IPC材料在海岛环境下的部分性能研究

2018-09-13刘云辉

建材与装饰 2018年39期

刘云辉

（中国人民解放军92829部队广东省湛江市 524000）

引言

近年，我国以史无前例的速度和规模在南海诸岛礁相继建成了一大批民用和军用建筑，在国家维护南海主权大力开发南海的环境下，作为捍卫主权重要一环的战备工程必然将处于大规模建设阶段。从目前建设情况来看，岛礁战备工程所采用的绝大部分为普通混凝土结构，该结构水泥需求量大，对于远离内陆的南海诸岛礁而言，主要存在两方面弊端，一是从内陆运输水泥，海运时间长，成本高，受潮损耗大，二是战备储藏时间短。IPC作为应用前景广阔的新型材料，可长期储备，且工作性能相较普通混凝土更有优势，势必将取代普通混凝土成为未来岛礁建设的主流材料。

1 无机聚合物材料研究应用现状

无机聚合物胶凝材料又称为地质聚合物胶凝材料，是以硅铝质材料作为胶凝材料，通过碱激发形成的具有空间网状结构的无机胶凝材料。其具有早强、快硬、抗压强度高、耐酸碱腐蚀及优良的耐久性等特性，在建筑工程、固核、固废及抢修抢建等领域表现出巨大的应用前景。其研究最早可见1930年Purdon提出的“碱激活”理论，即加入少量的NaOH可以加快硅酸盐水泥的硬化速度。20世纪50年代以Glukhovski为代表的前苏联科学家发现并提出了碱激发胶凝系统理论。20世纪80年代，Dr.Bengt Fross和J.Davidovits分别利用火山灰和粘土作为胶凝材料制备无机聚合物，并获得专利，此后涌现出了大量关于无机聚合物的研究和专利。

1960年无机聚合物胶凝材料开始应用于建筑工程[1]，乌克兰马里乌波尔市利用矿渣基IPC生产砌块并用来建造住宅、围墙等。前苏联利用IPC修筑路基斜坡、防冲墙等构筑物。1986年在利佩兹克建成了世界上第一幢现浇IPC高层居住建筑。

国内自20世纪末开始对无机聚合物材料开展研究，以武汉理工大学、空军工程大学等为代表的科研机构结合无机聚合物胶凝材料的优良特性开发出一系列抢修抢建专利产品，并已应用于机场道面、路面等工程，相关的施工工法也被评为军队级工法。例如2013年空军某工程处将IPC运用于新疆武警某直升机机场道面抢修抢建工程中，起降坪抢建3d，部分道面抢建4h候后直升机便可起降，仅用时10d完成本次抢建任务，缩短工期18d。但无机聚合物材料在远海岛礁环境下的研究应用成果甚少。

图1 新疆武警某直升机场施工图

2 无机聚合物混凝土的优越性能

IPC是将富含硅铝酸盐矿物的工业固体废渣（如粉煤灰、矿渣）、骨料、水等原料混合，在碱基化学催化剂的作用下发生碱激发反应，Al-O键、Si-O键断裂，水解分离出Si、Al并重新缩聚合成具有-Si-O-Al-OSi-或-Si-O-Si-复杂结构的三维网状体聚合物，最终固化形成硅铝质胶凝材料，其网络结构为硅氧四面体和铝氧四面体。IPC施工工艺及力学性能与当前应用最广泛的硅酸盐水泥混凝土类似，并具有多种性能上的优势。

2.1 早期强度高，凝结速度快

硅酸盐水泥水化反应后形成的胶凝材料以范德华力和氢键为主，而无机聚合物碱激发反应最终产物是键能更高的离子键和共价键，且其形成了空间网状结构又具有有机高聚物的键接结构，从原子和分子的连接方式上决定了无机聚合物胶凝材料有更优越的强度性能。

根据研究，在凝结固化的过程中，随着温度的升高，IPC抗压强度在1～2h可达到30～50MPa[2]。同强度等级条件下IPC的轴心抗拉强度、弹性模量、泊松比均要优于普通混凝土。在常温下，IPC的凝结速度同样要高于普通混凝土，根据武汉理工大学对以S95矿粉和S75矿粉为主要配方的IPC进行的研究表明[2]，IPC的不同配比凝结速度差异很大，具有较强的灵活调控性，终凝最短仅为25min（具体详表1）。

表1 S95矿粉和S75矿粉制备无机聚合物凝结时间

由此可见，IPC是优越的战时抢修抢建材料，其早强和凝结速度快的特性，在战时能短时间内实现战备设施实现工作性能。

2.2 高温强化性

当战场受打击后，弹落点附近未损建筑将被大火包围，受到高温侵蚀，耐高温性能差的建筑材料必然削弱战备工程的工作能力。IPC相比于普通混凝土不仅耐高温性能更好，而且还具有高温强化性。一方面，IPC不会出现普通混凝土在高温下常见的高温爆裂现象，经试验研究相同工况高温作用后，IPC梁、柱构件的承载力损失均明显小于普通混凝土试件[3]；另一方面，随着温度升高，IPC表面裂缝（纹）更为密集，宽度更宽，空气中的水分通过表面密布的裂缝（纹）与内部未反应的胶凝材料接触，进一步发生碱激发反应，能够填补IPC内部的孔隙和微裂缝，增强了其强度。经试验研究，IPC试块在T=400 C时，其抗压强度和劈裂抗拉强度分别增长14%和9%[3]，表现出明显的高温强化效应。

2.3 稳定性强

当前常用的硅酸盐水泥安定性差，一般自生产后储藏时间不超过3个月，且易受潮，不适宜作为岛礁战备抢修抢建长期储备材料。无机聚合物稳定性强，其贮存寿命可达10年以上而胶凝性无变化。

2.4 具有可逆性

无机聚合物碱激发反应的核心是硅铝酸之间的脱水反应，经研究，其在强碱条件下是可逆的[4]，因此IPC粉碎后经处理还可以作为原料再利用，符合全寿命周期经济性。在战时，大面积设施受损的情况下，若维修材料储备不足或运输出现困难时，通过IPC“可逆”的特性，可将破碎的材料重新投入生产，转化为维修战备设施的原料。对于需要紧急抢建的设施，也可以将一些次要的IPC结构破碎后再生产，既在最短时间内完成了抢修抢建任务，又实现了材料的最大化价值。

2.5 绿色节能

现用的硅酸盐水泥生产能耗大，废气排放多，且生产水泥所需的高品位石灰石资源日渐枯竭，水泥发展受限，不适应建筑材料绿色环保的发展趋势。无机聚合物胶凝材料取材于工业废料，一般为粉煤灰、冶金渣（矿渣、钢渣）等，实现固体废物源头利用，生产过程基本不需要煅烧，且碱激发反应在150℃以下即可发生，耗能少，CO2、NOx等废气排放量低，不产生任何毒气，是一种“绿色材料”。