楊成 熊凌鑫 游俊杰 吉鑫民 胡瑞青

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2023.107

收稿日期：2023?07?28

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2600501）；四川省自然科學(xué)基金（2022NSFSC0458）；中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研開發(fā)項(xiàng)目（院科20-53，院科20-21）

作者簡介：楊成（1977-?），男，博士，副教授，主要從事低碳建材研究，E-mail：yangcheng@swjtu.edu.cn。胡瑞青（通信作者），E-mail：1145074849@qq.com。

Received： 2023?07?28

Foundation items： National Key Research & Development Program （No. 52278178）; Natural Science Foundation of Sichuan Province （No. 2022RC1176）; Research and Development Project of China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.（Nos. 20-53， 20-21）

Author brief： YANG Cheng （1977-?）， PhD， associate professor， main research interest： low carbon building materials， E-mail： yangcheng@swjtu.edu.cn.

corresponding author：HU Ruiqing （corresponding author），?E-mail：?1145074849@qq.com.

（1. 西南交通大學(xué)?a.陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程研究中心；?b. 土木工程學(xué)院，成都?610031；?2. 佛山市巖琉智慧城市科技發(fā)展有限公司，廣東?佛山?528051；?3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安?710043）

摘要：既有研究表明，在粉煤灰地聚物混凝土（FGC）中摻入少量普通硅酸鹽水泥顆粒，能夠增強(qiáng)其在常溫養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能，但這個(gè)結(jié)果尚未與早期接受高溫養(yǎng)護(hù)且不含普通硅酸鹽水泥的FGC進(jìn)行力學(xué)特征對比，以驗(yàn)證其可實(shí)用程度。為更加貼近實(shí)際工程需求，將不含水泥顆粒且接受熱固化的FGC與含有少量水泥顆粒僅接受室溫固化的FGC進(jìn)行了包括泊松比在內(nèi)的基本力學(xué)性能測試和比較。為了從微觀機(jī)制上解釋力學(xué)性能的測試結(jié)果，進(jìn)行了包括SEM、EDS、XRD、FTIR、Micro-CT等的分析。結(jié)果表明：常溫養(yǎng)護(hù)下含有少量水泥顆粒的FGC各項(xiàng)力學(xué)性能與不含水泥顆粒并接受熱固化的FGC相近，臨破壞前的試件橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比均接近1.0，均有突出的橫向變形能力；摻量8%的水泥顆粒在室溫條件下對FGC聚合反應(yīng)的促進(jìn)效果接近FGC接受高溫養(yǎng)護(hù)，在形成更為合理的微觀孔隙結(jié)構(gòu)方面，改進(jìn)后的FGC在常溫養(yǎng)護(hù)條件下優(yōu)于高溫養(yǎng)護(hù)FGC。

關(guān)鍵詞：抗壓強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)；聚合反應(yīng)；水化產(chǎn)物；不對稱伸縮振動(dòng)

中圖分類號：TU528.41 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0207-09

Mechanical properties and microscopic characteristics of fly ash geopolymer concrete containing ordinary portland cement

YANG Cheng^1a，?XIONG Lingxin^1b，?YOU Junjie^1b，2，?JI Xinmin^1b，?HU Ruiqing³

（1a. National Engineering Research Center of Geological Disaster Prevention Technology in Land Transportation; 1b. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P. R. China; 2. Foshan Youngnos Smart City Technology Development Co.， Ltd.， Foshan 528051， Guangdong， P. R. China; 3. China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710043， P. R. China）

Abstract： Previous studies show that the fly ash geopolymer concrete cured at room temperature can be significantly improved if mixed into a small dosage of ordinary Portland cement. However， this modified material has rarely been compared with the traditional fly ash geopolymer concrete， cured at high temperature and not mixed with any ordinary Portland cement. In order to meet the needs of practical engineering applications， the basic mechanical properties， including Poisson，s ratios， were tested and compared between two different materials， i.e.， the thermally cured fly ash polymer concrete without cement and the room temperature cured fly ash geopolymer concrete with a small dosage of cement particles. Also， to clarify the mechanism in results of the mechanical tests， the microscope and chemical elements tests， including SEM， EDS， XRD， FTIR and CT， are performed. The results show that the mechanical properties of room-temperature cured fly ash polymer concrete containing a little cement are close to those of thermal cured FGC without cement particles. Before compressive failure of prism specimens， the lateral to the vertical strain ratio is close to 1.0， exhibiting a significant lateral deformation capability. After adding 8% cement particles， the degree of polymerization reaction at room temperature is close to that of high temperature curing measures without cement. In forming a more reasonable microscopic pore structure， the samples cured at room temperature are better than those cured at high temperatures.

Keywords： compressive strength；?microstructure；?polymerization reaction；?hydration products；?asymmetric stretching vibration

粉煤灰基地質(zhì)聚合物是由粉煤灰硅鋁酸鹽和液態(tài)的堿性激發(fā)劑反應(yīng)生成的新型無機(jī)膠凝材料^[1]，主要原料粉煤灰通常來自燃煤發(fā)電殘余物。作為燃煤發(fā)電大國，中國近年粉煤灰（FA）年生成量已經(jīng)超過6億t，粉煤灰填埋和灰壩的規(guī)模正在快速擴(kuò)大，對地下水和空氣質(zhì)量環(huán)境的不利影響日益嚴(yán)重^[2]。能否有效降低建筑行業(yè)與火力發(fā)電對碳排放和環(huán)境的不利影響，是目前影響中國能否實(shí)現(xiàn)雙碳達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，拓寬粉煤灰在建材領(lǐng)域的應(yīng)用途徑，以更快的速度消耗燃煤發(fā)電殘余物，已經(jīng)成為低碳建材領(lǐng)域的重要課題^[2]。

地質(zhì)聚合物是由AlO₄和SiO₄四面體結(jié)構(gòu)單元組成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在，具有良好的力學(xué)性能、早強(qiáng)快硬性、良好的耐腐蝕性和耐高溫性，有望在許多的場合取代傳統(tǒng)水泥^[3]。Soutsos等^[4]、Assi等^[5]、Nikoli?等^[6]對影響粉煤灰地聚物混凝土（FGC）性能的因素進(jìn)行了研究，包括粉煤灰的來源、混凝土固化的環(huán)境、活化劑和添加劑的類型都可能對粉煤灰地聚物混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。為了使粉煤灰地聚物混凝土能夠在力學(xué)性能上替代普通硅酸鹽混凝土，需要對粉煤灰地聚物混凝土進(jìn)行早期高溫養(yǎng)護(hù)，以提升聚合反應(yīng)的程度并促進(jìn)地聚物凝膠的形成，從而提高其早期強(qiáng)度^[7-8]。而完整的高溫養(yǎng)護(hù)條件往往只能在工業(yè)化預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中提供，在需要現(xiàn)澆施工的大型戶外建造場景中，早期階段的高溫養(yǎng)護(hù)的實(shí)施困難，不易推廣。因此，Nath等^[9]提出在FGC中摻入少量的普通硅酸鹽水泥（OPC）以改善其室溫養(yǎng)護(hù)下的早齡期強(qiáng)度，并與室溫養(yǎng)護(hù)且不含硅酸鹽水泥的FGC進(jìn)行了對比^[9]，但后者強(qiáng)度很低，工程適用性欠佳。

筆者將摻入少量硅酸鹽水泥僅接受常溫養(yǎng)護(hù)的FGC與未摻入水泥但接受早期高溫養(yǎng)護(hù)的FGC進(jìn)行了對比分析，二者均有工程適用性^[9]。以往在FGC中摻入硅酸鹽水泥的研究大多集中在抗壓強(qiáng)度測試分析，對于其泊松比研究少見報(bào)道。而事實(shí)上，以一些常見的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件為代表，受約束的核心區(qū)混凝土其軸心抗壓強(qiáng)度要有所提高，核心區(qū)材料的泊松比是重要的影響因素^[10]，而摻入少量硅酸鹽水泥后，F(xiàn)GC泊松比是否有顯著變化尚需驗(yàn)證。筆者針對4種不同配比和養(yǎng)護(hù)條件的FGC試件，對包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線、泊松比在內(nèi)的基本力學(xué)性能進(jìn)行了比較。既有研究大多從靜態(tài)化學(xué)分析的角度揭示FGC性能形成，但考慮齡期的變化，對摻入硅酸鹽水泥的FGC與普通FGC的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)演化過程進(jìn)行比較的研究很少，尤其二者間粉煤灰顆粒堿性侵蝕發(fā)展程度和材料孔洞分布差異尚未明確。為了對摻入硅酸鹽水泥且受常溫養(yǎng)護(hù)的FGC性能給出實(shí)質(zhì)性解釋，對不同齡期和配比的FGC內(nèi)粉煤灰的堿性侵蝕、石英相的特征峰值、地聚物反應(yīng)形成的官能基團(tuán)、微觀結(jié)構(gòu)孔洞分布等進(jìn)行了比較和量化分析。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)^[11]的Ⅰ級粉煤灰和P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，兩者的化學(xué)成分見表1，主要成分為SiO₂和Al₂O₃，占比為81.91%，同時(shí)含有少量的CaO、Fe₂O₃等成分。通過掃描電鏡儀觀察發(fā)現(xiàn)，粉煤灰以顆粒微珠形式存在于樣品中（圖1）。通過對粉煤灰在2θ=5°～80°范圍進(jìn)行X射線衍射儀掃描，可以觀察到晶體相組成主要為石英、莫來石和赤鐵礦的結(jié)晶峰，同時(shí)，2θ=20°～40°之間出現(xiàn)不定型的非晶相的寬峰，可能是具有活化潛力的玻璃相。堿性激發(fā)劑由氫氧化鈉和硅酸鈉混合而成。細(xì)骨料選用河沙，粗骨料則選用粒徑為5～20 mm的粉碎花崗巖。

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制備

1.2.1 配合比

共設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)組，分別為早期熱養(yǎng)護(hù)（FGC-T）、常溫養(yǎng)護(hù)（FGC-NT）、摻入4%OPC僅常溫養(yǎng)護(hù)（FGC-4O）和摻入8%OPC僅常溫養(yǎng)護(hù)（FGC-8O），用以說明普通硅酸鹽水泥摻入量和初始養(yǎng)護(hù)條件對粉煤灰地聚物混凝土性能的影響。由于FGC-NT已被證明力學(xué)性能欠佳，故僅做化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析。各組用料配合比見表2。

1.2.2 地聚物的制備工藝

按照表2中的配合比對原材料和堿性激發(fā)劑進(jìn)行配置，其中NaOH溶液的摩爾濃度為12 mol/L，NaSiO₃和NaOH溶液的質(zhì)量比為2.5。將NaOH加入水中配置成所需濃度后，與NaSiO₃溶液混合攪拌均勻，然后將混合液置于通風(fēng)良好的環(huán)境中自然冷卻至室溫。冷卻時(shí)間因溶液體積等條件不同而有所差異，一般需要2～4 h。待溶液冷卻后按各試驗(yàn)組的要求加入粉煤灰、水泥、細(xì)骨料、粗骨料進(jìn)行混合，混合均勻后按要求制備試件。對不同的試驗(yàn)組進(jìn)行不同條件的養(yǎng)護(hù)。先將所有試件放入溫度為25～28 ℃和濕度為60%±10%的條件下養(yǎng)護(hù)6 h固化后進(jìn)行脫模；隨后將FGC-T置于60 ℃的溫度下進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)24 h，最后放入室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期；作為比較組的FGC-NT、FGC-4O、FGC-8O則在試件脫模后，直接放入室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。

1.3 測試方法

1.3.1 FGC的宏觀性能

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕ T 50081—2019）^[12]，對齡期為3、7、14、28 d的固體樣品進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的測試。所有樣品都是在室溫環(huán)境（25 ℃，60%RH）下進(jìn)行測試。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和棱柱體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)均在YAW-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在正式加載前預(yù)壓3次，加載過程緩慢均勻。預(yù)壓后，試樣在應(yīng)力比分別設(shè)置為0.1～1的10個(gè)不同荷載水平下加載，直至試樣被壓碎和破壞。每個(gè)加載水平保持3 min，以精確測量和記錄線性和非線性行為的應(yīng)變。使用標(biāo)距為100 mm、阻值為120 Ω的電阻式應(yīng)變片測量應(yīng)變，采用TST3827EN系統(tǒng)采集應(yīng)變測量數(shù)據(jù)并初步處理。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)及成分表征

通過XRD、SEM、FTIR和Micro-CT測試物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和官能基團(tuán)表征，分析研究養(yǎng)護(hù)參數(shù)對地聚物的影響；利用X射線衍射儀（XRD）研究其晶體的物質(zhì)和非晶體的特征峰；以掃描電子顯微鏡（SEM）表征樣品微觀結(jié)構(gòu)及其表面特征，并結(jié)合能譜儀（EDS）分析微區(qū)元素成分；以傅里葉變換處理紅外吸收光譜儀（FTIR）獲取分子內(nèi)部的相對振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)的信息，以確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)。測試分析分別用于表征3、28 d齡期的FGC樣品特性。最后，通過GE Vtomex CT掃描儀觀察28 d齡期時(shí)樣品孔隙率及孔隙分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單軸受壓力學(xué)性能比較

2.1.1 抗壓強(qiáng)度和彈性模量分析

在齡期相同的條件下，未摻硅酸鹽水泥試件FGC-T立方體抗壓強(qiáng)度略高（圖2（a））。雖然立方體試件的抗壓強(qiáng)度隨著齡期時(shí)間的增長遞增，但早齡期提升明顯更快。各試驗(yàn)小組在齡期3 d時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度均保持在25 MPa的左右，在齡期28 d時(shí)，3組都達(dá)到最高值且均大于40 MPa，而在高溫養(yǎng)護(hù)的條件下的立方體抗壓強(qiáng)度最大為50.2 MPa。

由圖2（a）、（b）可以看出，在不同條件下，立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度有相似的增長趨勢。在早齡期，各試驗(yàn)組的強(qiáng)度均在15 MPa左右，而在標(biāo)準(zhǔn)齡期時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度均大于24 MPa。通過FGC-4O和FGC-8O的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著硅酸鹽水泥含量的增加，軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。這主要是因?yàn)镕GC凝結(jié)緩慢，硅酸鹽水泥聚合不足。不過，二者的差異未超過5 MPa。

所有的試驗(yàn)組在早齡期時(shí)的彈性模量均大于9 GPa（圖2（c））。雖然標(biāo)準(zhǔn)齡期彈性模量均達(dá)到了25 GPa，但FGC-4O和FGC-8O在28 d的彈性模量均低于FGC-T。

2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3為軸向受壓時(shí)的軸向和橫向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中壓應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變，拉應(yīng)變?yōu)闄M向應(yīng)變?？梢钥闯?，隨著齡期的增長，受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸增大，極限壓應(yīng)變和橫向拉應(yīng)變總體上呈逐漸降低的趨勢，表明地聚物混凝土的延性隨著齡期的增長而不斷降低。齡期28 d時(shí)，3組試驗(yàn)組的極限壓應(yīng)變分別為-2 200×10^-6、-2 133×10^-6和-1 887×10^-6。

普通混凝土極限壓應(yīng)變大約為2 000×10^-6，盡管普通硅酸鹽水泥的加入會(huì)對水化作用有一定促進(jìn)，但缺乏熱養(yǎng)護(hù)可能會(huì)削弱了微觀層面交聯(lián)作用發(fā)展，最終導(dǎo)致壓應(yīng)變的輕微損失。相比之下，各試驗(yàn)組在28 d的橫向正應(yīng)變最大值分別為2 100×10^-6、2 034 ×10^-6和1 800×10^-6，粉煤灰地聚物混凝土展示出了較好的橫向變形能力^[13]。這主要是由于地聚膠凝材料中特殊的無機(jī)高分子聚合物結(jié)構(gòu)有利于力學(xué)性能提升。

2.1.3 泊松比

按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕ T 50081—2019）^[12]的規(guī)定進(jìn)行泊松比測試。由于混凝土在軸壓作用下會(huì)產(chǎn)生橫向膨脹，可以用材料達(dá)到極限強(qiáng)度前的非線性泊松比，即非線性的橫向和縱向應(yīng)變之比，反映其橫向變形能力。有顯著橫向變形能力的水泥基材料如果受到有效的環(huán)向約束，軸向抗壓強(qiáng)度往往顯著提高。從不同齡期的泊松比隨軸向壓應(yīng)力發(fā)展曲線可以看出，彈性泊松比范圍在0.1～0.2（圖4），與普通混凝土較為接近。

齡期3 d，應(yīng)力比為0.6時(shí)，F(xiàn)GC-T試件的泊松比急劇增加，達(dá)到破壞時(shí)的非線性泊松比超過了1.2，曲線中的拐點(diǎn)通常定義為臨界應(yīng)力比。對于7、14、28 d的臨界應(yīng)力比約為0.8且泊松比為0.3，到試件破壞時(shí)，泊松比約為1.0。同時(shí)在FGC-4O和FGC-8O的測試結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況。FGC-4O在破壞狀態(tài)下的泊松比與FGC-T非常接近，F(xiàn)GC-8O則比其他試驗(yàn)組略低，泊松比在0.8～1.0之間。

值得一提的是，觀察到的接近1.0的泊松比值并非出現(xiàn)在FGC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線彈性階段，而是出現(xiàn)在明顯的非線性階段，已接近試件的極限變形狀態(tài)。Chen等^[14]在其混凝土損傷理論中對這種現(xiàn)象背后的機(jī)理已有明確闡述，Darwin等^[15]和Kupfer等^[16]在更早的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓應(yīng)力超過0.8倍單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，體應(yīng)變方向?qū)l(fā)生逆轉(zhuǎn)，表觀泊松比會(huì)快速增大，在試件不穩(wěn)定的壓碎階段，泊松比甚至?xí)^1.0。而相比普通混凝土，F(xiàn)GC的材料延性更優(yōu)，因?yàn)镕GC中的C（N）a-s-h凝膠可以形成致密、低孔隙度的三維網(wǎng)狀交聯(lián)凝膠基質(zhì)，這種微觀結(jié)構(gòu)有助于約束材料的橫向膨脹，這使得FGC試件在受到垂直壓縮時(shí)具有更穩(wěn)定的側(cè)向變形能力，壓潰階段的受力變形曲線相比普通混凝土更穩(wěn)定，更容易產(chǎn)生接近1.0的非線性泊松比。

圖5為應(yīng)力比為1時(shí)的泊松比隨齡期的變化。盡管各組在早齡期時(shí)泊松比之間存在差異，但在齡期28 d時(shí)所有試驗(yàn)組的泊松比幾乎相同。值得注意的是，F(xiàn)GC-T組早齡期的泊松比與FGC-40相近且略高于FGC-8O，說明早齡期普通硅酸鹽水泥對地聚物三維網(wǎng)格微觀結(jié)構(gòu)的促進(jìn)作用不如高溫養(yǎng)護(hù)，但隨著齡期增長，這個(gè)差距逐漸減小并消失。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

2.2.1 微觀形態(tài)

由圖6的SEM圖像可以看出，在早齡期階段，粉煤灰顆粒表面生成了活化反應(yīng)產(chǎn)物鋁硅酸鈉凝膠^[17]。值得注意的是，不同條件下的產(chǎn)物生成量有所不同，摻入8%硅酸鹽水泥的樣品產(chǎn)生更多沉淀。而經(jīng)過早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)的樣品則會(huì)受到堿性侵蝕的影響，導(dǎo)致粉煤灰顆粒的部分外殼發(fā)生溶解。

在標(biāo)準(zhǔn)齡期時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)組的粉煤灰顆粒都受到堿性溶液的侵蝕，但依舊能看出其原有形態(tài)，其中早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)的樣品侵蝕最為嚴(yán)重。

從不同齡期階段觀察結(jié)果看，早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)下FGC-T粉煤灰的堿活化反應(yīng)最強(qiáng)，常溫養(yǎng)護(hù)且摻入8%硅酸鹽水泥的FGC-8O次之，常溫養(yǎng)護(hù)未添加硅酸鹽水泥的FGC-NT最弱。這主要是因?yàn)镕GC-T的高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)極大地激發(fā)了地聚物之間的反應(yīng)活性，從而加快了反應(yīng)速率。相比之下?lián)饺?%硅酸鹽水泥的FGC-8O借助硅酸鹽水泥水化反應(yīng)有利于激發(fā)地聚物之間的反應(yīng)活性^[18]。可以從熱化學(xué)的角度解釋含硅酸鹽水泥的FGC即便未經(jīng)早期高溫養(yǎng)護(hù)也具備充分力學(xué)性能的原因。

2.2.2 XRD特征峰

從圖7的XRD結(jié)果看，所有樣品中均存在石英、莫來石和赤鐵礦相，因?yàn)樵诜勖夯业鼐畚锇l(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)，上述物質(zhì)呈現(xiàn)惰性，且在堿性條件下它們的反應(yīng)程度有限。由于地聚物發(fā)生的聚合反應(yīng)使得物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨著稀釋效應(yīng)^[19]，所以不同時(shí)期的石英相特征峰值有所差距。由于硅酸鹽水泥的摻入量較少，對抗壓強(qiáng)度和泊松比的增益作用顯然小于水化過程產(chǎn)生的影響。

2.2.3 紅外譜圖

從圖8反映特殊官能基團(tuán)的紅外光譜分析看，1 650 cm^-1處對應(yīng)的是O-H不對稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰，說明地聚物中的自由水通過水化反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水。光譜中1 250～417 cm^-1區(qū)段為Si—O—T（T=Si或Al）的不對稱振動(dòng)峰，表明粉煤灰中原有的硅酸鹽和鋁硅酸鹽在持續(xù)發(fā)生解聚反應(yīng)，這與XRD中觀察的現(xiàn)象一致。其中971 cm^-1和417 cm^-1處分別對應(yīng)如下現(xiàn)象，即Si—O—Si結(jié)構(gòu)中納入了Al，硅四面體中非橋接氧（NBOs）的數(shù)量增加和Si-O-Si導(dǎo)致的彎曲振動(dòng)峰^[20-21]。故無論是在早齡期還是標(biāo)準(zhǔn)齡期時(shí)，經(jīng)早期高溫養(yǎng)護(hù)不含硅酸鹽水泥的樣品FGC-T的反應(yīng)活性最為劇烈，摻入8%硅酸鹽水泥且常溫養(yǎng)護(hù)的樣品FGC-8O次之，最后則是常溫養(yǎng)護(hù)未添加硅酸鹽水泥的樣品FGC-NT。

2.2.4 CT圖像

由圖9所示的標(biāo)準(zhǔn)齡期切片CT圖像可見，F(xiàn)GC-T分布孔隙的尺寸和數(shù)量都大于FGC-8O和FGC-NT。經(jīng)CT量化分析，F(xiàn)GC-T的孔隙率為5.77%，而FGC-NT和FGC-8O的孔隙率分別為2.01%和1.46%，因此，F(xiàn)GC-8O與FGC-T之間的差異顯著。

圖9顯示的現(xiàn)象說明早齡期熱養(yǎng)護(hù)不僅能促進(jìn)地聚物的聚合反應(yīng)，同時(shí)也改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)。雖然早期孔結(jié)構(gòu)對泊松比有所提升，但對混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能有一定負(fù)面影響，進(jìn)而影響混凝土的耐久性。當(dāng)摻入8%硅酸鹽水泥，可以為地聚物混合物之間的聚合反應(yīng)過程提供了穩(wěn)定的熱源，從而促進(jìn)聚合反應(yīng)的發(fā)生。因此，與FGC-T和FGC-NT相比，F(xiàn)GC-8O的孔隙數(shù)量和孔徑大小更加均勻且密實(shí)。

2.3 硅酸鹽水泥對試件橫向變形能力的影響機(jī)制討論

經(jīng)過早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)的樣品，雖然存在相當(dāng)數(shù)量的孔隙，但在早期強(qiáng)度沒有完全發(fā)展的情況下，橫向變形能力受孔隙影響較大。由于高溫養(yǎng)護(hù)促進(jìn)聚合反應(yīng)從而抵消了孔隙所帶來的負(fù)面影響，所以無論在任何時(shí)期，F(xiàn)GC-T都展現(xiàn)出更好的抗壓強(qiáng)度。

在未經(jīng)早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)的樣品中加入8%硅酸鹽水泥后，發(fā)生地聚物聚合反應(yīng)的同時(shí)也進(jìn)行著硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)為聚合反應(yīng)持續(xù)提供一定的熱源和水化產(chǎn)物，這促進(jìn)了聚合反應(yīng)發(fā)展，也優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)，使得試件更加密實(shí)。因此，隨著齡期增加，F(xiàn)GC-T與FGC-8O的抗壓強(qiáng)度和泊松比的差異在不斷縮小。在28 d時(shí)，與進(jìn)行了熱養(yǎng)護(hù)的FGC-T相比，未經(jīng)熱養(yǎng)護(hù)的FGC-8O雖然強(qiáng)度略有不足，但它們的泊松比幾乎一致，這對于常溫養(yǎng)護(hù)條件下的FGC作為約束混凝土構(gòu)件核心材料時(shí)有顯著的工程意義。

3 結(jié)論

為了拓展FGC的工程應(yīng)用，對兩類有實(shí)際工程意義的FGC材料進(jìn)行比較，一種是室溫養(yǎng)護(hù)時(shí)摻入少量普通硅酸鹽水泥的FGC，另一種是不含普通硅酸鹽水泥但接受早期熱養(yǎng)護(hù)的FGC。完成了力學(xué)性能測試（包括泊松比）、化學(xué)成分、晶體相變、化學(xué)鍵振動(dòng)和微觀結(jié)構(gòu)等方面的觀察，結(jié)論如下：

1）在FGC中摻入少量普通硅酸鹽水泥且在常溫條件下養(yǎng)護(hù)，其力學(xué)性能與早期高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)的FGC相近，有利于節(jié)省早齡期熱養(yǎng)護(hù)的成本，并減少碳排放，可用于施加熱養(yǎng)護(hù)難度較大的現(xiàn)澆大型或復(fù)雜混凝土工程中。

2）由于具有獨(dú)特的三維微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使FGC具備良好的橫向變形能力和反膨脹特征特性。在臨近軸向受壓承載能力極限時(shí)，F(xiàn)GC試件泊松比遠(yuǎn)高于普通混凝土試件。其中，不含普通硅酸鹽水泥且接受熱養(yǎng)護(hù)的FGC孔隙率更高，它的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成更充分，故其早齡期非線性泊松比也更高。但隨著齡期的增加，這種差距逐漸縮小并接近消失。

3）在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)齡期時(shí)，摻入少量普通硅酸鹽水泥且在常溫養(yǎng)護(hù)的FGC，其聚合反應(yīng)程度與經(jīng)過早期熱養(yǎng)護(hù)但不含普通硅酸鹽水泥的FGC相差不大。二者的Si—O—Si或Si—O—Al不對稱拉伸振動(dòng)幾乎處于同一水平。摻入OPC并進(jìn)行溫室養(yǎng)護(hù)的FGC，還可減少高溫養(yǎng)護(hù)所帶來的孔隙負(fù)面影響。

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（編輯??胡玲）