無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫性能研究進(jìn)展

于 惇

（重慶市沙坪壩區(qū)后勤工程學(xué)院, 重慶 01311）

無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫性能研究進(jìn)展

于 惇

（重慶市沙坪壩區(qū)后勤工程學(xué)院, 重慶 01311）

無(wú)機(jī)聚合物混凝土是通過(guò)堿激發(fā)將高爐礦渣或煤灰等基礎(chǔ)材料聚合而形成的一種新型硅鋁質(zhì)膠凝材料。在無(wú)機(jī)聚合物混凝土堿激發(fā)反應(yīng)中，基礎(chǔ)材料可分解出Si,Al，進(jìn)一步重新聚合形成-Si-O-Al-O-Si-或-Si-O-Si-的三維網(wǎng)狀材料[1]， 因此比較傳統(tǒng)的混凝土材料， 無(wú)機(jī)聚合物混凝土具有快硬、早強(qiáng)、環(huán)保、耐腐蝕、儲(chǔ)備方便不易變質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前材料學(xué)的一個(gè)研究重點(diǎn)方向。由于無(wú)機(jī)聚合物混凝土本身具備獨(dú)特三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這種材料在耐火性能方面優(yōu)勢(shì)更突出。有研究表明，無(wú)機(jī)聚合物混凝土的工程性能不僅更加優(yōu)良，高溫性能劣化機(jī)理也與普通混凝土有本質(zhì)上的差異[2]。本文則主要對(duì)無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫性能劣化機(jī)制、靜動(dòng)力學(xué)性能變化、以及該材料的耐火性能方面作一綜述。

1 無(wú)機(jī)聚合物凝膠高溫性能研究

膠凝體高溫性能對(duì)無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫力學(xué)性能有著較為顯著的影響，不同配方體系的膠凝體的高溫性能將決定無(wú)極聚合物混凝土的高溫性能。Kong等[3]分析發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)發(fā)生的聚合反應(yīng)是決定粉煤灰凝膠體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。對(duì)于這個(gè)體系，粉煤灰和激發(fā)劑的添加比是其強(qiáng)度和高溫性能的最主要的決定因素。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，試件的大小不同，耐高溫性能也不相同。Pan等[4]指出激發(fā)劑中陽(yáng)離子的種類和硅酸鹽的濃度、粉煤灰的構(gòu)成成分以及荷載對(duì)材料的軟化溫度都是影響粉煤灰膠凝體高溫性能的相關(guān)影響。

2 無(wú)機(jī)物聚合混凝土高溫強(qiáng)度損傷的機(jī)制

氫氧化鈣高溫下水解氧化鈣，氧化鈣冷卻后吸水生成氫氧化鈣，這一過(guò)程中材料體積的增大和原有結(jié)構(gòu)的破壞是普通混凝土強(qiáng)度受損的重要原因。而無(wú)機(jī)聚合物混凝土不含游離氫氧化鈣，其具備三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5]，因此二者的高溫強(qiáng)度破壞機(jī)制完全不同。無(wú)機(jī)物聚合混凝土內(nèi)部各組分在高溫下所發(fā)生物理化學(xué)變化是其耐高溫性能的主要決定因素[6]。一項(xiàng)對(duì)礦粉粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土溫度變化和抗壓強(qiáng)度改變的研究表明，200℃以下時(shí)礦粉粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土中未反應(yīng)的鋁硅酸鹽物質(zhì)同其中的自由水發(fā)生聚合或絡(luò)合后，整體材料的結(jié)構(gòu)會(huì)更加緊實(shí)，強(qiáng)度反而提高；當(dāng)溫度達(dá)200℃時(shí)，材料中的自由水蒸發(fā)，聚合反應(yīng)停止，且自由水的蒸發(fā)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小缺陷，此時(shí)強(qiáng)度同常溫基本一致。但當(dāng)溫度超過(guò)800℃時(shí)，材料試件內(nèi)部正常結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇分解，強(qiáng)度快速下降[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)聚合物混凝土的高溫強(qiáng)度降低同其內(nèi)部孔隙壓力和物理化學(xué)變化相關(guān)外，還與各組分溫度變形系數(shù)不同有關(guān)，高溫下其骨料出現(xiàn)明顯收縮，導(dǎo)致高溫形變不均一，加之本身毛細(xì)孔隙率較低，高溫下容易發(fā)生爆裂剝蝕，并導(dǎo)致強(qiáng)度下降[8,9]。

3 無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫靜力學(xué)性能

混凝土在經(jīng)歷高溫時(shí)及高溫后的抗壓強(qiáng)度和變形能力是衡量其工程應(yīng)用價(jià)值的重要參考指標(biāo)。對(duì)無(wú)機(jī)聚合物混凝土的靜力學(xué)性能是本領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，尤其是高溫形變規(guī)律和高溫抗壓因素兩個(gè)方面。Junaid等[10]對(duì)粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土在不同恒溫時(shí)間下高溫強(qiáng)度變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)給予的恒溫時(shí)間越長(zhǎng)，試件高溫強(qiáng)度越趨于穩(wěn)定，適當(dāng)、恒定的高溫能促進(jìn)聚合反應(yīng)同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度損傷。Kong等[11]試驗(yàn)表明非恒溫高溫處理的無(wú)機(jī)聚合物混凝土殘余強(qiáng)度較恒溫高溫處理明顯下降，同時(shí)通過(guò)膨脹測(cè)試發(fā)現(xiàn)骨料和凝膠體的不協(xié)調(diào)形變是高溫強(qiáng)度損傷的原因之一。另一研究表明[12]，試件尺寸和骨料直徑也是粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫后殘余強(qiáng)度的影響因素。

4 無(wú)機(jī)聚合物混凝土高溫動(dòng)力學(xué)性能

王志坤等[13]在高溫環(huán)境下通過(guò)SHPB試驗(yàn)對(duì)高溫-沖擊耦合作用下礦渣粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了分析實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在60-130/s應(yīng)變率內(nèi)無(wú)機(jī)聚合物混凝土呈現(xiàn)留芯、碎裂、粉碎破壞的變化步驟且200℃時(shí)其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較常溫條件下是有所增加的，以后隨著溫度升高而降低。高志剛等[14]發(fā)現(xiàn)動(dòng)力荷載下無(wú)機(jī)聚合物混凝土的抗壓能力與其本身強(qiáng)度特點(diǎn)和變形能力有關(guān)，且與沖擊壓縮強(qiáng)度呈線性相關(guān)。

5 展望

無(wú)機(jī)聚合物混凝土這種新型材料在國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究，尤其是其高溫性能的研究。但是作為一種新型的工程材料，目前的研究仍不足以完全闡述其高溫特性，相信在今后的研究中將進(jìn)一步的完善，為今后更廣泛合理的應(yīng)用打下牢固的理論基礎(chǔ)。

[1]彭自強(qiáng),彭勝,李達(dá),等. 無(wú)機(jī)聚合物珊瑚礁砂混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2016,(11):92-96+104.

[2]王浩,陶俊杰,王真,等.纖維改進(jìn)聚合物混凝土性能研究[J]. 山西建筑,2016,(25):105-107.

[3]KONG DLY， SANJAYAN JG．Effect of elevated temperatures on geopolymer paste，mortar and concrete[J]．Cement and concrete research,2010， 40(2):334-339.

[4]PAN Z， SANJAYAN J G，COLLINS F．Effect of transient creep on compressive strength of geopolymer concrete for elevated temperature exposure［J］．Cement and Concrete Research，2014(56):182-189

[5]廖明輝,劉開帝. 堿激發(fā)高鈣粉煤灰地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度特性[J]. 硅酸鹽通報(bào),2015,(08):2167-2170+2176.

[6]冉坤. 無(wú)機(jī)礦物聚合物混凝土氯離子滲透性的研究[J]. 山西建筑,2015,(23):107-108.

[7]劉樂(lè)平,賀艷,何立平,等.粉煤灰基地質(zhì)聚合物/水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,(07):9-12.

[8]黃琪,石宵爽,王清遠(yuǎn),等.再生粗骨料對(duì)粉煤灰基地聚物混凝土碳化性能的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào),2015,(05):1264-1269+1281.

[9]陳士堃. 偏高嶺土基地聚合物基礎(chǔ)力學(xué)性能與影響因素研究[D].浙江大學(xué),2015.

[10]JUNAID MT，KHENNANE A， KAYALI O，et al．Aspects of the deformational behaviour of alkali activated fly ash concrete at elevated temperatures［J］．Cement and ConcreteResearch，2014,60:24-29

[11]KUPWADE K． Multi-scale modeling and experimental investigations of geopolymeric gels at elevated temperatures[J].Computers ＆ Structures， 2013， 122(6) :164-177．

[12]任韋波,許金余,白二雷,等. 高溫后陶瓷纖維增強(qiáng)地聚物混凝土性能與聲學(xué)損傷的關(guān)系[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào),2014,(03):13-19.

[13]王志坤,許金余,任韋波,等.高溫下地聚合物混凝土損傷演化及動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型研究[J]. 振動(dòng)與沖擊,2016,(02):110-115.

[14]高志剛,許金余,白二雷. 溫度對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土吸能特性的影響研究[J].混凝土,2013,(03):10-13+17.

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姓名：于惇（1993-08）；性別：男，籍貫：山東省萊陽(yáng)人，學(xué)歷：重慶市沙坪壩區(qū)后勤工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：結(jié)構(gòu)工程