地聚合物復(fù)合水泥混凝土性能研究

摘要：通過實(shí)驗(yàn)室的試件試驗(yàn)，比較了地聚合物復(fù)合水泥(GBC)混凝土與普通混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果表明， GBC混凝土的干縮小于普通混凝土，抗裂性能高于普通混凝土。 GBC具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。 GBC混凝土比普通混凝土具有更強(qiáng)的抗氯離子擴(kuò)散性能，其水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)只有普通混凝土的17%。
關(guān)鍵詞：物理力學(xué)性能；耐久性能；氯離子擴(kuò)散系數(shù)；地聚合物復(fù)合水泥；混凝土
與普通水泥相比，地聚合物(Geopolymer)是具有更為優(yōu)異力學(xué)性能和耐久性能的新型堿激發(fā)膠凝材料。1983年，美國Lone star公司和法國地聚合物研究所聯(lián)合開發(fā)出地聚合物復(fù)合水泥( Geopolymer BlendCement，簡(jiǎn)稱為GBC) ，并申請(qǐng)了多項(xiàng)美國專利[ 1 - 3 ] 。地聚合物復(fù)合水泥由波特蘭水泥、礦渣、火山灰材料(包括粉煤灰、煅燒頁巖、煅燒土、偏高嶺土、硅粉和稻殼灰) 和激發(fā)劑組成。其砂漿4 h 抗壓強(qiáng)度可高達(dá)31.1MPa[ 1 ] 。 1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國空軍在沙特阿拉伯使用Lone star公司的Pyrament牌地聚合物復(fù)合水泥搶建軍事機(jī)場(chǎng)。截止1993年，美國50多個(gè)工業(yè)項(xiàng)目和57個(gè)軍事設(shè)施中使用了Pyrament牌地聚合物復(fù)合水泥。本文利用水泥、硅粉、粉煤灰、磨細(xì)礦渣、偏高嶺土和堿激發(fā)劑制備成地聚合物復(fù)合水泥，并研究地聚合物復(fù)合水泥混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能，以期應(yīng)用于水利工程及機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路和橋梁等交通工程的搶險(xiǎn)加固。1 地聚合物復(fù)合水泥混凝土制備

制備地聚合物復(fù)合水泥所用的原材料包括： P·O42。 5級(jí)水泥、硅粉、粉煤灰、磨細(xì)礦渣、堿激發(fā)劑，以及在650 ℃～800 ℃下煅燒高嶺土制得的偏高嶺土。按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》[ 4 ]測(cè)得粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅粉和偏高嶺土的28d活性指數(shù)分別為85.5%、108.2%、107.4%和114.1%。先將堿激發(fā)劑溶于水，并冷卻至室溫，拌合方法和普通混凝土相同。每方普通混凝土和地聚合物復(fù)合水泥混凝土的原材料用量見表1。且普通混凝土和GBC混凝土的水膠比皆為0.45。

2　GBC混凝土物理力學(xué)性能2。 1　力學(xué)性能試驗(yàn)中測(cè)得的普通混凝土和GBC混凝土齡期為28 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和靜力抗壓彈性模量見表2。可見， GBC混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度略大于普通混凝土；GBC混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量接近于普通混凝土。參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[ 5 ] ，測(cè)得的普通混凝土和GBC混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗拉彈模和極限拉伸值見表3。 GBC混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量和極限拉伸值均略小于普通混凝土。2。 2　抗裂性能參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[ 5 ]進(jìn)行混凝土干縮試驗(yàn)。混凝土成型2 d后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)5 d，測(cè)量初長(zhǎng)。然后，放入溫度控制在(20 ±2) ℃、相對(duì)濕度控制在60% ±5%的干縮室。兩種混凝土不同齡期的干縮率見圖1。可見，在所有齡期GBC混凝土的干縮率均小于普通混凝土，其60 d的干縮率為284. 8 ×10- 6 ，是普通混凝土的81.5%。抗裂系數(shù)K = (抗拉強(qiáng)度×極限拉伸值) / (干縮率×抗拉彈性模量) [ 6 ] 。抗裂系數(shù)可以表征混凝土的抗裂能力，抗裂系數(shù)大表示抗裂性能好。計(jì)算抗裂系數(shù)時(shí)，抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮率和抗拉彈性模量均采用28 d的實(shí)測(cè)值。普通混凝土的抗裂系數(shù)為0.443， GBC混凝土的抗裂系數(shù)為0.585，說明GBC混凝土具有比普通混凝土更高的抗裂性能。

3　GBC混凝土耐久性能3.1　抗硫酸鹽侵蝕3.1.1　快速試驗(yàn)法　
參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》[ 7 ]進(jìn)行GBC混凝土抗硫酸鹽侵蝕的快速試驗(yàn)。分別采用P·O42.5 級(jí)水泥、GBC和GB 標(biāo)準(zhǔn)砂制成棱柱形試件，其尺寸為10 mm ×10 mm ×60 mm，灰砂比為1： 2.5，水膠比0.45，浸入濃度為3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中的時(shí)間均為100 d。測(cè)得試件的抗折強(qiáng)度結(jié)果見表4。可見， GBC砂漿在清水和Na2 SO4 溶液中的抗折強(qiáng)度以及抗蝕系數(shù)均大于普通水泥砂漿，說明GBC比普通水泥具有更好的抗硫酸鹽侵蝕能力。3。 1。 2　測(cè)量膨脹值法　普通混凝土受到硫酸鹽侵蝕后，會(huì)產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物，引起混凝土膨脹破壞。參照國外資料[ 8 ]測(cè)量水泥砂漿試件膨脹率的方法，分別采用P·O42。 5級(jí)水泥、GBC和ISO標(biāo)準(zhǔn)砂制成試件，其尺寸為20 mm ×40 mm ×160 mm，灰砂比為1：3，水膠比為0.45。試件成型后1 d拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)13 d。將半數(shù)的試件放入20 ℃清水中，另外半數(shù)的試件浸入濃度為3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中，定期用醋酸中和，測(cè)量不同齡期試件的膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖2中的膨脹率為Na2 SO4 溶液中砂漿試件膨脹率減去同組清水中砂漿試件膨脹率，表示Na2 SO4 侵蝕引起的砂漿試件膨脹率。普通水泥砂漿受到Na2 SO4 侵蝕后產(chǎn)生較大的膨脹，并隨著齡期的增長(zhǎng)有較大幅度地增加， 360d其膨脹率達(dá)到0.061%；而GBC砂漿受到Na2 SO4 侵蝕后就沒有產(chǎn)生體積膨脹。試驗(yàn)結(jié)果表明， GBC砂漿沒有受到硫酸鹽的侵蝕。

3.2　抗氯離子侵蝕
3.2.1抗氯離子滲透快速試驗(yàn)　參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[ 5 ]進(jìn)行了混凝土抗氯離子滲透快速試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)定的GBC混凝土相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)為0。 59 ×10-12m2 / s，普通混凝土相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)則為3.65 ×10-12m2 / s， GBC混凝土相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為普通混凝土的16% ，說明GBC混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能優(yōu)于普通混凝土。3。 2。 2自然浸泡法　將GBC混凝土和普通混凝土制成尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm的試件各9個(gè)。試件成型后1 d拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，取出試件自然晾干。然后，將試件的5個(gè)面上涂以2層環(huán)氧樹脂，余下的一個(gè)面作為滲透面，待環(huán)氧樹脂固化后，將其放入濃度為3.5%的NaCl溶液中并密封，以防止水分蒸發(fā)，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。試件浸泡150 d后，將試件取出，用清水沖掉試件表面鹽溶液并晾干，用能嚴(yán)格控制鉆孔深度的設(shè)備進(jìn)行鉆孔取樣。從滲透面開始鉆取試件深度分別為0～5 mm， 5～10 mm， 10～20 mm，20～30 mm， 30～40 mm和40～50 mm代表試件2.5 mm， 7.5 mm， 15 mm， 25 mm， 35 mm和45 mm深度處同一層的混凝土粉末，并根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[ 9 ]測(cè)定所取混凝土粉末中的氯離子總量(見圖3)和水溶性氯離子含量(見圖4)。由圖3可見，普通混凝土試件表層的氯離子總量為0.352% ，隨著深度的增加，其氯離子總量逐漸降低，當(dāng)深度為45 mm時(shí)的氯離子總量為0.022%。 GBC混凝土表層的氯離子總量為0.258% ，為普通混凝土的73%；GBC混凝土不同深度的氯離子總量均小于同等深度的普通混凝土，且隨著深度的增加氯離子總量迅速降低。在深度為15 mm時(shí)， GBC混凝土氯離子總量就減小為0.021% ，是同等深度普通混凝土的12%。當(dāng)深度繼續(xù)增加時(shí)， GBC混凝土氯離子總量漸趨穩(wěn)定。由圖4可見，普通混凝土試件表層的水溶性氯離子含量為0.355%，隨著深度的增加，其水溶性氯離子含量逐漸降低，當(dāng)深度為45 mm時(shí)的水溶性氯離子含量就減小為0.018%。 GBC混凝土試件表層的水溶性氯離子含量為0.246%，為普通混凝土的69%；GBC混凝土不同深度的水溶性氯離子含量均小于同等深度的普通混凝土，且隨著深度的增加水溶性氯離子含量迅速降低，當(dāng)深度為15 mm時(shí)的水溶性氯離子含量就減小為0.019% ，當(dāng)深度繼續(xù)增加時(shí)， GBC混凝土的水溶性氯離子含量漸趨穩(wěn)定。在混凝土中氯離子的擴(kuò)散規(guī)律符合Fick定律。當(dāng)已知不同深度混凝土的氯離子含量，即可根據(jù)Fick第二擴(kuò)散理論計(jì)算氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)Dc。 Fick第二擴(kuò)散理論的關(guān)系式[ 10 ]為

式中：C( x， t)為在浸泡時(shí)間t、深度為x處的混凝土氯離子含量(% )；C0 為在x = 0處的混凝土的氯離子含量(% ) ；x為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散深度(m) ；Dc 為有效擴(kuò)散系數(shù)(m2 / s) ；t為氯離子擴(kuò)散時(shí)間(混凝土試件浸泡在NaCl溶液中的時(shí)間)。本文在計(jì)算混凝土氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，用混凝土試件第一層(0～5 mm)的水溶性氯離子含量作為C0 ，用(1)式計(jì)算水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)Dc ，用混凝土試件第二層(5～10 mm)和第三層(10～20 mm)的水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)的平均值作為Dc ，本試驗(yàn)中混凝土試件浸泡時(shí)間為5個(gè)月(1.296 ×107 s)。計(jì)算結(jié)果表明，普通混凝土的水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)Dc 為5.87 ×10-12 m2 / s， GBC混凝土的水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)Dc 則只有1. 00 ×10-12 m2 / s，比普通混凝土減小了83%。說明GBC混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能優(yōu)于普通混凝土。4　結(jié)　語 (1)地聚合物復(fù)合水泥混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度略大于普通混凝土，劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量則接近于普通混凝土。 (2)地聚合物復(fù)合水泥混凝土所有齡期的干縮率均小于普通混凝土，其抗裂系數(shù)大于普通混凝土，比普通混凝土具有更高的抗裂性能。 (3)地聚合物復(fù)合水泥具有較高的抗硫酸鹽侵蝕的能力，其抗蝕系數(shù)大于普通水泥，地聚合物復(fù)合水泥砂漿在硫酸鹽溶液中未產(chǎn)生膨脹。 (4)地聚合物復(fù)合水泥混凝土比普通混凝土具有更強(qiáng)的抗氯離子擴(kuò)散能力。地聚合物復(fù)合水泥混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為普通混凝土的16% ，且水溶性氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)也較小，為普通混凝土的17%。