養(yǎng)護方式對地聚物混凝土基本力學性能的影響

文 甜

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

地聚物混凝土是一種綠色環(huán)保的高性能混凝土，應用前景廣泛，有望成為水泥混凝土的替代物。在前期的相關研究中，主要集中于材料的配合比、組分、摻量等的影響以及反應機理研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護條件對其性能及聚合反應均有較大影響。前期針對養(yǎng)護條件的研究多是基于某一種配合比、單前體膠凝材料的地聚物混凝土進行，且聚焦于養(yǎng)護溫度和時間長短對抗壓強度的影響[1]。研究表明養(yǎng)護溫度對低鈣型地聚物的強度增長非常重要，高溫養(yǎng)護可提高其抗壓強度[2-4]，并在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性增長的關系，試驗表明最佳高溫范圍為40～85 ℃[5-8]，進一步提高養(yǎng)護溫度會導致試樣表面產(chǎn)生微裂紋，進而導致抗壓強度有所下降[2]，且強度增長在高溫養(yǎng)護24 h內(nèi)基本完成[3]。也有研究表明隨著養(yǎng)護溫度的升高和高溫時間的延長,明顯提高的是混凝土的早期抗壓強度，后期混凝土抗壓強度存在一定的回縮，28 d抗壓強度接近于常溫養(yǎng)護水平，此外,適當?shù)匮娱L混凝土在常溫下的靜置時間可以減弱高溫養(yǎng)護對混凝土后期強度的不利影響[9]。Hongen Zhang等的研究也表明了常溫靜置的重要性，此外還發(fā)現(xiàn)水養(yǎng)限制了抗壓強度的發(fā)展[3][13]。增加粉煤灰基地聚物膠凝材料中的鈣含量可加快早期的強度發(fā)展，從而為地聚物混凝土進行現(xiàn)場澆筑養(yǎng)護提供了工程應用的可能性，但高溫養(yǎng)護仍較室溫養(yǎng)護抗壓強度高[10-12]。關于蒸養(yǎng)的研究較少，已有的研究表明高溫蒸養(yǎng)也有利于地聚物混凝土的強度發(fā)展[13]。

粉煤灰-礦渣比是地聚物混凝土力學性能一個關鍵的影響因素，結合粉煤灰、礦渣基膠凝材料各自的特性，采用適當?shù)酿B(yǎng)護方式可以提供材料良好的工程適用性，針對復合前體材料的養(yǎng)護條件的研究有待深入，且關于養(yǎng)護濕度對地聚物混凝土性能影響的研究目前較少。本文針對不同粉煤灰-礦渣質量比的地聚物混凝土在不同溫、濕度養(yǎng)護條件下的抗壓強度、劈裂抗拉強度、體積吸水率研究了養(yǎng)護方式對粉煤灰-礦渣基地聚物基本性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

(1)粉煤灰、礦渣。產(chǎn)自四川成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司，為I級粉煤灰(FA)，45 μm篩篩余為7.5 %，燒失量2.3 %；礦渣(SL)45 μm篩篩余為7.4 %，燒失量為0.1 %。

(2)堿激發(fā)劑。堿激發(fā)劑采用水玻璃(SS)與氫氧化鈉(SH)的復合激發(fā)劑。水玻璃產(chǎn)自廣東佛山科凝新材料科技有限公司，其形態(tài)為無色黏稠液體，水玻璃模數(shù)為2.43。試驗中通過加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)。氫氧化鈉產(chǎn)自四川成都科龍化工試劑廠，為純度≥98.0%的固態(tài)圓形顆粒，通過加入城市自來水配置成12 mol/L的氫氧化鈉溶液。堿激發(fā)劑的模數(shù)為1.36。

(3)集料。粗集料采用5～16 mm連續(xù)級配碎石，細集料采用Ⅰ區(qū)中粗機制砂。

1.2 試件制作及養(yǎng)護方式

本實驗制作了粉煤灰、礦渣質量比為7∶3(GPC-30)、5∶5(GPC-50)、3∶7(GPC-70)的三種試件，配合比如表1所示。

表1 地聚物混凝土配合比設計 kg/m3

粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的制備與養(yǎng)護方式如下：預先制備復合堿激發(fā)劑，將氫氧化鈉溶液與水玻璃充分混合；將粉煤灰、礦渣、粗細集料倒入經(jīng)過潤濕的混凝土攪拌機，攪拌90 s使其充分混合；繼續(xù)邊攪拌邊倒入復合堿激發(fā)劑，攪拌90 s；繼續(xù)攪拌兩次，每次90 s。將拌合物裝入100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模和φ100 mm×50 mm的圓餅狀試模，使用振動臺振動兩次，每次120 s。試件隨模具先于室溫下密封靜置24 h，使地聚物混凝土后期強度發(fā)展更為穩(wěn)定，脫模后養(yǎng)護方式如表2所示，其中高溫養(yǎng)護過程為采用耐高溫的工業(yè)薄膜包裹試件并放入烘箱，于80 ℃高溫密封養(yǎng)護24 h。

表2 養(yǎng)護方式與養(yǎng)護制度

1.3 基本力學性能測試

按國家標準GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試三種不同配合比的粉煤灰-礦渣基地聚物在四種不同的養(yǎng)護方式下28 d的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度。

1.4 體積吸水率的測試

參考國家標準GB/T 11970-1997《加氣混凝土體積密度含水率和吸水率試驗方法》測試三種不同配合比的粉煤灰-礦渣基地聚物在四種不同的養(yǎng)護方式下28 d的圓餅狀試塊的體積吸水率，在測試前對試件端面進行打磨以減小試件表面大氣孔的影響。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)護方式對孔隙的影響

體積吸水率反映地聚物混凝土試件的連通孔隙率。體積吸水率測試結果如圖1和圖2所示。不同配合比、不同的養(yǎng)護條件下的地聚物混凝土試件的體積吸水率在5 h后基本達到穩(wěn)定。對于不同配合比的地聚物混凝土其體積吸水率隨養(yǎng)護條件的變化規(guī)律不同。對于GPC-30而言，在標準養(yǎng)護條件下體積吸水率最大，干燥養(yǎng)護條件下體積吸水率最小，高溫后無論是標養(yǎng)還是干養(yǎng)體積吸水率差別不大。對于GPC-50而言，在標準養(yǎng)護條件下體積吸水率最大，其次是高溫后標養(yǎng)條件下，在高溫后干養(yǎng)條件下體積吸水率最小。對于GPC-70而言，高溫后標養(yǎng)條件下體積吸水率最大，其次是標養(yǎng)條件下，干養(yǎng)條件下體積吸水率最小。

圖1 自然吸水率隨時間的發(fā)展曲線

圖2 不同養(yǎng)護條件下的自然吸水率

綜上，地聚物混凝土無論高溫與否，在本文的研究范圍內(nèi)減小養(yǎng)護濕度均可減小體積吸水率，即連通孔隙率下降。在同樣的養(yǎng)護濕度下，前期是否高溫對于不同配合比的地聚物混凝土，連通孔隙率的變化情況不同，可見高溫對粉煤灰-礦渣基地聚物的基本結構影響較為復雜，有待進一步綜合性的深入研究。

混凝土早期的孔隙率主要決定于水膠比，后期孔隙率的減小則主要決定于后期繼續(xù)水化的能力[14]?？梢娫诓煌酿B(yǎng)護條件下后期的水化能力不同，在一定范圍內(nèi)減小后期養(yǎng)護環(huán)境的濕度可以加強粉煤灰-礦渣基地聚物后期的繼續(xù)水化能力。根據(jù)體積吸水率的試驗結果可知，地聚物混凝土更適合干燥養(yǎng)護，在該養(yǎng)護條件下，試件的連通孔隙率更??；在標準養(yǎng)護條件下，低礦渣含量的混合基地聚物前期進行高溫養(yǎng)護可降低試件的連通孔隙率，但是在干燥養(yǎng)護條件下，前期高溫與否對試件的連通孔隙率的影響不大。在未經(jīng)高溫養(yǎng)護的條件下，隨著礦渣含量的增加，試件的連通孔隙率減?。坏诟邷仞B(yǎng)護后該規(guī)律并不成立。

2.2 養(yǎng)護方式對28 d強度的影響

從圖3不同養(yǎng)護條件下的28 d抗壓強度可以看出，對于不同粉煤灰-礦渣含量的地聚物混凝土就抗壓強度而言，其最佳養(yǎng)護條件是不同的。對于礦渣含量較高的GPC-50和GPC-70試件，最佳養(yǎng)護條件為高溫后干燥養(yǎng)護,最高的抗壓強度分別為101.9 MPa和119.7 MPa。在相同的養(yǎng)護溫度下，隨著養(yǎng)護濕度的提高，抗壓強度有所下降，且礦渣含量越高，濕度的不同所導致的抗壓強度的差值越大。GPC-50標養(yǎng)和干養(yǎng)的強度值幾乎相同，高溫后標養(yǎng)的抗壓強度相比較于高溫后干養(yǎng)的強度值下降了5.3 %。GPC-70標養(yǎng)相對于干養(yǎng)的強度值下降了10 %，高溫后標養(yǎng)的抗壓強度相比較于高溫后干養(yǎng)的強度值下降了11.6 %。而對于礦渣含量相對較低的GPC-30而言，高溫后干養(yǎng)的抗壓強度不及高溫后標養(yǎng)高，故其最佳養(yǎng)護條件為高溫后標養(yǎng)，其最大抗壓強度為75.6 MPa。但在未高溫條件下仍是干養(yǎng)的強度值高于標養(yǎng)的強度值。

圖3 不同配合比地聚物混凝土在不同養(yǎng)護條件下的28d抗壓強度

由圖4可知，對于本實驗所研究的三種配合比的地聚物混凝土的劈裂抗拉強度而言，高溫后標準養(yǎng)護為最佳養(yǎng)護條件，其次為干燥養(yǎng)護，高溫后干燥養(yǎng)護條件下的劈裂抗拉強度和標準養(yǎng)護條件下差別不大。

圖4 不同配合比地聚物混凝土在不同 養(yǎng)護條件下的28d劈裂抗拉強度

文獻[15]表明，隨著高性能混凝土強度等級的提高，其劈裂抗拉強度也相應增大。由圖5可知，地聚物混凝體的力學性能規(guī)律有別于高性能混凝土，對于未經(jīng)高溫的試件劈裂抗拉強度與強度等級之間大致呈正相關，但是對于經(jīng)高溫養(yǎng)護的試件兩者之間沒有統(tǒng)一的相關性，在高溫后標準養(yǎng)護條件下甚至呈負相關。對于抗壓強度與孔隙率之間的關系，由圖6可知，未經(jīng)高溫養(yǎng)護的試件抗壓強度與孔隙率呈負相關，混凝土試件孔隙率越大抗壓強度越小，但是對于經(jīng)過高溫處理的試件，因為高溫后反應機理發(fā)生了改變，高溫養(yǎng)護能影響反應生成物的結晶程度，而抗壓強度與生成物的結晶程度有較大關系，故抗壓強度與孔隙率之間的相關性明顯減弱，數(shù)據(jù)離散性較大。因而，對于高溫對地聚物混凝土性能的影響有待更一步的系統(tǒng)研究。

圖5 劈裂抗拉強度與抗壓強度之間的關系

圖6 抗壓強度與吸水率之間的關系

2.3 養(yǎng)護方式對地聚物混凝土脆性的影響

拉壓比為劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比，混凝土拉壓比性能是混凝土脆性的主要標志。從圖7不同配合比地聚物在不同養(yǎng)護條件下的拉壓比可知，對于GPC-30和GPC-70而言，養(yǎng)護條件對拉壓比的影響規(guī)律基本一致，干燥養(yǎng)護條件下的拉壓比最大，標準養(yǎng)護次之，高溫后干燥養(yǎng)護時拉壓比最小。GPC-50在高溫后進行標準養(yǎng)護時拉壓比最大為0.063，其次為標準養(yǎng)護，在高溫后干燥養(yǎng)護條件下拉壓比最小為0.045。

圖7 不同配合比地聚物混凝土在不同養(yǎng)護條件下的拉壓比

國內(nèi)外已有研究資料表明：普通混凝土的拉壓比為0.058～0.125，且強度越高，拉壓比越小，高強混凝土的拉壓比為0.042～0.050[16]。從圖7的實驗數(shù)據(jù)可知，本文所研究的地聚物混凝土拉壓比為0.034～0.063，脆性較大延性較小，脆性遠大于普通混凝土，與高強混凝土差不多。且高溫養(yǎng)護會增大地聚物混凝土的脆性。

3 結論

(1) 高溫養(yǎng)護加快了前期的強度發(fā)展速度，對后期強度也有所提高。養(yǎng)護條件中濕度也很重要，濕度較大者前期強度發(fā)展較迅速，但是降低養(yǎng)護濕度混凝土的后期水化能力更強，最終的抗壓強度可能更高。但具體的前、后期劃分界限有待進一步研究。

(2) 高溫養(yǎng)護會加大地聚物混凝土的脆性，且高溫后地聚物混凝土的性能與普通混凝土或高性能混凝土的基本性能的規(guī)律會產(chǎn)生較大的差異，對于高溫后的地聚物性能有待進一步的系統(tǒng)研究。