低收縮地質(zhì)聚合物混凝土的配制及在海堤工程中的應(yīng)用研究

張蕓齊,劉丹萍,雷羨盈,劉炳岳,唐昀超,楊永民,3*

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510225；2. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣東廣州510225；3. 廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州，510225）

海洋工程大多遠(yuǎn)離陸地，建設(shè)過程中材料與淡水短缺并受潮汐作用影響較大，建筑物在服役過程中會(huì)遭受海水中有害離子腐蝕及臺(tái)風(fēng)、海浪等的影響。因此，根據(jù)海洋工程建設(shè)和服役特點(diǎn)，迫切需要一種抗海水腐蝕性優(yōu)良的膠凝材料［1-3］。地質(zhì)聚合物［4-6］是以燒粘土、工業(yè)廢渣為主要原料，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚?，通過化學(xué)反應(yīng)得到的一類新型無機(jī)聚合物。其與普通水泥基材料相比具有以下優(yōu)異性能：快硬快凝、早強(qiáng)高強(qiáng)和耐腐蝕，可利用潮汐間歇快速施工，而且可就地取材使用海砂做集料［7］。

地質(zhì)聚合物水化產(chǎn)物穩(wěn)定、漿體結(jié)構(gòu)致密［8］，但是由于地質(zhì)聚合物早期體積收縮較大，制約了其廣泛應(yīng)用［9-10］。地質(zhì)聚合物的化學(xué)收縮和自收縮均比硅酸鹽水泥硬化體的要大得多，對(duì)于化學(xué)收縮，有研究［11］指出礦渣基地質(zhì)聚合物的收縮大約是硅酸鹽水泥漿體的2 倍。目前國內(nèi)外減少地質(zhì)聚合物體積收縮主要有以下幾種措施：（1）通過調(diào)整地質(zhì)聚合物原材料和激發(fā)劑的配比減小收縮，如與NaOH 相比，采用水玻璃作為激發(fā)劑對(duì)地質(zhì)聚合物減少收縮的效果更明顯，且隨水玻璃模數(shù)的提高減縮效應(yīng)逐漸增強(qiáng)［12］；（2）利用減縮劑減少地質(zhì)聚合物的體積收縮，原因是減縮劑降低了硬化漿體孔中水的表面張力，導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)中毛細(xì)壓力降低，從而降低了地質(zhì)聚合物的收縮［13］；（3）在地質(zhì)聚合物中加入膨脹劑進(jìn)行補(bǔ)償收縮［14-15］，以及使用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)降低地質(zhì)聚合物的收縮［16］。由于上述這些減縮措施的作用效果有限，因此需要進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。此外，大部分收縮補(bǔ)償試驗(yàn)僅限于實(shí)驗(yàn)室，暫未見將其應(yīng)用于大體積混凝土中。

為了進(jìn)一步推廣地質(zhì)聚合物的應(yīng)用，重新設(shè)計(jì)了低收縮的地質(zhì)聚合物漿體與混凝土的配合比，將低收縮的地質(zhì)聚合物混凝土應(yīng)用于實(shí)際海堤工程中。以廣東省西港海堤為研究對(duì)象，選取1.2 km 的新建海堤，分別用低收縮地質(zhì)聚合物混凝土和普通硅酸鹽混凝土澆筑海堤面板，比較普通硅酸鹽水泥混凝土和低收縮地質(zhì)聚合物混凝土在真實(shí)海水環(huán)境中的工作性能、抗壓強(qiáng)度、混凝土內(nèi)部溫升與應(yīng)變，為地質(zhì)聚合物混凝土的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

地質(zhì)聚合物膠凝材料主要由韶鋼?；郀t礦渣（S95）、黃埔電廠粉煤灰、艾肯硅灰、固體硅酸鈉和碳酸鈉混合的激發(fā)劑及緩凝增強(qiáng)劑硼砂（Na2B4O7·10H2O）組成，其中m（韶鋼S95 礦渣）∶m（黃埔電廠II 級(jí)粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（模數(shù)為1.4 的固體硅酸鈉和碳酸鈉混合激發(fā)劑）∶m（緩凝增強(qiáng)劑硼砂）=70∶12∶5∶8∶5，在此比例下的地質(zhì)聚合物膠凝材料穩(wěn)定性最高，且物理特定性能達(dá)到最好的狀態(tài)。地質(zhì)聚合物膠凝材料的化學(xué)組成和物理力學(xué)性能分別列于表1 和表2。此外，試驗(yàn)所用材料還有珠江水泥廠生產(chǎn)的P·II42.5 水泥。韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的粒化高爐礦渣（S95）的化學(xué)組成列于表3。

表1 地質(zhì)聚合物膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of geopolymer binder

表2 地質(zhì)聚合物膠凝材料的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of geopolymer binder

表3 高爐礦渣的化學(xué)組成Table 3 Chemical compositions of GBFS

起到膨脹作用的活性MgO 由菱鎂石煅燒制備而成。菱鎂石的主要礦物組份為MgCO3，其燒失量超過50%（表4），分解溫度約為650 ℃且700 ℃下可完全分解。將粉磨至一定細(xì)度的菱鎂石分別升溫至800、900 和1000 ℃（升溫速率為10 ℃·min?1），保溫1 h，隨即爐內(nèi)冷卻，制備出的三種活性MgO 分別以MgO（60 s）、MgO（150 s）和MgO（220 s）表示。采用檸檬酸變色法（YBT 4019-2006）測(cè)定MgO 的化學(xué)活性，根據(jù)反應(yīng)變色時(shí)間衡量MgO 活性，時(shí)間越短活性越高。參考GBMF 19-2017 標(biāo)準(zhǔn)，基于反應(yīng)時(shí)間對(duì)MgO 活性進(jìn)行劃分。0~100 s 為快速型MgO，即為高活性MgO；100~200 s 為中速型MgO，即為中活性MgO；200~300 s 為低速型MgO，即為低活性MgO。

表4 菱鎂石化學(xué)組成及基本性質(zhì)Table 4 Chemical compositions and characteristics of magnesite

相比于地質(zhì)聚合物膠凝材料粉體，MgO 具有較大的比表面積和較小的顆粒粒徑（D50約為10 μm，表5），其粒徑較地質(zhì)聚合物膠凝材料（D50約為23.46 μm）的小。MgO 與地質(zhì)聚合物膠凝材料混合后可以均勻填充至地質(zhì)聚合物膠凝材料顆粒堆積的孔隙中，從而實(shí)現(xiàn)顆粒緊密堆積，為快速、均勻補(bǔ)償收縮創(chuàng)造了有利條件。

表5 不同煅燒工藝制備的MgO 粉體特性Table 5 Properties of MgO powders prepared by different calcination processes

1.2 膠凝材料凈漿配合比

以凈漿為研究對(duì)象，確定MgO 的活性搭配及摻量，后續(xù)再配制地質(zhì)聚合物混凝土。針對(duì)地質(zhì)聚合物漿體收縮較大的特點(diǎn)，擬采用活性MgO 對(duì)地質(zhì)聚合物漿體的體積收縮進(jìn)行補(bǔ)償。改變MgO 的摻量、活性，以及將不同活性的MgO 進(jìn)行搭配，與地質(zhì)聚合物膠凝材料均勻混合，按照水膠比為0.38 加水?dāng)嚢杈鶆颍刂屏鲃?dòng)度為180±20 mm），制備地質(zhì)聚合物凈漿，具體配比列于表6。

表6 膠凝材料凈漿配比數(shù)據(jù)Table 6 Data of net slurry ratio of cemelling material

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 自收縮

依據(jù)Gao 等［17］改進(jìn)的方法進(jìn)行自收縮測(cè)試。首先將漿體密封在波紋管內(nèi)，其體積變形由波紋管轉(zhuǎn)化為長度變形，通過位移傳感器將長度變形轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給電腦，最后通過采集軟件實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 50081-2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［18］，使用意大利Matest C088-01 萬能試驗(yàn)機(jī)以0.5 MPa·s?1的加載速率對(duì)邊長150 mm立方體進(jìn)行壓縮，以確定試樣的立方體抗壓強(qiáng)度fcu。每組測(cè)試三個(gè)立方體，以確保數(shù)據(jù)離散性不超過15%（每個(gè)試樣的強(qiáng)度不超過中間值的15%），并計(jì)算平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 MgO 對(duì)膠凝材料凈漿自收縮的影響

圖1 為MgO 對(duì)地質(zhì)聚合物漿體自體積收縮的影響。從圖1（a）可見：地質(zhì)聚合物漿體自收縮較大，1 天自收縮高達(dá)1500 μm·m?1，且7 天后自收縮仍有增長；隨著MgO 摻量的增加，地質(zhì)聚合物漿體自收縮逐漸降低，而且14 天后的漿體自收縮趨于平緩。當(dāng)MgO 摻量為4%時(shí)，后期（35 天后）的自收縮增大趨勢(shì)稍有增加，即MgO 對(duì)地質(zhì)聚合物漿體自收縮的補(bǔ)償能力有限；當(dāng)MgO 的摻量為6%，相比未摻MgO 地質(zhì)聚合物漿體的3 天及7 天自收縮（1237和2490 μm·m?1）分別降低65%和72%；當(dāng)MgO 的摻量為12%，齡期為3 天及7 天的地質(zhì)聚合物漿體自收縮分別降低71%和78%，說明MgO 可有效補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物漿體的自收縮。由此可知，MgO 摻量小于6%時(shí)各齡期地質(zhì)聚合物漿體的自收縮隨著MgO 摻量的提高明顯降低，當(dāng)摻量超過6%后補(bǔ)償自收縮的程度降低。

從圖1（b）可見，加入MgO 的地質(zhì)聚合物漿體自收縮均顯著降低。當(dāng)使用高活性MgO（60 s）時(shí)，地質(zhì)聚合物漿體的早期（0~14 天）自身收縮較小，但14 天后漿體的自收縮較大，最終與摻入MgO（150 s）的地質(zhì)聚合物漿體自收縮大體相同，即高活性的MgO 可有效的補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物漿體的早期自收縮；當(dāng)摻入低活性的MgO（220 s）時(shí)，地質(zhì)聚合物漿體早期（0~13 天）自身收縮較大，但可有效補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物漿體后期的自收縮。

從圖1（c）可見，不同活性搭配的MgO摻入地質(zhì)聚合物漿體中，漿體的自收縮均較小，其中MgO（60 s）和MgO（220 s）活性搭配MgO 的地質(zhì)聚合物漿體早期自收縮和后期自收縮最小。表明，可以通過搭配使用不同活性MgO，充分利用不同活性MgO 的膨脹作用，使地質(zhì)聚合物漿體的體積收縮在不同的階 段得以補(bǔ)償。

圖1 MgO 對(duì)地質(zhì)聚合物漿體自體積收縮的影響Fig.1 Effect of MgO on the autogenous shrinkage of geopolymer pastes

2.2 MgO 對(duì)地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 為MgO 活性搭配對(duì)地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度的影響。從圖2（a）可見，隨著MgO（60 s）摻量的增加，地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度（早期7 天前）均得到提高，28 天后凈漿強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)MgO 摻量為6%時(shí)地質(zhì)聚合物凈漿的抗壓強(qiáng)度（3、7 和28 天）相對(duì)未摻MgO 地質(zhì)聚合物的分別提高24.0%、30.2% 和17.1%；與MgO 摻量為8%的地質(zhì)聚合物相比，MgO 摻量為12%的地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度（28 天）降低。表明，過高的MgO 摻量對(duì)地質(zhì)聚合物凈漿的強(qiáng)度不利，應(yīng)控制MgO 摻量在4%~8%。

從圖2（b）可見：摻入活性MgO（60 s）時(shí)，地質(zhì)聚合物凈漿3 天和28 天的抗壓強(qiáng)度分別提高19.4%和12.5%；摻入活性MgO（150 s）時(shí)，其3 天及28 天的抗壓強(qiáng)度分別提高14.1%和10.1%；摻入活性MgO（220 s）時(shí)，3 天及28 天的抗壓強(qiáng)度分別提高10.5%和19.7%。表明，高活性MgO（60 s）有利于提高地質(zhì)聚合物凈漿早期（3 天）抗壓強(qiáng)度，低活性的MgO（220 s）有利于地質(zhì)聚合物凈漿后期（28天）抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。

從圖2（c）可見，采用活性MgO（60 s）和MgO（220 s）搭配使用時(shí)，凈漿的抗壓強(qiáng)度均得到顯著提升。相比未摻MgO 的地質(zhì)聚合物砂漿，3 天及28 天的抗壓強(qiáng)度分別提高18.1%和15.3%；與單摻活性MgO（60 s）的地質(zhì)聚合物相比，早期的強(qiáng)度稍有降低，但28 天后的強(qiáng)度顯著提升，與單摻6%的活性MgO（220 s）的地質(zhì)聚合物相比，早期強(qiáng)度顯著提升，但對(duì)28 天的強(qiáng)度基本無影響。表明，不同活性MgO 適宜搭配使用可以提高地質(zhì)聚合物的凈漿強(qiáng)度，且各齡期的強(qiáng)度發(fā)展更為協(xié)調(diào)。

圖2 MgO 活性搭配對(duì)地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of MgO on the compressive strength of geopolymer pastes

綜合MgO 補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物漿體體積收縮與凈漿強(qiáng)度的結(jié)果，通過對(duì)地質(zhì)聚合物（G1）摻入6%的MgO（MgO（60 s）與MgO（220 s）質(zhì)量比為1∶1）進(jìn)行補(bǔ)償，可有效減小地質(zhì)聚合物凈漿的體積收縮，獲得強(qiáng)度較高的改性地質(zhì)聚合物膠凝材料。

2.3 MgO 補(bǔ)償收縮機(jī)理

MgO 在地質(zhì)聚合物混凝土拌合物中可迅速生成大量Mg（OH）2，產(chǎn)生均勻的體積膨脹。因此，高活性的MgO 可在早齡期有效地補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物混凝土在硬化過程的自收縮。而在反應(yīng)中期，中、低活性的MgO 可在此階段生成較多的Mg（OH）2，顯著地補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物的自收縮。故采用不同活性搭配的MgO 補(bǔ)償收縮效果更佳。

3 地質(zhì)聚合物混凝土大體積應(yīng)用

選取1.2 km 的新建海堤用地質(zhì)聚合物混凝土澆筑海堤面板，并選取兩個(gè)長度大約10 m 的分隔縫進(jìn)行澆筑質(zhì)量抽檢、混凝土結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變的監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體抽芯試驗(yàn)，以驗(yàn)證地質(zhì)聚合物混凝土可應(yīng)用于海堤工程中。

3.1 原材料及配合比

惠來縣西港海堤加固達(dá)標(biāo)工程環(huán)境類別為三a類，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）［19］要求，應(yīng)采用C35 或以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，故工程應(yīng)用段采用強(qiáng)度等級(jí)為C35 的改性地質(zhì)聚合物混凝土（G35）?；炷恋脑牧喜捎脧V東揭陽當(dāng)?shù)氐奶烊缓Ｉ啊?~31.5 mm 的石灰?guī)r碎石，拌合水為自來水，碎石和海砂物理性能列于表7 和表8。制備普通混凝土（C35）時(shí)采用聚羧酸減水劑，地質(zhì)聚合物混凝土的配合比列于表9。

表7 碎石的物理性能Table 7 Physical properties of aggregate

表8 海砂的物理性能Table 8 Physical properties of sea sand

表9 海堤試驗(yàn)段中地質(zhì)聚合物及硅酸鹽水泥混凝土的配合比Table 9 Mix ratios of geopolymer and Portland cement concretes used in seawall construction

3.2 抽芯強(qiáng)度

海堤混凝土面板澆筑25 天后，對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土面板和普通混凝土面板的不同位置進(jìn)行實(shí)體抽芯，各抽取3 組9 個(gè)芯樣，切割磨平后泡水養(yǎng)護(hù)2 天，取出靜放1 天后進(jìn)行芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土面板和普通混凝土面板的芯樣進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，二者表面結(jié)構(gòu)致密，未發(fā)現(xiàn)骨料外露和蜂窩孔洞等表觀缺陷，兩種混凝土均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可見：地質(zhì)聚合物混凝土芯樣28 天的抗壓強(qiáng)度為48.1~57.0 MPa，抗壓強(qiáng)度平均值為52.8 MPa；混凝土芯樣的28 天抗壓強(qiáng)度平均值為48.8 MPa，相對(duì)較低。

圖3 地質(zhì)聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的抽芯強(qiáng)度Fig. 3 Compressive strengths of core-drilling samples of geopolymer and Portland cement concrete

3.3 溫度監(jiān)測(cè)

3.3.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

工程試驗(yàn)段地質(zhì)聚合物混凝土和普通水泥混凝土的溫度與變形監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置見圖4。海堤面板沿邊坡長5.0 m，結(jié)構(gòu)分縫長度為10.0 m，測(cè)點(diǎn)采用四個(gè)斷面布設(shè)傳感器。在斷面①，上中下位置分別布設(shè)3 根溫度傳感器，即為T1，T2 和T3；在斷面②，左右位置分別布設(shè)2 根溫度傳感器，即為T4和T5。

圖4 混凝土面板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 4 Locations of temperature measurement in seawall geopolymer concrete panel

3.3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

自混凝土澆筑開始，對(duì)試驗(yàn)段所在地的氣溫進(jìn)行記錄。工程試驗(yàn)段期間氣溫比較高（24~34 ℃），早晚溫差較大，最高溫度達(dá)38.5 ℃，最低氣溫為17.6 ℃。溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地質(zhì)聚合物混凝土在初始10 h 內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)溫度增加較快，30 h 左右溫達(dá)到峰值（各測(cè)點(diǎn)最高溫度為43~49 ℃），隨后混凝土溫度下降，齡期為120 h 左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后受氣溫影響有所波動(dòng)。在斷面①中，中間測(cè)點(diǎn)溫度最高，底部其次，上部最低；在斷面②中，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度相差不大，中間測(cè)點(diǎn)溫度最高，左右兩側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)稍低。

表10 為地質(zhì)聚合物混凝土澆筑及監(jiān)測(cè)期間的最大溫度。由表10 可知，地質(zhì)聚合物混凝土測(cè)點(diǎn)溫度較普通混凝土相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度低，其中T1測(cè)點(diǎn)的最高溫度低于53 ℃。普通混凝土測(cè)點(diǎn)溫度和地質(zhì)聚合物混凝土測(cè)點(diǎn)溫度類似，即中間測(cè)點(diǎn)溫度最高，左右和上下溫度測(cè)點(diǎn)較低，上部溫度測(cè)點(diǎn)溫度最低，各測(cè)點(diǎn)的溫度在43~53 ℃范圍內(nèi)。按照大體積混凝土施工規(guī)范（GB 50496-2018）［20］要求，混凝土模內(nèi)溫升值不宜大于50 ℃，內(nèi)外溫差不宜大于25 ℃。溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地質(zhì)聚合物混凝土與普通水泥混凝土相比，地質(zhì)聚合物混凝土溫升和內(nèi)外溫差均較小，開裂風(fēng)險(xiǎn)低。

表10 地質(zhì)聚合物混凝土澆筑及監(jiān)測(cè)期間的最大溫度Table 10 Maximum temperatures of sea wall geopolymer concrete during casting and monitoring stages /℃

4 結(jié)論

（1）MgO 在地質(zhì)聚合物漿體中可以補(bǔ)償?shù)刭|(zhì)聚合物的體積收縮。采用低活性MgO（220 s）和高活性MgO（60 s）搭配，可以起到協(xié)調(diào)改善地質(zhì)聚合物早期和后期體積收縮的效果。在地質(zhì)聚合物中摻入6%的MgO，即MgO（60 s）與MgO（220 s）質(zhì)量比為1∶1，可得到體積收縮較小及滿足實(shí)際工程需要的地質(zhì)聚合物。

（2）不同活性搭配的MgO 補(bǔ)償收縮效果更佳，不同活性搭配的MgO 可在地質(zhì)聚合物混凝土整個(gè)硬化期間持續(xù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償收縮。

（3）將海砂制備的地質(zhì)聚合物混凝土應(yīng)用于1.2 km 的新建海堤中，工程試驗(yàn)結(jié)果表明地質(zhì)聚合物混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，均值為50.1 MPa。工程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地質(zhì)聚合物混凝土最大溫升為48 ℃，較普通混凝土最大溫升低了4 ℃左右，地質(zhì)聚合物混凝土具有較低的開裂風(fēng)險(xiǎn)。