地质聚合物混凝土力学性能研究

谷丹丹 王 楷 韩宏光

（1.沈阳工学院，辽宁 抚顺 113000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司辽宁分公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着国家基础设施的建设和完善，混凝土使用量日益增多，而混凝土原材料之一水泥的生产会排放大量二氧化碳，这与节能和环保理念相冲突，是急需解决的问题[1]。地质聚合物是近年来国内外学者研究非常多的非金属材料之一。地质聚合物是由含铝、硅的材料，在碱激发剂作用下，发生聚合作用形成的胶凝材料[2]。地质聚合物混凝土采用粉煤灰代替水泥，粉煤灰是火力发电的固体废弃物，这样既可以加大粉煤灰的利用，又可以减少水泥使用带来的环保问题。

地质聚合物具有良好的力学优点。本文研究水胶比、氢氧化钠与水玻璃质量比这两种因素对地质聚合物混凝土力学性能的影响，并对地质聚合物混凝土下一步研究提出建议。

1 试验内容

1.1 原材料

高炉矿渣（密度3.10g/cm3，比表面积429.00m2/kg，28 d活性指数≥98.5%，烧失量0.84%，CaO含量34%，SiO2含量34.50%，SO3含量1.64%，Al2O3含量17.70%）；粉煤灰为一级粉煤灰（细度0.045mm，烧失量≤8%，含水率≤8%，SO3含量≤3%，CaO含量≤10%）。

氢氧化钠（片状固体，纯度≥97%）；硅酸钠（液体，SiO2含量≥28.81%，Na2O 含量≥9.06%）。

碎石采用两种粒径，5~10mm的占15%，10~20mm的占85%，密度2.70g/cm3；砂，细度模数2.8，级配合格。

1.2 配合比设计

配合比设计采用正交设计方法[3]，借助正交表进行试验设计，以较少的试验次数获得可靠的数据。地质聚合物混凝土力学性能研究，取关键指标——抗压强度进行试验分析。根据多位学者的研究，本文拟对氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比和水胶比两种因素对地质聚合物混凝土的力学性能进行研究，所以本次试验分析根据有关经验[4-5]，固定砂率0.4，碱溶液浓度56%，分析上述两个因素对抗压强度的影响。正交设计配合比见表1。

表1 正交设计配合比

1.3 试件制备

首先配制碱性溶液，然后与粉煤灰、砂石、高炉矿渣等材料拌合均匀，装入立方体试模成型，室温中养护24h后拆模，立即进行常温水养护（温度17~18℃），7d后取出，得到几何尺寸为150mm×150mm×150mm试块。

2 力学性能研究

2.1 抗压强度计算

在液压试验机上进行力学性能试验，测试不同配合比下的7d养护龄期的试件的抗压强度。

混凝土立方体抗压强度计算公式如下：

式中：

fcc——混凝土立方体抗压强度，MPa；

F——试件破坏荷载，N；

A——试件承压面积，mm2；

抗压强度计算值精确至0.1MPa。

2.2 水胶比的影响

对水胶比为0.24、0.26、0.31，养护龄期为7d的试件进行立方体抗压强度测试，得到水胶比与抗压强度的折线图和直方图，如图1和图2所示。

图1 水胶比对立方体抗压强度的影响（折线图）

图2 水胶比对立方体抗压强度的影响（直方图）

由图1、图2可知，水胶比对抗压强度的影响较明显，随着水胶比的增大，抗压强度具有先增大后减小的趋势。在水胶比0.26时立方体抗压强度达到最大，从图1中可以看出，当水胶比从0.26增至0.31时，立方体抗压强度减小的幅度较大。

当水胶比较小时，由于水量较小，地质聚合物不能充分地发生反应，胶凝材料与骨料之间的黏结力也受到影响，地质聚合物试件本身存在一些细小裂缝，影响聚合物化学成分及物理性能，最终降低了抗压强度。当水胶比太大时，随着水量的增加，地质聚合物可以充分地反应，但是碱溶液浓度降低，相当于碱激发剂被稀释，对粉煤灰和矿渣发挥作用产生不利影响，影响聚合物的化学成分，使抗压强度降低。

地质聚合物混凝土制备时存在一个最优水胶比，在最优水胶比条件下，即可以使碱激发剂能够充分地发生反应，又可以使胶凝材料与骨料间的黏结力增强，最终得到一个较高的地质聚合物混凝土抗压强度。

2.3 氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比的影响

对氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比分别为0.15、0.24、0.29，养护龄期为7d的试件进行立方体抗压强度测试，得到M（NaOH）/M（Na2SiO3）与抗压强度的折线图和直方图，如图3、图4所示。

图3 M(NaOH)/M(Na2SiO3)对立方体抗压强度的影响（折线图）

图4 M(NaOH)/M(Na2SiO3)对立方体抗压强度的影响（直方图）

由图3、图4可知，氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比对抗压强度的影响较大，随着氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比的增大，抗压强度具有先增大后减小的趋势。M（NaOH）/M（Na2SiO3）比值在0.24时，立方体抗压强度达到最大，从图3 中可以看出，当M（NaOH）/M（Na2SiO3）从0.24增至0.29时，立方体抗压强度减小的幅度较大。

碱激发剂能够促进粉煤灰和矿渣的反应，两种碱激发剂间存在一定的比例关系，从本实验设计中可以看出，当两者比值在0.24时，试块抗压强度最大，碱激反应效果最好。

2.4 破坏形态

本次试验共进行9组试验，每组试验3个试件，在进行立方体抗压强度试验时，观察每个试件破坏时的表面形态，如图5所示。

图5 混凝土试块破坏时的表面形态

由图5可以看出，试块发生破坏时，由表面裂缝开始，对开裂试件进行表面处理，试件内部呈黑青色，大部分试件仅是表层的混凝土或小粒径混凝土脱落，其他部分混凝土完好。分析其原因，一是可能存在混凝土离析现象；二是地质聚合物混凝土抗裂性能不是很好，由于试验中混凝土表面开裂时试验即停止，实际上混凝土试件还可以承受较大荷载，所以如果能够提高混凝土的抗裂性能或者实施限制混凝土表面开裂的措施，地质聚合物混凝土抗压强度会提高较多。

3 结束语

通过本次试验，可以得出如下结论：

（1）采用正交设计法进行试验设计，可以优化设计，进行相对较少的试验即得到可靠的试验数据。

（2）地质聚合物混凝土抗压强度随着水胶比和氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比的增加而增大，但是达到某个数值后强度开始下降，从而可以判断出地质聚合物制备时存在最优水胶比和碱激发剂配比值（氢氧化钠与硅酸钠水玻璃质量比）。

（3）根据试件破坏形态，分析发现提高地质聚合物混凝土抗裂性能可以提高混凝土的抗压强度。根据试验结果，下一步的研究方向是在地质聚合物混凝土中掺加纤维提高混凝土的抗裂性能和限制表面开裂的物理措施。

（4）本次试验在室温下进行，在制备地质聚合物混凝土过程中以及最后得到的抗压强度并没有产生明显的差异，可以表明在北方10月份温度条件下可以进行地质聚合物混凝土的施工，可以通过进一步的试验研究证明。