鈣含量對低鈣粉煤灰基地聚合物混凝土性能的影響

宋熊，降雪壯，竇仲秋

（浙江交工路橋建設(shè)有限公司，浙江 杭州 313300）

0 引言

地聚合物是一種含有Si-O-Al 離子鍵與共價鍵的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠，其可通過堿溶液（氫氧化鈉、硅酸鈉等）與富含硅鋁酸鹽的前驅(qū)體（如粉煤灰）發(fā)生反應(yīng)制備得到（離子浸出、單體重構(gòu)、縮聚反應(yīng)等）[1-2]。與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥相比，地聚合物碳排放量更低、制備方便、耐久性好，還能處理一部分的工業(yè)廢料，已被廣泛應(yīng)用于道路修復、重金屬固定、航空材料制備當中。然而，低鈣地聚合物體系需要在60 ℃及以上的高溫環(huán)境下進行養(yǎng)護，制約了其在現(xiàn)澆混凝土體系內(nèi)的應(yīng)用。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用：42.5 級普通硅酸鹽水泥，比表面積為310 m2/kg；F 級低鈣粉煤灰，比表面積為360 m2/kg，具體化學成分見表1；ISO 標準砂，比重2.65 g/cm3，吸水率為1.6%；液態(tài)硅酸鈉溶液，模數(shù)為3.3，固含量為38%；固態(tài)氫氧化鈉顆粒，純度＞99%。

表1 粉煤灰和水泥的化學成分 單位：%

1.2 試驗方法

提前一天將氫氧化鈉溶解在硅酸鈉溶液中制備模數(shù)為1.2 的堿激發(fā)劑，水膠比0.4（堿激發(fā)劑不足部分由外加水補足）。水泥摻量為0%、10%、20%、30%、40%，具體配合比見表2。

表2 樣品配合比

將粉煤灰、水泥和標準砂先在攪拌機上均勻攪拌2.5 min，緩慢倒入冷卻至常溫的堿溶液，繼續(xù)攪拌5 min，得到具有凝膠特性的地聚合物砂漿。將漿體填裝至邊長150 mm 的立方體模具中并在振動臺上排除氣泡、擠壓緊密，并在樣品表面覆蓋保鮮膜防止堿溶液的蒸發(fā)。制備完畢后，將樣品移入標準養(yǎng)護箱內(nèi)（溫度為20±1 ℃，相對濕度為95%），達到待測時間后取出測樣。

依據(jù)JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，使用維卡儀測定樣品的凝結(jié)時間，利用坍落筒測定樣品流動性，立方體試塊放置于壓力機上進行抗壓強度測定（加載速度20 N/s）。利用場發(fā)射Gemini 500 型掃描電子顯微鏡（加速電壓3 kV）觀察經(jīng)抗壓強度試驗破壞得到的樣品小碎片（鍍金）。

2 結(jié)果分析

2.1 工作性

摻入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品的凝結(jié)時間與坍落度結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，地聚合物砂漿的坍落度與凝結(jié)時間都受體系內(nèi)鈣含量的影響，隨鈣含量的增加而逐漸下降。對照組C0 的坍落度可達240 mm，流動性較高，而摻入20%水泥后坍落度為140 mm。樣品的凝結(jié)時間受鈣含量的作用更為明顯，摻入外加鈣組分后，樣品的凝結(jié)時間顯著降低，摻5%水泥時，樣品的初凝和終凝時間較對照組下降54.1%與53.7%。因此，適當提高粉煤灰基地聚合物砂漿材料內(nèi)的鈣組分可改善其工作性。

圖1 不同水泥摻量下的樣品坍落度與凝結(jié)時間發(fā)展

2.2 力學性能

摻入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品的抗壓強度發(fā)展情況如圖2 所示。由圖2 可知，常溫養(yǎng)護的純粉煤灰基地聚物砂漿材料的抗壓強度較低，養(yǎng)護90 d 后達到24.4 MPa。摻入水泥材料的地聚合物材料內(nèi)部生成C-S-H 凝膠，其水化過程會產(chǎn)生熱量，導致試件內(nèi)部的固化溫度提高，進而明顯的提升樣品的抗壓強度，摻5%、10%、15%與20%的樣品28 d 抗壓強度較對照組而言分別提高69.4%、121.3%、126.4%與144.6%。不同樣品的強度發(fā)展基本一致，早期發(fā)展較快，28 d 后增長速度放緩?？偟膩碚f，水泥的摻量僅占總膠凝材料的5%時，即可獲得合適的凝結(jié)時間和較高的常溫養(yǎng)護早強。

圖2 不同水泥摻量下的樣品抗壓強度發(fā)展情況

2.3 微觀結(jié)構(gòu)特征

對樣品進行掃描電子顯微鏡分析，結(jié)果如圖3所示。可在對照組樣品C0 上發(fā)現(xiàn)較多未反應(yīng)的球狀粉煤灰顆粒。此外，還能在掃描圖中觀察到較多孔洞與細裂縫，與抗壓強度測試結(jié)果較為一致，這可能是由于養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)引起的收縮造成的。對于摻入20%水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品而言，未觀察到粉煤灰顆粒，基體的聚合度較高，結(jié)構(gòu)更為致密，且樣品表面可觀察到大量結(jié)晶相的沉淀，這也表明了樣品中水化硅鋁酸鈉凝膠（N-A-S-H）與水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）的共存。后者的強度更高，有效增強了基體的力學性能。

圖3 地聚合物試塊28 d 微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展情況（C0 與C20 組）

3 結(jié)語

文章探究了不同鈣含量下的常溫制備粉煤灰基地聚合物砂漿工序性、力學及耐久性性能的發(fā)展情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉煤灰被不同比例的水泥替代后，由于C-S-H 凝膠的生成，基體更為致密，流動性更差，砂漿的力學性能也由此得到明顯改善。