粉煤灰基地聚物混凝土在碱环境中的裂缝演变机制研究

赵全忠 刘涛 段炎红 李园枫 路明晓

摘 要：地聚物混凝土裂缝在特殊环境中具有特殊的演变机制，人们要优化地聚物混凝土力学性能和耐久性能提升的技术途径，为将来该材料在工程上应用及推广提供良好的技术支持。本文以粉煤灰为硅铝质材料，利用自制的碱性激发剂激发其潜在的胶凝性质，制备地聚物混凝土。将预制裂缝后的地聚物混凝土置于特殊环境中，利用超声波检测仪和混凝土裂缝宽度测量仪检测裂缝宽度，建立环境因素变量与地聚物混凝土裂缝演变的关系。在氢氧化钠溶液环境下的混凝土自愈合效果试验中，当试样在pH为13的NaOH溶液中浸泡时，其强度、波速和强度恢复率增长明显。试样在溶液中浸泡至60 d时，强度恢复率可达90.4%，裂缝宽度愈合率为62.63%。

关键词：地聚物;环保材料;裂缝;化学环境

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：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

隨着我国城市化建设进程的加快和混凝土建筑结构的普遍应用，硅酸盐水泥的消耗量急剧增加，然而水泥生产产生了大量的负面影响[1]。《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》（国发〔2013〕41号）明确提出，化解水泥行业产能的严重过剩，加快开展建材绿色工程，强化环保硬约束监督管理。为此，各方学者进行了大量的研究工作，其中以粉煤灰为主要原料制备的地聚物混凝土以其节能环保、快硬早强等特点获得了国内外学者的广泛关注。

地聚物（Geopolymer）即地质聚合物，最早在1978年由法国科学家Joseph Davidovits提出[2]。如今，地聚物主要是指利用天然矿物或固体废弃物与一定的激发剂混合，通过一定的制备工艺，以聚合反应生成以硅-氧四面体与铝-氧四面体为主要存在形式的三维网络凝胶体[3]。对比普通硅酸盐水泥，地聚物具备下列优势：一是环保，地聚物生产过程排放的CO2比普通硅酸盐水泥低80%～90%[4];二是节能，地聚物生产能耗为普通硅酸盐水泥的1/6～1/4[5];三是高性能，地聚物制备的混凝土具备优异的耐火性能和耐酸碱离子性能。

同普通水泥混凝土类似，地聚物混凝土可以应用于各种建筑结构。但是，在实际应用中，混凝土结构内部总是存在不同程度的裂缝，环境中的离子会对混凝土进行不同程度的侵蚀与破坏[6]。根据格里菲斯微裂缝理论[7]，如果有微裂缝存在于材料内部，将会导致材料强度下降，严重时可破坏结构。微裂缝还会成为腐蚀性离子渗透的渠道，对建筑物耐久性造成严重影响。

地聚物混凝土在不同环境中的裂缝演变机制与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压强度、劈裂抗拉强度等基本力学性能，有关地聚物混凝土裂缝演变机制的研究很少，尚未形成系统。本项目通过试验分析，探究地聚物混凝土在不同特殊环境中的裂缝演变机制，为地聚物混凝土在实际工程中的应用积累经验，这对保证其在高层结构、道路、地下工程等重要基础设施应用中的安全性和耐久性具有一定的指导意义。

1 试验内容

1.1 试验原料

试验原料如表1所示，试验设备如表2所示。

1.2 试验流程

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、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006），对制备地聚物混凝土所需的粉煤灰、砂、石进行检验。利用NaOH溶液和水玻璃调配碱激发剂。将石、水泥、粉煤灰、砂和碱激发剂[8-9]依次加入搅拌机中，搅拌2～3 min，并保证拌合物的黏聚性及和易性。

采用混凝土振动成型法，将拌合物分层装入100 mm×100 mm×100 mm的试模，并用抹刀沿试模内壁稍加插捣，持续振动至密实。试样成型后，在初凝前，将试样抹面至表面平整。将试样置于标准养护箱24 h后，脱模并编号，再将试样置于标准养护室中养护28 d。

养护完成后，以超声波波速测试仪检测试样波速、抗压强度并预制裂缝，同时检测预制裂缝前后的超声波波速及残余强度。将预制裂缝的试样置于不同浓度的盐溶液和不同酸碱度的溶液中，此外，添加水环境作为非化学环境的对比。

浸泡至规定龄期（7、14、28、60 d）后，采用超声波法测定地聚物裂缝前后和愈合后的超声波速，以强度恢复率、超声波波速变化评价地聚物的密实程度。

2 结果与讨论

根据地聚物混凝土裂缝愈合前后的力学性能和裂缝宽度的检测结果，本研究得到pH分别为7、9、11、13的NaOH溶液环境下地聚物的自愈合性能。

2.1 碱环境下混凝土损伤愈合前后的力学性能变化

在不同碱度环境下，地聚物的强度和强度恢复率如表3所示。在堿度溶液环境下，地聚合物的强度及其恢复率随龄期延长的表现如图1、图2所示。

图1为不同浓度NaOH溶液下地聚物强度随龄期延长的变化曲线。结果发现，不同浓度的NaOH溶液环境下的地聚物试样均有不同程度的恢复，而且NaOH溶液浓度越高，强度恢复越明显;试样的强度恢复效果随期龄增加而增加;在碱度环境下，试样的强度的增长速率前期较小，中期增大，后期随龄期的延长逐渐平缓;在pH为13的溶液中浸泡60 d时，试样强度恢复最为明显，几乎完全恢复。

延长的变化曲线

由图2可以看出，在pH为7（水）、9、11的溶液中浸泡60 d时，试样强度恢复率未达到100%，分别为59.6%、67.8%、77.6%。在pH为13的溶液中浸泡60 d时，试样恢复效果最好，强度恢复率约为90.4%。

下面分析NaOH溶液环境下地聚物试样的自愈合作用。一方面，试样中地聚物及其掺和料硅氧四面体组成的玻璃体结构解体，未水化和一些水化的部分在遇水后进一步水化，产生新的产物填充裂缝[10];另一方面，离子的存在使得地聚物表面和内部的裂缝渗透性增加，OH-离子更易渗透到裂缝中。OH-离子可以保持地聚物系统的碱度，确保地聚物及其水化产物的长期稳定[11]。

在不同碱度NaOH溶液环境下，试样的强度增长速率前期较小，中期增大，后期随龄期的增加趋于稳定。原因是地聚物充分水化后，pH为13时，溶液为强碱性[12]。在试样外部碱度低于内部时，内外碱度需要一定时间才可达到平衡。当试样内外碱度平衡时，OH-离子在裂缝中积聚，进而激发地聚物颗粒进一步水化，有利于地聚物裂缝的自愈合。

2.2 超声波检测地聚物损伤自愈合情况

不同碱度NaOH溶液环境下，地聚物的波速和波速恢复率如表4所示。图3、图4为不同碱度NaOH溶液环境下地聚物的波速与恢复率随龄期延长的变化曲线。

由图3可知，试样在不同碱度NaOH溶液浸泡后具有不同程度的波速恢复，而且波速与地聚物的强度变化有良好的一致性;试样波速的恢复效果随龄期增加和溶液碱度的增大越来越明显;在不同碱度溶液下，试样波速的增长速率前期较小，中期增大，后期随龄期的延长趋于平缓;在pH为13的溶液浸泡下，试样的波速恢复效果最为明显。

图4为不同碱度NaOH溶液环境下地聚物波速恢复率随龄期的变化曲线。在pH为7（水）、9、11、13的溶液中浸泡60 d时，试样波速恢复率分别为46.4%、64.7%、79.5%、93.4%。

2.3 碱环境下地聚物损伤愈合前后的裂缝宽度变化

试样在pH分别为7（水）、9、11、13的溶液中浸泡至60 d，愈合前后的裂缝宽度变化如表5所示。

由表5可以看出，试样在不同碱度溶液中浸泡60 d时，裂缝有不同程度的愈合。在pH为7的溶液浸泡后，裂缝宽度愈合率仅为10.76%，愈合率极低;试样在pH为9的NaOH溶液中浸泡，愈合率约为12.80%;试样在pH为11的NaOH溶液中浸泡，裂缝愈合率有一定的提高，约为30.95%;试样在pH为13的NaOH溶液浸泡后，裂缝的愈合性能最优，裂缝愈合率约为62.63%。

通过上述不同碱度NaOH溶液浸泡前后的裂缝宽度变化可知，在一定碱度下，地聚物裂缝愈合率随NaOH溶液碱度的增加而增加。其原因可能是在外界碱度较大时，试样内外碱度更容易达到平衡，更易于催化水化反应，得到水化产物增多，裂缝愈合率提高。碱度提高对地聚物的自愈合有利，而且碱度越大，自愈合效果越好。

3 结论

通过对不同碱度NaOH溶液环境下粉煤灰基地聚物混凝土自愈合性能的研究，本文获得以下结论：碱环境下的地聚物自愈合效果要优于水环境下的自愈合效果。在pH为13的NaOH溶液下，试样的强度、波速和强度恢复率增长最显著。试样浸泡60 d时，其强度恢复率可达90.4%，裂缝宽度愈合率为62.63%。在不同碱度NaOH溶液中，随着浸泡龄期的增加，地聚物自愈合效果越明显。但是，如果浸泡龄期超出一定阈值，就可能对已愈合地聚物产生破坏作用。在不同碱度NaOH溶液的浸泡下，试样的自愈合速度起初较小，随后有所增加，最终趋于平缓。

参考文献：

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