偏高嶺土基地聚合物砂漿強(qiáng)度性能研究

劉杰勝，袁雨菲，張同同，羅國(guó)煬，田 晨，石浡汛

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430000)

1 引言

地聚合物(Geopolymer)的概念最早是由法國(guó)科學(xué)家J·Davidovits在1978年提出，指受到地球化學(xué)作用而生成的硅鋁酸鹽礦物聚合物。一般地聚合物的主要材料為偏高嶺土、粉煤灰、高爐礦渣、硅灰、尾礦等物質(zhì)。過(guò)去傳統(tǒng)的水泥混凝土?xí)蚋鞣N環(huán)境條件、人為造成、材料本身等因素而面臨破壞的問(wèn)題。而地聚合物具有凝結(jié)快、強(qiáng)度高及耐久性好等多方面優(yōu)良性能, 是低成本、高性能環(huán)保型材料。地聚合物制備工藝簡(jiǎn)單，成本只有硅酸鹽水泥的60%[1]，且制備過(guò)程中CO2排放少，僅為硅酸鹽水泥的10%-20%[2]。

該研究將水泥摻量，激固比(堿激發(fā)與膠凝材料的質(zhì)量比)和砂率作為不同的變量，分別進(jìn)行試驗(yàn)，以檢測(cè)地聚合物砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度，分析地聚合物砂漿強(qiáng)度的變化規(guī)律，通過(guò)研究確定較為通用的地聚合物材料配比,在進(jìn)行道路修補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作時(shí)，采用一些便于工程實(shí)施的方法來(lái)節(jié)約施工成本。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原材料

偏高嶺土：測(cè)試均采用大同市金源高嶺土廠生產(chǎn)的偏高嶺土，其各項(xiàng)性能均符合GB/T14563-2008等有關(guān)規(guī)范的各項(xiàng)規(guī)定。

水泥：測(cè)試均采用華新水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能均符合GB175-2007等有關(guān)規(guī)范的各項(xiàng)規(guī)定。

砂：本實(shí)驗(yàn)采用中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，其各項(xiàng)性能均符合JGJ52-2006等規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

水玻璃相關(guān)參數(shù)：

二氧化硅氧化鈉鐵波美度模數(shù)26%10%0.05%383.2

氫氧化鈉：純度不小于96%。

水：為滿足試驗(yàn)規(guī)范要求的自來(lái)水。

2.2堿激發(fā)劑的制備

將水玻璃與氫氧化鈉按照一定的配比，配置不同的模數(shù)的堿性激發(fā)劑備用。由于氫氧化鈉和水玻璃混合后會(huì)釋放熱量，為了防止試塊由于溫度變化導(dǎo)致體積發(fā)生變化，將配置完成的堿性激發(fā)劑陳化24小時(shí)后再用于實(shí)驗(yàn)。

2.3地聚合物砂漿的制備

2.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

主要研究水泥摻量、激固比、膠砂比對(duì)地聚合物強(qiáng)度的影響的因素，對(duì)這三個(gè)因素分別進(jìn)行水平實(shí)驗(yàn)。水泥摻量分別為：0、10%、20%、30%、40%，激固比分別為：0.15、0.2、0.25、0.3，膠砂比為：1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75、1:2。

2.3.2配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中水灰比都為0.35，水玻璃模數(shù)2.0。

對(duì)水泥摻量研究的一組實(shí)驗(yàn)中，激固比為0.3，膠砂比為1:1

對(duì)激固比研究的一組實(shí)驗(yàn)中，水泥摻量為40%，膠砂比為1:1

對(duì)膠砂比研究的一組實(shí)驗(yàn)中，水泥摻量為40%，激固比為0.3

2.3.3實(shí)驗(yàn)方法

將水泥與偏高嶺土按預(yù)定實(shí)驗(yàn)方案放入攪拌鍋混合攪拌均勻，后加入堿激發(fā)溶液(水玻璃與氫氧化鈉的混合液體)，加入水。攪拌均勻后加入砂，充分?jǐn)嚢?。將攪拌好的砂漿裝入砂漿試模(40mm×40mm×160mm)，振搗完成后，自然條件下養(yǎng)護(hù)一天拆模，然后放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。對(duì)養(yǎng)護(hù)7天和28天的試塊進(jìn)行抗折抗壓試驗(yàn)檢測(cè)，研究強(qiáng)度的變化規(guī)律并進(jìn)行分析。

2.4測(cè)試與表征

2.4.1抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)操作：將試塊的光滑側(cè)面放在試驗(yàn)機(jī)支撐圓柱上，試塊長(zhǎng)軸垂直于支撐圓柱，試塊放好后在電腦上點(diǎn)擊復(fù)位，然后點(diǎn)擊開(kāi)始，對(duì)圓柱進(jìn)行加荷，以(50±10)N/s的速率均勻地將荷載垂直加在棱柱體相對(duì)側(cè)面上，電腦直接顯示抗折結(jié)果數(shù)據(jù)及曲線圖。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束以前，要保持試塊的潮濕狀態(tài)。其抗折強(qiáng)度f(wàn)b按以下公式計(jì)算：

fb=1.5Pl/b3

式中fb-為抗折時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，N；

l-為支撐圓柱體之間的距，mm；

b-為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng)，mm。

2.4.2抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)操作:將試塊從養(yǎng)護(hù)箱中取出后,放在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的半截棱柱體側(cè)面進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，半截棱柱體中心與壓力機(jī)壓板受壓中心差應(yīng)在±0.5 mm內(nèi)，棱柱體露在壓板外的部分約10 mm，以(2400±200)N/s的速率均勻地加荷，直至試塊破壞[3]，電腦會(huì)同時(shí)記下數(shù)據(jù)和曲線圖。其抗壓強(qiáng)度f(wàn)m,cu按以下公式計(jì)算：

fm,cu=Nu/A

式中fm,cu-為砂漿立方體所受荷載，N；

A-為受壓部分面積，mm2。

3.結(jié)果與分析

3.1水泥摻量因素

不同水泥摻量對(duì)地聚合物砂漿強(qiáng)度性能的影響如圖1至圖4所示。從圖1中可以看出，當(dāng)水泥摻量在0～40%之間時(shí)，抗折強(qiáng)度隨著水泥摻量的增多而增大，在水泥摻量為10%前和30%后，抗折強(qiáng)度隨著水泥摻量的增多增長(zhǎng)較為緩慢。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，水泥摻量在0～40%之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增多呈現(xiàn)出現(xiàn)增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，且在水泥摻量為30%的時(shí)候地聚合物砂漿的抗壓強(qiáng)度最大。綜合抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化曲線可以得出，當(dāng)水泥摻量在30%的時(shí)候，地聚合物砂漿的強(qiáng)度性能最佳。

圖1 抗折強(qiáng)度對(duì)比

圖2 抗壓強(qiáng)度對(duì)比

在地聚合物中摻入水泥后，水泥中的成分會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[3]，如：硅酸三鈣、硅酸二鈣會(huì)與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠和Ca(OH)2,減少了由于水分移動(dòng)而造成的裂縫，并且提高了體系中的堿度，加快了聚合反應(yīng)，同時(shí)生成C-S-H凝膠和地聚合物凝膠，提高了體系的密實(shí)度，從而增強(qiáng)了抗折抗壓強(qiáng)度[4]。

3.2激固比因素

不同激固比對(duì)地聚合物砂漿抗折抗壓強(qiáng)度的影響如圖3、4。從圖中可以看出，當(dāng)激固比在0.15～0.3之間時(shí)，7天和28天的抗折強(qiáng)度都在激固比為0.25時(shí)達(dá)到最大。而抗壓強(qiáng)度都在0.15～0.3之間呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)激固比為0.3時(shí)抗折強(qiáng)度最大。

圖3 抗折強(qiáng)度對(duì)比

圖4 抗壓強(qiáng)度對(duì)比

激發(fā)劑所具有的強(qiáng)堿性會(huì)有利于砂漿中成分的聚合反應(yīng), 當(dāng)激固比較低的的時(shí)候，地聚合物砂漿中沒(méi)有足夠的堿性環(huán)境使地聚合物發(fā)生反應(yīng)，而當(dāng)激固比較高時(shí)，堿激發(fā)含量過(guò)多，導(dǎo)致其有所剩余，而堿性過(guò)高會(huì)導(dǎo)致地聚合物砂漿開(kāi)裂,所以才導(dǎo)致抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)[5]。而地聚合物砂漿雖然有細(xì)小的裂紋但是產(chǎn)生的水化產(chǎn)物會(huì)形成Si-O-Al的結(jié)合體[6]，使其抗壓強(qiáng)度增加。由此可以得出：不同的激固比可以引起不同的反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)生不同的生成物，因此地聚合物砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度也就呈現(xiàn)了不同的效果。

3.3膠砂比因素

不同膠砂比對(duì)地聚合物砂漿抗折抗壓強(qiáng)度的影響如圖5、6。從圖中可以看出，當(dāng)膠砂比在1∶1～1∶2之間，膠砂比為1∶1.5時(shí)，地聚合物砂漿7天和28天的抗折抗壓強(qiáng)度都為最大值，抗折抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增長(zhǎng)都呈先增后減趨勢(shì)。

圖5 抗折強(qiáng)度對(duì)比

圖6 抗壓強(qiáng)度對(duì)比

砂在干混的地聚合物砂漿中的主要作用是作為骨架, 隨著砂的用量不斷增加,地聚合物砂漿中的粗砂對(duì)強(qiáng)度的作用會(huì)隨之增加, 地聚合物砂漿的抗壓強(qiáng)度也會(huì)不斷增大, 隨著地聚合物砂漿中砂率的繼續(xù)增加, 地聚合物中膠凝材料的含量會(huì)相對(duì)減少, 其膠凝材料的粘結(jié)力減弱，致使地聚合物砂漿強(qiáng)度隨著砂率的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)[7]。

4結(jié)論

4.1由實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水玻璃模數(shù)為2.0、水灰比為0.35的情況下，當(dāng)水泥摻量為30%、激固比為0.3、膠砂比為1∶1.5時(shí)，地聚合物砂漿的強(qiáng)度性能最佳，即此時(shí)的配合比屬于最優(yōu)配合比。

4.2與傳統(tǒng)水泥相比，偏高嶺土基地聚合物砂漿的強(qiáng)度性能優(yōu)于普通水泥，地聚合物用于建筑工程中不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且降低了二氧化碳的排放。偏高嶺土基地聚合物砂漿選取的原料循環(huán)利用了廢棄物，節(jié)約又環(huán)保，屬于綠色環(huán)保的建筑材料，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。