地聚合物混凝土与普通混凝土交结应用技术研究（上）

（1. 西安高科新达混凝土有限责任公司，陕西 西安 710119；2. 陕西省混凝土行业协会，陕西 西安 710082）

0 前言

屹立数千年的古埃及金字塔，其良好的耐久性成为世界建筑史上的奇迹，同时也成为众多学者的研究课题。二十世纪七十年代初，法国著名学者约瑟夫.戴维德维斯通过长期的详细研究，发现在这些古建筑物质中存在着一种硅酸盐水泥石中所没有的非晶体物质，其基本结构为无机的硅氧四面体和铝氧四面体，形态呈网状无定形无机聚合物，故称其为地聚合物。

地聚合物作为一种新型高端材料，初经披露就引起材料领域人们的高度关注。这不仅是因为它具有良好的化学物理性能，更主要的是，在其广泛的材料基础上，矿渣、粉煤灰等工业生产中所产生的废料，二次被利用的潜在价值将有可能大幅度提升。为节能减排、循环经济开辟出一条更广阔、更高端的绿色通道。

我国作为一个混凝土需求大国，对利用粉煤灰、矿渣粉生产地聚合物混凝土的研究，虽然起步较晚，却也为时不短。早在二十世纪末，曾经风靡一时的碱矿渣水泥研究论文，在各种杂志刊物上也屡见不鲜。从某种意义上讲，这应是地聚合物材料研究之开端。令人遗憾的是，众多的研究成果，迄今尚未转化为能够实际应用的工业产品。究其原因很多，但主要原因无非是，成果稳定性差、无标准规范支撑、无法规政策支持。

科学研究的目的在于应用，虽然研究成果有时不一定被及时应用，但应用基于成果的完满无缺。目前地聚合物混凝土在我国尚属研究阶段，在世界范围内大规模应用于真正意义上的混凝土工程也几乎是凤毛麟角。鉴于实际情况，本课题拟以粉煤灰、矿渣粉地聚合物混凝土为研究起点，并全力将其现有研究成果，交结到普通混凝土之中，以便在最短时间内，实现新型技术在工程中的实际应用。

1 目标

1.1 粉煤灰基地聚合物混凝土技术目标

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小时，终凝不大于 10 小时。

（3）蒸养抗压强度 28 天不小于 50MPa，标养抗压强度 28 天不小于 40MPa。

1.2 矿渣粉基地聚合物混凝土技术目标

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小时。终凝不大于 10 小时。

（3）蒸养抗压强度 28 天不小于 70MPa，标养抗压强度 28 天不小于 60MPa。

1.3 普通混凝土与粉煤灰基地聚合物混凝土交结技术目标

（1）粉煤灰代替水泥用量不小于 50%。

（2）混凝土所有技术指标全部符合泵送混凝土现行标准要求。

（3）耐久性指标满足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 20 元/m3。

1.4 普通混凝土与矿渣粉基地聚合物交结技术目标

（1）矿渣粉代替水泥用量不小于 60%。

（2）混凝土所有技术指标全部符合泵送混凝土现行标准要求。

（3）耐久性指标满足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 15 元/m3。

2 粉煤灰基地聚合物混凝土试验

2.1 试验方案

方案拟定：

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土以 C30 为基础试验。

（2）以陕西渭河电厂正元牌粉煤灰作为胶结材料。

（3）四种水玻璃液体（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根据试验结果优选出水玻璃最佳品种。

（4）采用当地 5～25mm 碎石，灞河中砂，均为非活性骨料。

（5）应进行外加剂适应试验，包括萘系、羧酸。

（6）每种水玻璃新拌混凝土，应作工作度试验。并成型试件 12 组（100mm×100mm×100mm），其中6 组蒸养，6 组标养。

（7）成型试件应在成型环境中静养 48 小时方可拆模。拆模后 6 组立即进入蒸养箱，6 组进入标准养护室。

（8）蒸养试件进入蒸置箱后，应按要求逐步升温至 80℃，蒸养至 46 小时关机冷却，2 小时后，一组进行抗压强度试验，其余 5 组进入标准养护室。

（9）标养和蒸养加标养试件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 进行抗压强度试验。

（10）在优选出最佳水玻璃品种后，进一步进行分等级试验，试验内容及规定不变。

2.2 材料要求

（1）超细粉煤灰细度（0.045μm 筛）应小于 1%，其它指标应符合Ⅰ级粉煤灰要求。

（2）水玻璃浓度一律调整为 32%，模数调整为1.2。

（3）砂、石质量应符合现行规范标准要求。

（4）外加剂减水率要求：萘系不小于 16%，羧酸不小于 25%。

（5）调整水玻璃的水质应符合混凝土拌合水要求。

2.3 基础试验配合比确定

C30 混凝土基础试验配合比见表 1。

表1 基础试验配合比 k g/m3

2.4 粉煤灰基地聚合物混凝土基础试验结果

见表 2。

表2 基础试验情况说明及抗压强度汇总

2.5 粉煤灰基地聚合物混凝土基础试验结果分析

（1）从表 2 的备注说明中可以看到，用四种水玻璃液体配制的粉煤灰基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度较小，损失较大，且与萘系减水剂、羧酸减水剂均不相容。

（2）从表 2 的抗压强度汇总可以看到，K 类水玻璃优于 N 类水玻璃，KF 水玻璃优于 KY 水玻璃。这一结论是在标养试件和蒸养标养试件抗压强度中，得到的相同结论。

（3）粉煤灰基地聚合物混凝土蒸养后强度远髙与标养强度，这一现象在各龄期对比试件中高低分明。

（4）鉴于以上几点，确定在以下分级试验中只采用 K 类水玻璃，同时取消外加剂适应性试验，其它项目按原计划进行。

2.6 粉煤灰基地聚合物混凝土分级试验

（1）分级试验是在基础试验成果上，进一步向C40、C60 各等级粉煤灰基地聚合物混凝土试验的提升。

（2）分级试验只采用 KF、KY 两种水玻璃，维持基础试验中拌合溶液的相同质量和用量。分级提升粉煤灰的用量，形成不同的液胶比，以求得不同强度等级。

（3）分级试验配合比的确定，见表 3。

表3 分级试验配合比组成 k g/m3

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土分级试验结果，见表 4。

表4 分级试验情况说明及抗压强度汇总

（5）分级试验结果分析

从表 4 备注说明和抗压强度汇总可以看出，在锁定拌合液条件下，增加胶结材料无论多少，抗压强度不增反减。这充分说明，普通混凝土的恒定用水量法和鲍罗密公式，在粉煤灰基地聚合物混凝土中完全不适用。普通混凝土是水化凝结原理，锁定用水量，实际上是锁定了混凝土的坍落度，胶结材料的增减，是不同水胶比的需求，也就是不同强度等级的需求。而粉煤灰基地聚合物混凝土，是以碱金属溶液作为拌合液，其凝结原理是，碱金属溶液对胶结材料中硅铝分子的溶解重组，从而形成新的无机聚合物板块。这种强度基础是建立在碱金属溶液对特定粉煤灰的最佳浓度及最佳比例上，加大或减少其特定质量指标，均不可能获得最佳强度效应。故粉煤灰地聚合物混凝土，不宜作分级混凝土配制，只能按具体的粉煤灰品质，通过试验找出最佳激发剂品种及用量，配制成唯一等级的地聚合物混凝土，这是两种水玻璃材料得出的共同结论。

2.7 粉煤灰基地聚合物混凝土试验总结

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土相当粘稠，工作度很小，损失较快，且在常温下强度较低，不宜应用于普通混凝土，更不能应用于泵送混凝土。

（2）在科学合理的碱激发效应下，通过蒸养工艺，粉煤灰基地聚合物混凝土 4d 抗压强度可满足 C40要求，28d 抗压强度大于 C50。

（3）激发剂品种应选用 K 类水玻璃，浓度为32%，模数为 1.2。粉煤灰用量不宜大于 400kg/m3。

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土，具有很强的节能环保优势，但因其拌合液价格过高，使其制造成本要高于同等级的普通混凝土。从单纯经济效益考虑，目前应用于一般工程是得不偿失的。

（5）装配式混凝土生产企业，拥有蒸养设备及先进成型机械，具备生产粉煤灰地聚合物混凝土的基本要素，关键是还需要政府法规及政策面的支持。

（6）粉煤灰基地聚合物混凝土，适应于蒸养工艺。在特定粉煤灰品质，激发剂品种，拌合液浓度及比例锁定下，才能配制出唯一合理的混凝土强度等级。

（7）本课题目标除标养混凝土抗压强未达标，其余课题目标均已达标。

3 矿渣粉基地聚合物混凝土试验

3.1 试验方案

方案拟定：

（1）以 C60 矿渣粉基地聚合物混凝土为基础试验。

（2）以陕西龙钢 S95 矿粉作为胶结材料。

（3）以四种水玻璃液体（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根据试验结果优选出水玻璃最佳品种。

（4）采用当地 5～25mm 碎石，灞河中砂，均为非活性骨料。

（5）应进行外加剂适应性试验，萘系、羧酸。

（6）每种水玻璃新拌混凝土，应作工作度试验，并成型试件 12 组（100mm×100mm×100mm）其中 6组蒸养，6 组标养。

（7）成型试件应在成型环境中静置 48 小时，方可拆模，拆模后 6 组立即进入蒸养箱，6 组进入标准养护箱。

（8）蒸养试件进入蒸养箱后，应按标准要求逐步升温至 80℃，蒸养 46 小时关机冷却，2 小时后，一组进行抗压强度试验，其余 5 组进入标准养护室。

（9）标养及蒸养加标养试件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 进行抗压强度试验。

（10）在优选出最佳水玻璃品种后，进一步进行分等级试验，试验内容及规定不变。

3.2 材料要求

（1）矿渣粉表面积应大于 400m2/kg，其它指标应满足 S95 要求。

（2）水玻璃浓度一律调整为 32%，模数调整为1.2。

（3）砂、石质量应符合现行规范标准要求。

（4）外加剂减水率萘系不小于 16%，羧酸不小于25%。其它指标应符合相关标准要求。

（5）调整水玻璃的水质应符合混凝土拌合水要求。

3.3 基础试验配合比确定

见表 5。

表5 基础试验配合比组成 k g/m3

3.4 矿渣粉基地聚合物混凝土基础试验结果

见表 6。

表6 基础试验情况说明及抗压强度汇总

3.5 矿渣粉基地聚合物混凝土基础试验结果分析

（1）从表 6 的备注说明中可以看到，用四种水玻璃溶液所配制矿渣粉基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度较小，损失较快，萘系、羧酸外加剂均不能加入。

（2）从表 6 的抗压强度对比中可以看到，K 类水玻璃优于 N 类水玻璃，KY 水玻璃优于 KF 水玻璃，这一结论是在标养试件和蒸养加标养试件抗压强度对比下得到的相同结论。

（3）矿渣粉基地聚合物混凝土，蒸养加标养强度远髙于标养强度，这一现象在各龄期对比试件数据中高低一目了然。

（4）无论标养或蒸养加标养试件，KY 型矿渣粉基地聚合物混凝土，4d 抗压强度均能达到 C60 要求，28d均高于 C60，90d 亦均有所增长。尤其是蒸养加标养试件，90d 抗压强度已高达 90MPa 以上。

（5）鉴于以上几点，确定在分级试验中只采用 K类水玻璃，同时取消外加剂适应性试验，其它项目按原计划进行。

3.6 矿渣粉基地聚合物混凝土分级试验

（1）分级试验是在基础实验成果上，进一步向C60～C90 各等级矿渣粉基地聚合物混凝土试验的提升。

（2）分级试验只采用 KF、KY 两种水玻璃，维持基础试验中拌合溶液的相同质量和用量，分级提升矿渣粉用量，形成不同程度的液胶比，以求得不同程度的强度效应。

（3）分级试验配合比的确定，见表 7。

（4）矿渣粉基地聚合物混凝土分级试验结果，见表 8。

（5）分级试验结果分析

分级试验的目的，是锁定每立方米矿渣粉基地聚合物混凝土的拌合溶液用量，分级增加矿渣粉用量，以提升混凝土强度等级。从表 8 的试验数据可以看到，两种浓度相同的水玻璃溶液，在相同用量下，矿渣粉用量从360kg/m3，增加至 560kg/m3，各等级、各龄期试件抗压强度均低于 360kg/m3基准试件。标养与蒸养加标养试件强度发展规律也相当近似，这充分说明，矿渣粉基地聚合物混凝土和粉煤灰基地聚合物混凝土的聚合原理大致相同，所不同的是，矿渣粉基地聚合物混凝土，在常温下仍能产生较高强度，但这种强度效果，仍然受特定矿渣粉质量，激发剂溶液品质，相对浓度和最佳用量等等因素的约束。因而其只能配制成唯一合理的强度等级，分级配制基本不可能成立。

表7 分级试验配合比的组成 k g

表8 分级试验情况说明及抗压强度汇总

3.7 矿渣粉基地聚合物混凝土试验总结

（1）矿渣粉基地聚合物混凝土比较粘稠，工作度较小，损失极快，不宜应用于一般混凝土工程，更不能应用于泵送混凝土工程。

（2）在科学合理的碱激发效应下，标养强度 4d 可满足 C50 要求，28d 可满足 C60 要求，90d 强度仍有所增长。通过蒸养工艺 4d 抗压强度可满足 C60 要求，28d 抗压强度大于 C75，90d 抗压强度仍在增长。

（3）激发剂品种应选用 K 类水玻璃，浓度为32%，模数为 1.2，矿渣粉用量不宜大于 360kg/m3。

（4）矿渣粉基地聚合物混凝土，具有绝对的节能环保优势，但因其拌合溶液价格过高，几乎全部消化了水泥与矿渣粉之差价，和普通混凝土相比较，没有明显的经济效益。

（5）装配式混凝土生产企业，拥有蒸养设备及先进的成型机械，具备生产矿渣粉基地聚合物的基本要素，但仍需政策和标准的支持。

（6）矿渣粉基地聚合物混凝土，只能以特定矿渣粉质量、相应水玻璃品种、固定浓度和固定用量，才可能配制出唯一合理的强度等级。

（7）本课题目标已全部达标。

（未完，待续）