硫酸鹽環(huán)境對地聚合物混凝土性能的影響

王振華

（健研檢測集團有限公司）

0 引言

我國在2021 年提出了“碳達峰”和“碳中和”的目標(biāo)，并且在諸多領(lǐng)域都開展了降低碳排放的相關(guān)研究。在建筑工程中，應(yīng)用最為廣泛的水泥混凝土的需求也逐年增長，導(dǎo)致了生產(chǎn)水泥時所產(chǎn)生的二氧化碳排放量不斷增加，進而對環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。要改善現(xiàn)狀，一方面可以通過提高混凝土的耐久性來盡可能地延長使用年限；另一方面，采用低碳的膠凝材料，如地聚合物，作為新型的膠結(jié)材料來替代傳統(tǒng)的水泥混凝土。

地聚合物是由堿激發(fā)劑和高硅、鋁硅酸鹽材料(如粉煤灰、高爐礦渣和偏高嶺土)反應(yīng)生成的。Bernal 等人[1]發(fā)現(xiàn)用礦渣和粉煤灰組合制備出的地聚合物混凝土效果較好，能夠生成穩(wěn)定的C-S-H 凝膠,形成具有良好凝結(jié)性和提高強度性能的膠凝體。但是氧化鋁硅混凝土混合料在常溫養(yǎng)護下不能達到預(yù)期的使用效果，因此通過添加礦渣代替部分粉煤灰或偏高嶺土，能夠使地聚合物在自然環(huán)境中硬化，具有很好的早強效果和后期強度效果。這是由于體系中鈣質(zhì)的存在以及早期CSH 凝膠的形成引起的反應(yīng)。Skvarla 等人[2]的觀測結(jié)果表明，地聚合物混凝土具有高抗壓強度、低干縮、低徐變、與鋼筋良好的粘結(jié)性以及良好的抗酸、抗硫酸鹽和耐火性能。

地聚合物混凝土在使用過程中，使用的耐久性直接關(guān)乎構(gòu)件最終的使用壽命。而耐久性當(dāng)中，抗硫酸鹽侵蝕是一項非常重要的耐久性指標(biāo)。硅酸鹽水泥混凝土結(jié)構(gòu)暴露在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中易表現(xiàn)出劣化的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)膨脹和開裂，其原因是鈣礬石和石膏的形成，整體結(jié)構(gòu)崩解則是由于C-S-H 遭到破壞。

本試驗通過采用不同比例的粉煤灰和礦渣制備的地聚合物，并用氫氧化鈉和硅酸鈉作為活化劑，分別在溫度為（25±5）℃的常規(guī)環(huán)境條件下和硫酸鹽環(huán)境下，研究粉煤灰摻量對地質(zhì)聚合反應(yīng)、微觀結(jié)構(gòu)和強度性能的影響，采用SEM 掃描電鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進行了分析。

1 試驗

1.1 試驗材料

粉煤灰，Ⅱ級灰；粒狀高爐礦渣，S95 等級；石子，粒徑5～20mm，比重為2.67，堆積密度為1528㎏/m3，細度模數(shù)為6.45；砂，是經(jīng)過4.75mm 篩的河砂，比重為2.52，細度模數(shù)為2.87，堆積密度為1694㎏/m3；5%的硫酸鎂溶液；氫氧化鈉和硅酸鈉溶液。

1.2 試驗配合比

保持SiO2/Al2O3的比值在2 左右，分別調(diào)整礦粉和粉煤灰的摻量，并采用NaOH 和Na2SiO3溶液固定配比作為激發(fā)劑，試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比

1.3 樣品制備

在試塊制作前24 小時制備NaOH 和Na2SiO3溶液。按照配合比在攪拌鍋加入各個組分，先干混3～5 分鐘，再濕混3 分鐘。抗壓強度試驗采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體試塊。脫模后在相對溫度為(25±5)℃環(huán)境中進行養(yǎng)護。最終試驗結(jié)果應(yīng)為三個試塊強度的平均值。

1.4 測試方法

通過將試塊浸泡在5%的硫酸鎂溶液中來模擬抗硫酸鹽侵蝕環(huán)境。分別在浸泡前以及在浸泡后28d、60d、120d、180d 進行抗壓強度測定。試驗時，硫酸鎂溶液浸沒試塊，并在整個測試期間保持不變。采用SEM 對其微觀結(jié)構(gòu)進行研究，并且觀察浸泡前后的質(zhì)量變化。

2 結(jié)果和討論

2.1 外觀

在硫酸鎂溶液中浸泡180 天的測試樣品的外觀（圖1）：外觀總體上沒有出現(xiàn)很明顯的腐蝕破壞跡象，但試件表面形成了一層軟化層，局部出現(xiàn)脫落和掉角的現(xiàn)象。這表明地聚合物混凝土經(jīng)過硫酸鹽環(huán)境侵蝕后外觀只有很小的變化，并不會有嚴重的惡化。這說明硫酸鹽侵蝕對于地聚合物混凝土結(jié)構(gòu)只有輕微的影響，除了表層產(chǎn)生細微裂縫外，基體仍然能夠保持較好的結(jié)構(gòu)。

圖1 在MgSO4 溶液中浸泡180 天后的試塊外觀

2.2 重量變化

圖2 為試塊在MgSO4溶液和常規(guī)環(huán)境中養(yǎng)護180天后重量變化趨勢。在常規(guī)環(huán)境養(yǎng)護中，隨著試塊中水分的蒸發(fā)，其質(zhì)量會發(fā)生一定程度的損失，且隨著粉煤灰摻入量的增加，重量損失也會增大。

圖2 試塊在MgSO4 溶液和常規(guī)環(huán)境中養(yǎng)護180 天后重量變化趨勢

而在硫酸鎂溶液中浸泡的地聚合物試驗樣品在10%粉煤灰摻量下質(zhì)量增長百分比達到0.59%，而在50%粉煤灰摻量下質(zhì)量增長百分比增加到0.75%。質(zhì)量變化結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，地聚合物的質(zhì)量增長的百分比也在相應(yīng)增加。

2.3 抗壓強度

圖3 為常規(guī)環(huán)境養(yǎng)護下不同齡期試件的抗壓強度。所有混合料的抗壓強度均隨時間的增加而增長。這是由于地聚合物的反應(yīng)一直在進行，隨著齡期的增長形成更致密的整體，強度也在持續(xù)增加。[3]

圖3 試塊在常規(guī)環(huán)境條件下養(yǎng)護的抗壓強度

從常規(guī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：不摻加粉煤灰的對照組3d 強度為37MPa，180d 強度71MPa；粉煤灰摻量為30%時，試塊3d 強度為29MPa，180d 強度可達63MPa。表明當(dāng)粉煤灰摻量增加時，試塊的總體強度呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為在地聚合物反應(yīng)中，礦粉作為高鈣組分，能夠在激發(fā)劑的作用下形成低鈣硅比的C-(A)-S-H 凝結(jié)，反應(yīng)進程塊，強度高；而粉煤灰在激發(fā)劑的作用下，形成硅鋁膠體，反應(yīng)進程慢，強度低，因此隨著粉煤灰摻量的增加，體系強度呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖4 為試塊浸泡在硫酸鎂溶液中養(yǎng)護不同齡期的抗壓強度對比。根據(jù)圖4 可以看出，相對于常規(guī)環(huán)境條件下養(yǎng)護試塊的強度，在硫酸鎂環(huán)境中養(yǎng)護的試塊強度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，180 天的抗壓強度均低于常規(guī)環(huán)境養(yǎng)護條件下的強度。未摻加粉煤灰的試塊在180 天時強度為43MPa；30%粉煤灰摻量的強度為49MPa，表明在硫酸鹽侵蝕比較嚴重的環(huán)境中，用30%的粉煤灰替代礦渣，強度損失會更小，耐久性會更好。而在50%摻量下，強度明顯下降，可能是因為粉煤灰含量較大，導(dǎo)致初始反應(yīng)慢，造成浸泡初期結(jié)構(gòu)內(nèi)含有比較多的未被填充的空隙，使得硫酸鹽進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對整體結(jié)構(gòu)進行破壞。[4]

圖4 試塊在硫酸鎂溶液中養(yǎng)護的抗壓強度

2.4 掃描電鏡SEM

分別對30%粉煤灰未浸泡溶液的試樣和浸泡硫酸鎂溶液的試樣進行SEM 掃描電子顯微鏡的測試，測試結(jié)果見圖5、圖6。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，未浸泡硫酸鎂溶液的體系的產(chǎn)物呈現(xiàn)片狀整體狀，因此整體強度隨著齡期增加而增加。而從圖6 中可以看出，經(jīng)硫酸鹽溶液浸泡后的試塊結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了很多微小孔隙，這是由于鈣離子的遷移引發(fā)的凝膠結(jié)構(gòu)劣化。[5]但同時結(jié)構(gòu)中也分布有大量絮狀的地質(zhì)聚合物凝膠，這是由于粉煤灰的存在使得地聚合物混凝土中的SiO4和AlO4形成四面體聚合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不容易被硫酸根離子破壞，阻止了鈣離子繼續(xù)遷移，從而具有更好的抗硫酸鹽侵蝕的性能[6]；同時粉煤灰形成的地聚合物凝膠產(chǎn)物填充在礦渣產(chǎn)物被硫酸鹽溶液侵蝕而產(chǎn)生的孔隙中，使得180 天的強度出現(xiàn)了增長，表現(xiàn)出更好的抗硫酸侵蝕的能力。

圖5 30%粉煤灰未浸泡溶液180 天

圖6 30%粉煤灰硫酸鎂溶液浸泡180 天

3 結(jié)論

⑴硫酸鹽侵蝕對地聚合物混凝土外觀無明顯影響。⑵硫酸鹽溶液浸泡下，地聚合物混凝土的重量增加，且地聚合物的質(zhì)量增長的百分比也在相應(yīng)增加；而在常規(guī)環(huán)境養(yǎng)護條件下則會降低地聚合物混凝土重量。

⑶常規(guī)環(huán)境養(yǎng)護條件下，當(dāng)粉煤灰摻量增加時，試塊的總體強度呈現(xiàn)下降的趨勢；在硫酸鹽溶液環(huán)境下，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，與未摻加粉煤灰的地聚合物混凝土相比，強度損失更小，耐久性更好。