡期3 d的45.2 MPa增加1.33%；在全取代率時，強度為39.2 MPa，較齡期3 d的36.8 MPa增加6.5%。這說明前期經(jīng)高溫養(yǎng)護處理的試樣，其強度的發(fā)展基本完成，后期室溫條件養(yǎng)護強度增長不明顯，但齡期60 d的強度高于3 d的強度。說明在該配合比下，受激材料中礦渣的摻加沒有導致強度倒縮。

3 結語

制備了不同再生骨料取代率的地質聚合物再生骨料混凝土，對試樣進行了不同條件的前期養(yǎng)護處理，部分試樣進行了60 ℃24 h的高溫養(yǎng)護，部分試樣完全采取室內環(huán)境的自然養(yǎng)護，達到規(guī)定齡期后對試樣進行立方抗壓強度測試，結果表明：

1)地質聚合物再生混凝土的強度隨再生骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，存在一個最佳的摻量，高溫養(yǎng)護能加速地質聚合物再生混凝土強度的發(fā)展，并導致峰值強度的最佳摻量向低摻量方向偏移；

2)前期經(jīng)高溫養(yǎng)護處理的試樣，其強度的發(fā)展基本完成，后續(xù)的室溫條件養(yǎng)護強度增長不明顯，受激材料中礦渣的摻加沒有導致強度倒縮的現(xiàn)象。

[1] Jannie S.J.van Deventer,Jhon L.Provis,Peter Duxson.Technical and commerial progress in the adoption of geopolymer cement[J].Minerals Engineering,2012(29):89-104.

[2] Bakharev T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions[J].Cement and Concrete Research,2005(35):1233-1246.

[3] Bakharev T.Resistance of geopolymer materials to acid attack[J].Cement and Concrete Research,2005(35):658-670.

[4] Kumaravel S,Girija K.Acid and salt resistance of geopolymer concrete with varying concentration of NaOH[J].Journal of Engineering Research and Studies,2013,4(4):1-3.

[5] Bakharev T.Thermal behaiviour of geopolymers prepared using calss F fly ash and elevated temperature curing[J].Cement and Concrete Research,2006(36):1134-1147.

[6] GB/T 25177—2010，混凝土用再生粗骨料[S].

Preparation and mechanical properties of geopolymer recycled concrete★

Ye Wei Huang En Qiu Yuke Xie Ziling

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,UniversityofWenzhou,Wenzhou325035,China)

With the fly ash geopolymer as cementitious material, natural sand, gravel and recycled coarse aggregate as aggregate, we prepared the geopolymer recycled concrete. And we discussed the influence of recycled aggregate replacement ratio and curing conditions on the compressive strength of cubic. The results show that the geopolymer recycled concrete strength increase with the increase of recycled aggregate replacement rate and increased first then decreased. There is an optimum dosage. High temperature curing can accelerate the development strength of geopolymer recycled concrete, and lead the optimal dosage of the peak intensity shifts to the low dosage direction.

geopolymer, recycled concrete, high temperature curing, compressive strength

1009-6825(2017)02-0113-03

2016-11-06

葉 煒(1995- )，男，在讀本科生； 黃 恩(1995- )，男，在讀本科生； 裘煜可(1995- )，男，在讀本科生； 謝子令(1978- )，男，講師

TU522.35

A

★：浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目(項目編號：2015R426040)；溫州市科技計劃項目(項目編號：S20140010)