地聚合物混凝土與普通混凝土交結(jié)應(yīng)用技術(shù)研究（上）

（1. 西安高科新達(dá)混凝土有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119；2. 陜西省混凝土行業(yè)協(xié)會(huì)，陜西 西安 710082）

0 前言

屹立數(shù)千年的古埃及金字塔，其良好的耐久性成為世界建筑史上的奇跡，同時(shí)也成為眾多學(xué)者的研究課題。二十世紀(jì)七十年代初，法國(guó)著名學(xué)者約瑟夫.戴維德維斯通過(guò)長(zhǎng)期的詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)在這些古建筑物質(zhì)中存在著一種硅酸鹽水泥石中所沒(méi)有的非晶體物質(zhì)，其基本結(jié)構(gòu)為無(wú)機(jī)的硅氧四面體和鋁氧四面體，形態(tài)呈網(wǎng)狀無(wú)定形無(wú)機(jī)聚合物，故稱其為地聚合物。

地聚合物作為一種新型高端材料，初經(jīng)披露就引起材料領(lǐng)域人們的高度關(guān)注。這不僅是因?yàn)樗哂辛己玫幕瘜W(xué)物理性能，更主要的是，在其廣泛的材料基礎(chǔ)上，礦渣、粉煤灰等工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢料，二次被利用的潛在價(jià)值將有可能大幅度提升。為節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)開(kāi)辟出一條更廣闊、更高端的綠色通道。

我國(guó)作為一個(gè)混凝土需求大國(guó)，對(duì)利用粉煤灰、礦渣粉生產(chǎn)地聚合物混凝土的研究，雖然起步較晚，卻也為時(shí)不短。早在二十世紀(jì)末，曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的堿礦渣水泥研究論文，在各種雜志刊物上也屢見(jiàn)不鮮。從某種意義上講，這應(yīng)是地聚合物材料研究之開(kāi)端。令人遺憾的是，眾多的研究成果，迄今尚未轉(zhuǎn)化為能夠?qū)嶋H應(yīng)用的工業(yè)產(chǎn)品。究其原因很多，但主要原因無(wú)非是，成果穩(wěn)定性差、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐、無(wú)法規(guī)政策支持。

科學(xué)研究的目的在于應(yīng)用，雖然研究成果有時(shí)不一定被及時(shí)應(yīng)用，但應(yīng)用基于成果的完滿無(wú)缺。目前地聚合物混凝土在我國(guó)尚屬研究階段，在世界范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用于真正意義上的混凝土工程也幾乎是鳳毛麟角。鑒于實(shí)際情況，本課題擬以粉煤灰、礦渣粉地聚合物混凝土為研究起點(diǎn)，并全力將其現(xiàn)有研究成果，交結(jié)到普通混凝土之中，以便在最短時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)新型技術(shù)在工程中的實(shí)際應(yīng)用。

1 目標(biāo)

1.1 粉煤灰基地聚合物混凝土技術(shù)目標(biāo)

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小時(shí)，終凝不大于 10 小時(shí)。

（3）蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度 28 天不小于 50MPa，標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度 28 天不小于 40MPa。

1.2 礦渣粉基地聚合物混凝土技術(shù)目標(biāo)

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小時(shí)。終凝不大于 10 小時(shí)。

（3）蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度 28 天不小于 70MPa，標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度 28 天不小于 60MPa。

1.3 普通混凝土與粉煤灰基地聚合物混凝土交結(jié)技術(shù)目標(biāo)

（1）粉煤灰代替水泥用量不小于 50%。

（2）混凝土所有技術(shù)指標(biāo)全部符合泵送混凝土現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）耐久性指標(biāo)滿足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 20 元/m3。

1.4 普通混凝土與礦渣粉基地聚合物交結(jié)技術(shù)目標(biāo)

（1）礦渣粉代替水泥用量不小于 60%。

（2）混凝土所有技術(shù)指標(biāo)全部符合泵送混凝土現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）耐久性指標(biāo)滿足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 15 元/m3。

2 粉煤灰基地聚合物混凝土試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

方案擬定：

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土以 C30 為基礎(chǔ)試驗(yàn)。

（2）以陜西渭河電廠正元牌粉煤灰作為膠結(jié)材料。

（3）四種水玻璃液體（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選出水玻璃最佳品種。

（4）采用當(dāng)?shù)?5～25mm 碎石，灞河中砂，均為非活性骨料。

（5）應(yīng)進(jìn)行外加劑適應(yīng)試驗(yàn)，包括萘系、羧酸。

（6）每種水玻璃新拌混凝土，應(yīng)作工作度試驗(yàn)。并成型試件 12 組（100mm×100mm×100mm），其中6 組蒸養(yǎng)，6 組標(biāo)養(yǎng)。

（7）成型試件應(yīng)在成型環(huán)境中靜養(yǎng) 48 小時(shí)方可拆模。拆模后 6 組立即進(jìn)入蒸養(yǎng)箱，6 組進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

（8）蒸養(yǎng)試件進(jìn)入蒸置箱后，應(yīng)按要求逐步升溫至 80℃，蒸養(yǎng)至 46 小時(shí)關(guān)機(jī)冷卻，2 小時(shí)后，一組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其余 5 組進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

（9）標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

（10）在優(yōu)選出最佳水玻璃品種后，進(jìn)一步進(jìn)行分等級(jí)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容及規(guī)定不變。

2.2 材料要求

（1）超細(xì)粉煤灰細(xì)度（0.045μm 篩）應(yīng)小于 1%，其它指標(biāo)應(yīng)符合Ⅰ級(jí)粉煤灰要求。

（2）水玻璃濃度一律調(diào)整為 32%，模數(shù)調(diào)整為1.2。

（3）砂、石質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）外加劑減水率要求：萘系不小于 16%，羧酸不小于 25%。

（5）調(diào)整水玻璃的水質(zhì)應(yīng)符合混凝土拌合水要求。

2.3 基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比確定

C30 混凝土基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比見(jiàn)表 1。

表1 基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比 k g/m3

2.4 粉煤灰基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果

見(jiàn)表 2。

表2 基礎(chǔ)試驗(yàn)情況說(shuō)明及抗壓強(qiáng)度匯總

2.5 粉煤灰基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表 2 的備注說(shuō)明中可以看到，用四種水玻璃液體配制的粉煤灰基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度較小，損失較大，且與萘系減水劑、羧酸減水劑均不相容。

（2）從表 2 的抗壓強(qiáng)度匯總可以看到，K 類水玻璃優(yōu)于 N 類水玻璃，KF 水玻璃優(yōu)于 KY 水玻璃。這一結(jié)論是在標(biāo)養(yǎng)試件和蒸養(yǎng)標(biāo)養(yǎng)試件抗壓強(qiáng)度中，得到的相同結(jié)論。

（3）粉煤灰基地聚合物混凝土蒸養(yǎng)后強(qiáng)度遠(yuǎn)髙與標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度，這一現(xiàn)象在各齡期對(duì)比試件中高低分明。

（4）鑒于以上幾點(diǎn)，確定在以下分級(jí)試驗(yàn)中只采用 K 類水玻璃，同時(shí)取消外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)，其它項(xiàng)目按原計(jì)劃進(jìn)行。

2.6 粉煤灰基地聚合物混凝土分級(jí)試驗(yàn)

（1）分級(jí)試驗(yàn)是在基礎(chǔ)試驗(yàn)成果上，進(jìn)一步向C40、C60 各等級(jí)粉煤灰基地聚合物混凝土試驗(yàn)的提升。

（2）分級(jí)試驗(yàn)只采用 KF、KY 兩種水玻璃，維持基礎(chǔ)試驗(yàn)中拌合溶液的相同質(zhì)量和用量。分級(jí)提升粉煤灰的用量，形成不同的液膠比，以求得不同強(qiáng)度等級(jí)。

（3）分級(jí)試驗(yàn)配合比的確定，見(jiàn)表 3。

表3 分級(jí)試驗(yàn)配合比組成 k g/m3

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表 4。

表4 分級(jí)試驗(yàn)情況說(shuō)明及抗壓強(qiáng)度匯總

（5）分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果分析

從表 4 備注說(shuō)明和抗壓強(qiáng)度匯總可以看出，在鎖定拌合液條件下，增加膠結(jié)材料無(wú)論多少，抗壓強(qiáng)度不增反減。這充分說(shuō)明，普通混凝土的恒定用水量法和鮑羅密公式，在粉煤灰基地聚合物混凝土中完全不適用。普通混凝土是水化凝結(jié)原理，鎖定用水量，實(shí)際上是鎖定了混凝土的坍落度，膠結(jié)材料的增減，是不同水膠比的需求，也就是不同強(qiáng)度等級(jí)的需求。而粉煤灰基地聚合物混凝土，是以堿金屬溶液作為拌合液，其凝結(jié)原理是，堿金屬溶液對(duì)膠結(jié)材料中硅鋁分子的溶解重組，從而形成新的無(wú)機(jī)聚合物板塊。這種強(qiáng)度基礎(chǔ)是建立在堿金屬溶液對(duì)特定粉煤灰的最佳濃度及最佳比例上，加大或減少其特定質(zhì)量指標(biāo)，均不可能獲得最佳強(qiáng)度效應(yīng)。故粉煤灰地聚合物混凝土，不宜作分級(jí)混凝土配制，只能按具體的粉煤灰品質(zhì)，通過(guò)試驗(yàn)找出最佳激發(fā)劑品種及用量，配制成唯一等級(jí)的地聚合物混凝土，這是兩種水玻璃材料得出的共同結(jié)論。

2.7 粉煤灰基地聚合物混凝土試驗(yàn)總結(jié)

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土相當(dāng)粘稠，工作度很小，損失較快，且在常溫下強(qiáng)度較低，不宜應(yīng)用于普通混凝土，更不能應(yīng)用于泵送混凝土。

（2）在科學(xué)合理的堿激發(fā)效應(yīng)下，通過(guò)蒸養(yǎng)工藝，粉煤灰基地聚合物混凝土 4d 抗壓強(qiáng)度可滿足 C40要求，28d 抗壓強(qiáng)度大于 C50。

（3）激發(fā)劑品種應(yīng)選用 K 類水玻璃，濃度為32%，模數(shù)為 1.2。粉煤灰用量不宜大于 400kg/m3。

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土，具有很強(qiáng)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但因其拌合液價(jià)格過(guò)高，使其制造成本要高于同等級(jí)的普通混凝土。從單純經(jīng)濟(jì)效益考慮，目前應(yīng)用于一般工程是得不償失的。

（5）裝配式混凝土生產(chǎn)企業(yè)，擁有蒸養(yǎng)設(shè)備及先進(jìn)成型機(jī)械，具備生產(chǎn)粉煤灰地聚合物混凝土的基本要素，關(guān)鍵是還需要政府法規(guī)及政策面的支持。

（6）粉煤灰基地聚合物混凝土，適應(yīng)于蒸養(yǎng)工藝。在特定粉煤灰品質(zhì)，激發(fā)劑品種，拌合液濃度及比例鎖定下，才能配制出唯一合理的混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

（7）本課題目標(biāo)除標(biāo)養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)未達(dá)標(biāo)，其余課題目標(biāo)均已達(dá)標(biāo)。

3 礦渣粉基地聚合物混凝土試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

方案擬定：

（1）以 C60 礦渣粉基地聚合物混凝土為基礎(chǔ)試驗(yàn)。

（2）以陜西龍鋼 S95 礦粉作為膠結(jié)材料。

（3）以四種水玻璃液體（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選出水玻璃最佳品種。

（4）采用當(dāng)?shù)?5～25mm 碎石，灞河中砂，均為非活性骨料。

（5）應(yīng)進(jìn)行外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)，萘系、羧酸。

（6）每種水玻璃新拌混凝土，應(yīng)作工作度試驗(yàn)，并成型試件 12 組（100mm×100mm×100mm）其中 6組蒸養(yǎng)，6 組標(biāo)養(yǎng)。

（7）成型試件應(yīng)在成型環(huán)境中靜置 48 小時(shí)，方可拆模，拆模后 6 組立即進(jìn)入蒸養(yǎng)箱，6 組進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

（8）蒸養(yǎng)試件進(jìn)入蒸養(yǎng)箱后，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求逐步升溫至 80℃，蒸養(yǎng) 46 小時(shí)關(guān)機(jī)冷卻，2 小時(shí)后，一組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其余 5 組進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

（9）標(biāo)養(yǎng)及蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

（10）在優(yōu)選出最佳水玻璃品種后，進(jìn)一步進(jìn)行分等級(jí)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容及規(guī)定不變。

3.2 材料要求

（1）礦渣粉表面積應(yīng)大于 400m2/kg，其它指標(biāo)應(yīng)滿足 S95 要求。

（2）水玻璃濃度一律調(diào)整為 32%，模數(shù)調(diào)整為1.2。

（3）砂、石質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）外加劑減水率萘系不小于 16%，羧酸不小于25%。其它指標(biāo)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）調(diào)整水玻璃的水質(zhì)應(yīng)符合混凝土拌合水要求。

3.3 基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比確定

見(jiàn)表 5。

表5 基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比組成 k g/m3

3.4 礦渣粉基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果

見(jiàn)表 6。

表6 基礎(chǔ)試驗(yàn)情況說(shuō)明及抗壓強(qiáng)度匯總

3.5 礦渣粉基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表 6 的備注說(shuō)明中可以看到，用四種水玻璃溶液所配制礦渣粉基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度較小，損失較快，萘系、羧酸外加劑均不能加入。

（2）從表 6 的抗壓強(qiáng)度對(duì)比中可以看到，K 類水玻璃優(yōu)于 N 類水玻璃，KY 水玻璃優(yōu)于 KF 水玻璃，這一結(jié)論是在標(biāo)養(yǎng)試件和蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件抗壓強(qiáng)度對(duì)比下得到的相同結(jié)論。

（3）礦渣粉基地聚合物混凝土，蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)髙于標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度，這一現(xiàn)象在各齡期對(duì)比試件數(shù)據(jù)中高低一目了然。

（4）無(wú)論標(biāo)養(yǎng)或蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件，KY 型礦渣粉基地聚合物混凝土，4d 抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到 C60 要求，28d均高于 C60，90d 亦均有所增長(zhǎng)。尤其是蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件，90d 抗壓強(qiáng)度已高達(dá) 90MPa 以上。

（5）鑒于以上幾點(diǎn)，確定在分級(jí)試驗(yàn)中只采用 K類水玻璃，同時(shí)取消外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)，其它項(xiàng)目按原計(jì)劃進(jìn)行。

3.6 礦渣粉基地聚合物混凝土分級(jí)試驗(yàn)

（1）分級(jí)試驗(yàn)是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成果上，進(jìn)一步向C60～C90 各等級(jí)礦渣粉基地聚合物混凝土試驗(yàn)的提升。

（2）分級(jí)試驗(yàn)只采用 KF、KY 兩種水玻璃，維持基礎(chǔ)試驗(yàn)中拌合溶液的相同質(zhì)量和用量，分級(jí)提升礦渣粉用量，形成不同程度的液膠比，以求得不同程度的強(qiáng)度效應(yīng)。

（3）分級(jí)試驗(yàn)配合比的確定，見(jiàn)表 7。

（4）礦渣粉基地聚合物混凝土分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表 8。

（5）分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果分析

分級(jí)試驗(yàn)的目的，是鎖定每立方米礦渣粉基地聚合物混凝土的拌合溶液用量，分級(jí)增加礦渣粉用量，以提升混凝土強(qiáng)度等級(jí)。從表 8 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，兩種濃度相同的水玻璃溶液，在相同用量下，礦渣粉用量從360kg/m3，增加至 560kg/m3，各等級(jí)、各齡期試件抗壓強(qiáng)度均低于 360kg/m3基準(zhǔn)試件。標(biāo)養(yǎng)與蒸養(yǎng)加標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律也相當(dāng)近似，這充分說(shuō)明，礦渣粉基地聚合物混凝土和粉煤灰基地聚合物混凝土的聚合原理大致相同，所不同的是，礦渣粉基地聚合物混凝土，在常溫下仍能產(chǎn)生較高強(qiáng)度，但這種強(qiáng)度效果，仍然受特定礦渣粉質(zhì)量，激發(fā)劑溶液品質(zhì)，相對(duì)濃度和最佳用量等等因素的約束。因而其只能配制成唯一合理的強(qiáng)度等級(jí)，分級(jí)配制基本不可能成立。

表7 分級(jí)試驗(yàn)配合比的組成 k g

表8 分級(jí)試驗(yàn)情況說(shuō)明及抗壓強(qiáng)度匯總

3.7 礦渣粉基地聚合物混凝土試驗(yàn)總結(jié)

（1）礦渣粉基地聚合物混凝土比較粘稠，工作度較小，損失極快，不宜應(yīng)用于一般混凝土工程，更不能應(yīng)用于泵送混凝土工程。

（2）在科學(xué)合理的堿激發(fā)效應(yīng)下，標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度 4d 可滿足 C50 要求，28d 可滿足 C60 要求，90d 強(qiáng)度仍有所增長(zhǎng)。通過(guò)蒸養(yǎng)工藝 4d 抗壓強(qiáng)度可滿足 C60 要求，28d 抗壓強(qiáng)度大于 C75，90d 抗壓強(qiáng)度仍在增長(zhǎng)。

（3）激發(fā)劑品種應(yīng)選用 K 類水玻璃，濃度為32%，模數(shù)為 1.2，礦渣粉用量不宜大于 360kg/m3。

（4）礦渣粉基地聚合物混凝土，具有絕對(duì)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但因其拌合溶液價(jià)格過(guò)高，幾乎全部消化了水泥與礦渣粉之差價(jià)，和普通混凝土相比較，沒(méi)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）裝配式混凝土生產(chǎn)企業(yè)，擁有蒸養(yǎng)設(shè)備及先進(jìn)的成型機(jī)械，具備生產(chǎn)礦渣粉基地聚合物的基本要素，但仍需政策和標(biāo)準(zhǔn)的支持。

（6）礦渣粉基地聚合物混凝土，只能以特定礦渣粉質(zhì)量、相應(yīng)水玻璃品種、固定濃度和固定用量，才可能配制出唯一合理的強(qiáng)度等級(jí)。

（7）本課題目標(biāo)已全部達(dá)標(biāo)。

（未完，待續(xù)）