粉煤灰基地聚物混凝土在堿環(huán)境中的裂縫演變機(jī)制研究

趙全忠 劉濤 段炎紅 李園楓 路明曉

摘 要：地聚物混凝土裂縫在特殊環(huán)境中具有特殊的演變機(jī)制，人們要優(yōu)化地聚物混凝土力學(xué)性能和耐久性能提升的技術(shù)途徑，為將來該材料在工程上應(yīng)用及推廣提供良好的技術(shù)支持。本文以粉煤灰為硅鋁質(zhì)材料，利用自制的堿性激發(fā)劑激發(fā)其潛在的膠凝性質(zhì)，制備地聚物混凝土。將預(yù)制裂縫后的地聚物混凝土置于特殊環(huán)境中，利用超聲波檢測儀和混凝土裂縫寬度測量儀檢測裂縫寬度，建立環(huán)境因素變量與地聚物混凝土裂縫演變的關(guān)系。在氫氧化鈉溶液環(huán)境下的混凝土自愈合效果試驗(yàn)中，當(dāng)試樣在pH為13的NaOH溶液中浸泡時(shí)，其強(qiáng)度、波速和強(qiáng)度恢復(fù)率增長明顯。試樣在溶液中浸泡至60 d時(shí)，強(qiáng)度恢復(fù)率可達(dá)90.4%，裂縫寬度愈合率為62.63%。

關(guān)鍵詞：地聚物;環(huán)保材料;裂縫;化學(xué)環(huán)境

中圖分類號：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0140-04

Abstract： Geopolymer concrete cracks have a special evolution mechanism in a special environment， people need to optimize the technical ways to improve the mechanical properties and durability of geopolymer concrete to provide good technical support for the application and promotion of the material in engineering in the future. In this paper， fly ash was used as a silico-alumina material， and a self-made alkaline activator was used to stimulate its potential gelling properties to prepare geopolymer concrete. The geopolymer concrete with prefabricated cracks was placed in a special environment， and the crack width was detected by the ultrasonic detector and the concrete crack width measuring instrument， and the relationship between the environmental factor variables and the evolution of the geopolymer concrete cracks was established. In the test of the self-healing effect of concrete in the sodium hydroxide solution environment， when the sample was immersed in the NaOH solution with pH 13， its strength， wave velocity and strength recovery rate increased significantly. When the sample was immersed in the solution for 60 days， the strength recovery rate could reach 90.4%， and the crack width healing rate was 62.63%.

Keywords： geopolymer;eco-friendly materials;crack;chemical environment

隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的加快和混凝土建筑結(jié)構(gòu)的普遍應(yīng)用，硅酸鹽水泥的消耗量急劇增加，然而水泥生產(chǎn)產(chǎn)生了大量的負(fù)面影響[1]?！秶鴦?wù)院關(guān)于化解產(chǎn)能嚴(yán)重過剩矛盾的指導(dǎo)意見》（國發(fā)〔2013〕41號）明確提出，化解水泥行業(yè)產(chǎn)能的嚴(yán)重過剩，加快開展建材綠色工程，強(qiáng)化環(huán)保硬約束監(jiān)督管理。為此，各方學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，其中以粉煤灰為主要原料制備的地聚物混凝土以其節(jié)能環(huán)保、快硬早強(qiáng)等特點(diǎn)獲得了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

地聚物（Geopolymer）即地質(zhì)聚合物，最早在1978年由法國科學(xué)家Joseph Davidovits提出[2]。如今，地聚物主要是指利用天然礦物或固體廢棄物與一定的激發(fā)劑混合，通過一定的制備工藝，以聚合反應(yīng)生成以硅-氧四面體與鋁-氧四面體為主要存在形式的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體[3]。對比普通硅酸鹽水泥，地聚物具備下列優(yōu)勢：一是環(huán)保，地聚物生產(chǎn)過程排放的CO2比普通硅酸鹽水泥低80%～90%[4];二是節(jié)能，地聚物生產(chǎn)能耗為普通硅酸鹽水泥的1/6～1/4[5];三是高性能，地聚物制備的混凝土具備優(yōu)異的耐火性能和耐酸堿離子性能。

同普通水泥混凝土類似，地聚物混凝土可以應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部總是存在不同程度的裂縫，環(huán)境中的離子會(huì)對混凝土進(jìn)行不同程度的侵蝕與破壞[6]。根據(jù)格里菲斯微裂縫理論[7]，如果有微裂縫存在于材料內(nèi)部，將會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)可破壞結(jié)構(gòu)。微裂縫還會(huì)成為腐蝕性離子滲透的渠道，對建筑物耐久性造成嚴(yán)重影響。

地聚物混凝土在不同環(huán)境中的裂縫演變機(jī)制與普通水泥混凝土有所不同。目前，地聚物混凝土的研究主要集中于抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能，有關(guān)地聚物混凝土裂縫演變機(jī)制的研究很少，尚未形成系統(tǒng)。本項(xiàng)目通過試驗(yàn)分析，探究地聚物混凝土在不同特殊環(huán)境中的裂縫演變機(jī)制，為地聚物混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，這對保證其在高層結(jié)構(gòu)、道路、地下工程等重要基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的安全性和耐久性具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料如表1所示，試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

1.2 試驗(yàn)流程

首先，按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）和《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006），對制備地聚物混凝土所需的粉煤灰、砂、石進(jìn)行檢驗(yàn)。利用NaOH溶液和水玻璃調(diào)配堿激發(fā)劑。將石、水泥、粉煤灰、砂和堿激發(fā)劑[8-9]依次加入攪拌機(jī)中，攪拌2～3 min，并保證拌合物的黏聚性及和易性。

采用混凝土振動(dòng)成型法，將拌合物分層裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模，并用抹刀沿試模內(nèi)壁稍加插搗，持續(xù)振動(dòng)至密實(shí)。試樣成型后，在初凝前，將試樣抹面至表面平整。將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱24 h后，脫模并編號，再將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

養(yǎng)護(hù)完成后，以超聲波波速測試儀檢測試樣波速、抗壓強(qiáng)度并預(yù)制裂縫，同時(shí)檢測預(yù)制裂縫前后的超聲波波速及殘余強(qiáng)度。將預(yù)制裂縫的試樣置于不同濃度的鹽溶液和不同酸堿度的溶液中，此外，添加水環(huán)境作為非化學(xué)環(huán)境的對比。

浸泡至規(guī)定齡期（7、14、28、60 d）后，采用超聲波法測定地聚物裂縫前后和愈合后的超聲波速，以強(qiáng)度恢復(fù)率、超聲波波速變化評價(jià)地聚物的密實(shí)程度。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)地聚物混凝土裂縫愈合前后的力學(xué)性能和裂縫寬度的檢測結(jié)果，本研究得到pH分別為7、9、11、13的NaOH溶液環(huán)境下地聚物的自愈合性能。

2.1 堿環(huán)境下混凝土損傷愈合前后的力學(xué)性能變化

在不同堿度環(huán)境下，地聚物的強(qiáng)度和強(qiáng)度恢復(fù)率如表3所示。在堿度溶液環(huán)境下，地聚合物的強(qiáng)度及其恢復(fù)率隨齡期延長的表現(xiàn)如圖1、圖2所示。

圖1為不同濃度NaOH溶液下地聚物強(qiáng)度隨齡期延長的變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同濃度的NaOH溶液環(huán)境下的地聚物試樣均有不同程度的恢復(fù)，而且NaOH溶液濃度越高，強(qiáng)度恢復(fù)越明顯;試樣的強(qiáng)度恢復(fù)效果隨期齡增加而增加;在堿度環(huán)境下，試樣的強(qiáng)度的增長速率前期較小，中期增大，后期隨齡期的延長逐漸平緩;在pH為13的溶液中浸泡60 d時(shí)，試樣強(qiáng)度恢復(fù)最為明顯，幾乎完全恢復(fù)。

延長的變化曲線

由圖2可以看出，在pH為7（水）、9、11的溶液中浸泡60 d時(shí)，試樣強(qiáng)度恢復(fù)率未達(dá)到100%，分別為59.6%、67.8%、77.6%。在pH為13的溶液中浸泡60 d時(shí)，試樣恢復(fù)效果最好，強(qiáng)度恢復(fù)率約為90.4%。

下面分析NaOH溶液環(huán)境下地聚物試樣的自愈合作用。一方面，試樣中地聚物及其摻和料硅氧四面體組成的玻璃體結(jié)構(gòu)解體，未水化和一些水化的部分在遇水后進(jìn)一步水化，產(chǎn)生新的產(chǎn)物填充裂縫[10];另一方面，離子的存在使得地聚物表面和內(nèi)部的裂縫滲透性增加，OH-離子更易滲透到裂縫中。OH-離子可以保持地聚物系統(tǒng)的堿度，確保地聚物及其水化產(chǎn)物的長期穩(wěn)定[11]。

在不同堿度NaOH溶液環(huán)境下，試樣的強(qiáng)度增長速率前期較小，中期增大，后期隨齡期的增加趨于穩(wěn)定。原因是地聚物充分水化后，pH為13時(shí)，溶液為強(qiáng)堿性[12]。在試樣外部堿度低于內(nèi)部時(shí)，內(nèi)外堿度需要一定時(shí)間才可達(dá)到平衡。當(dāng)試樣內(nèi)外堿度平衡時(shí)，OH-離子在裂縫中積聚，進(jìn)而激發(fā)地聚物顆粒進(jìn)一步水化，有利于地聚物裂縫的自愈合。

2.2 超聲波檢測地聚物損傷自愈合情況

不同堿度NaOH溶液環(huán)境下，地聚物的波速和波速恢復(fù)率如表4所示。圖3、圖4為不同堿度NaOH溶液環(huán)境下地聚物的波速與恢復(fù)率隨齡期延長的變化曲線。

由圖3可知，試樣在不同堿度NaOH溶液浸泡后具有不同程度的波速恢復(fù)，而且波速與地聚物的強(qiáng)度變化有良好的一致性;試樣波速的恢復(fù)效果隨齡期增加和溶液堿度的增大越來越明顯;在不同堿度溶液下，試樣波速的增長速率前期較小，中期增大，后期隨齡期的延長趨于平緩;在pH為13的溶液浸泡下，試樣的波速恢復(fù)效果最為明顯。

圖4為不同堿度NaOH溶液環(huán)境下地聚物波速恢復(fù)率隨齡期的變化曲線。在pH為7（水）、9、11、13的溶液中浸泡60 d時(shí)，試樣波速恢復(fù)率分別為46.4%、64.7%、79.5%、93.4%。

2.3 堿環(huán)境下地聚物損傷愈合前后的裂縫寬度變化

試樣在pH分別為7（水）、9、11、13的溶液中浸泡至60 d，愈合前后的裂縫寬度變化如表5所示。

由表5可以看出，試樣在不同堿度溶液中浸泡60 d時(shí)，裂縫有不同程度的愈合。在pH為7的溶液浸泡后，裂縫寬度愈合率僅為10.76%，愈合率極低;試樣在pH為9的NaOH溶液中浸泡，愈合率約為12.80%;試樣在pH為11的NaOH溶液中浸泡，裂縫愈合率有一定的提高，約為30.95%;試樣在pH為13的NaOH溶液浸泡后，裂縫的愈合性能最優(yōu)，裂縫愈合率約為62.63%。

通過上述不同堿度NaOH溶液浸泡前后的裂縫寬度變化可知，在一定堿度下，地聚物裂縫愈合率隨NaOH溶液堿度的增加而增加。其原因可能是在外界堿度較大時(shí)，試樣內(nèi)外堿度更容易達(dá)到平衡，更易于催化水化反應(yīng)，得到水化產(chǎn)物增多，裂縫愈合率提高。堿度提高對地聚物的自愈合有利，而且堿度越大，自愈合效果越好。

3 結(jié)論

通過對不同堿度NaOH溶液環(huán)境下粉煤灰基地聚物混凝土自愈合性能的研究，本文獲得以下結(jié)論：堿環(huán)境下的地聚物自愈合效果要優(yōu)于水環(huán)境下的自愈合效果。在pH為13的NaOH溶液下，試樣的強(qiáng)度、波速和強(qiáng)度恢復(fù)率增長最顯著。試樣浸泡60 d時(shí)，其強(qiáng)度恢復(fù)率可達(dá)90.4%，裂縫寬度愈合率為62.63%。在不同堿度NaOH溶液中，隨著浸泡齡期的增加，地聚物自愈合效果越明顯。但是，如果浸泡齡期超出一定閾值，就可能對已愈合地聚物產(chǎn)生破壞作用。在不同堿度NaOH溶液的浸泡下，試樣的自愈合速度起初較小，隨后有所增加，最終趨于平緩。

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