王引平,王冬一
(中國航空港建設(shè)第九工程總隊(duì),四川新津611431)
無機(jī)聚合物(Geopolymer)的概念在20世紀(jì)70年代末首先由Davidovits博士提出[1]。該材料是由空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽組成。與水泥相比,無機(jī)聚合物具有更高的強(qiáng)度、更耐化學(xué)腐蝕和大氣環(huán)境侵蝕,有更好的抗凍性能、更耐高溫,并具有水泥所沒有的防火性能等。
本文提出的無機(jī)聚合物混凝土由基材、激發(fā)劑以及骨料構(gòu)成,基材主要成份為高爐礦渣和粉煤灰,激發(fā)劑包括堿性激活組份和含硅強(qiáng)化組分。課題組基于已取得的無機(jī)聚合物合成機(jī)理及膠凝材料等成果,針對不同需求,提出了滿足搶建、搶修兩種用途的無機(jī)聚合物混凝土,前者早強(qiáng)性能更突出。通過大量試驗(yàn),本文給出了礦渣用量、溶膠比、砂率和溫度等因素對無機(jī)聚合物混凝土工作性、力學(xué)指標(biāo)、抗?jié)B、抗凍、耐磨以及干縮變形、彎拉疲勞的影響分析。并采用掃描電鏡與能譜分析的方法,發(fā)現(xiàn)了其內(nèi)部無界面過渡區(qū)、膠凝產(chǎn)物密實(shí)的結(jié)構(gòu)特征,揭示了形成無機(jī)聚合物混凝土高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。課題組經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和反饋,解決了實(shí)際施工中的諸多技術(shù)問題,形成了快強(qiáng)早強(qiáng)類新材料與新技術(shù)的研究成果。
采取正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行無機(jī)聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)[2],見表1、表2。
設(shè)計(jì)的無機(jī)聚合物混凝土屬于大流動性混凝土,主要采用坍落度指標(biāo)表示工作性,同時觀察其粘聚性、保水性,綜合評價無機(jī)聚合物混凝土拌合物的工作性。混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表1 無機(jī)聚合物混凝土試驗(yàn)配合比
表2 普通水泥混凝土試驗(yàn)配合比
注:(1)普通水泥混凝土試件編號為P,無機(jī)聚合物混凝土試件編號為QJ。 (2)溶膠比:激發(fā)劑溶液質(zhì)量與礦渣的質(zhì)量比。
表3 混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果來看,無機(jī)聚合物混凝土屬于大流動性混凝土,且漿體顯得粘稠,不離析,勻質(zhì)性較好。
1.3 混凝土的力學(xué)性能
無機(jī)聚合物混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
從表4可以看出,QJ10的28 d抗折強(qiáng)度高達(dá)8.5 MPa,7 d強(qiáng)度高達(dá)7.6 MPa。而且無機(jī)聚合物混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較快,7 d抗折強(qiáng)度是28 d強(qiáng)度的88.8 %~97.6 %,其抗壓強(qiáng)度同樣具有這種規(guī)律。
彎拉疲勞試驗(yàn)試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸100 mm×100 mm×400 mm。按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行,養(yǎng)護(hù)期為90 d。采用三分點(diǎn)加載。當(dāng)應(yīng)力比s≥0.8時,加載頻率取5 Hz;當(dāng)應(yīng)力比s<0.8時,頻率取10 Hz,分別見表5和圖1。
表5 無機(jī)聚合物混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果
(a)
(b)
(c)圖1 QJ無機(jī)聚合物混凝土在各應(yīng)力水平下應(yīng)變—疲勞壽命曲線
疲勞方程:
(1)無機(jī)聚合物雙對數(shù)疲勞方程為:lgS=0.0399-0.0350 lgN
(2)等強(qiáng)度水泥混凝土雙對數(shù)疲勞方程為:lgS=0.0054-0.0373 lgN
式中:S為應(yīng)力比;N為應(yīng)力。可以看出:無機(jī)聚合物疲勞特性優(yōu)良。
采用掃描電鏡與能譜分析的方法,對無機(jī)聚合物混凝土和普通混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試,結(jié)果見圖2、圖3、圖4。
圖2 掃描電子顯微鏡
(a)
(b)
(c)圖3 普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(電鏡+EDS)
如圖3所示,普通混凝土內(nèi)部有明顯的裂縫孔隙。其過渡區(qū)中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣晶粒大且集中,比較疏松,對混凝土強(qiáng)度特別是抗折強(qiáng)度極為不利。同時疏松的過渡區(qū)對混凝土的抗凍、抗?jié)B等耐久性能也有很大的影響,為水分遷移提供通道,降低混凝土的抗凍、抗?jié)B性能。從圖4可以看到,無機(jī)聚合物混凝土內(nèi)部裂縫孔隙較少,結(jié)構(gòu)比較致密,沒有水泥混凝土那樣明顯的過渡區(qū)。礦粉顆粒在堿性溶液中解體和水化速度快,堿性激發(fā)劑大量溶解出氫氧根陰離子,單位體積內(nèi)形成大量的膠體,縮聚形成水化產(chǎn)物,水化較徹底,水化產(chǎn)物較密實(shí),其水化產(chǎn)物中除了水化硅酸鈣系統(tǒng)的水化物外,尚含有大量的堿性鋁硅酸鹽水化物和沸石型礦物。
圖4 無機(jī)聚合物混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(電鏡+EDS)
設(shè)計(jì)搶修用無機(jī)聚合物混凝土主要目標(biāo)是可快速施工、快速硬化。故設(shè)計(jì)搶修用無機(jī)聚合物混凝土為自密實(shí),4 h抗折強(qiáng)度大于3 MPa的早強(qiáng)快硬混凝土,試驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。
表6 搶修無機(jī)聚合物混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果
表7 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所配制的搶修用無機(jī)聚合物混凝土的流動性與強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
課題組通過大量試驗(yàn),研究了礦渣用量、溶膠比、砂率和溫度對無機(jī)聚合物混凝土性能的影響規(guī)律,并通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化配合比,成功配制出適用于搶修和搶建用的無機(jī)聚合物高性能混凝土。通過無機(jī)聚合物混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),其內(nèi)部無界面過渡區(qū)、膠凝產(chǎn)物密實(shí)的結(jié)構(gòu)特征,揭示了形成無機(jī)聚合物混凝土高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。
[1] J·Davidovits.Geopolymers:Inorganic polymeric new materials[J]. Therm Anal. 1991: 1611-1656
[2] 付亞偉,蔡良才,曹定國,等. 堿礦粉無機(jī)聚合物混凝土的制備及性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(4): 524-527