地质聚合物砂浆的性能及工程应用研究进展

2023-09-13李政阳罗正东

广东土木与建筑 2023年7期

王武，李政阳，罗正东

（1、湖南省西湖建筑集团有限公司长沙 410013；2、湘潭大学土木工程学院湖南湘潭 411105）

0 引言

随着经济的快速发展，我国的基础设施经历了大规模的建设期，隧道工程、桥梁工程等基础设施在长期的服役过程中，其混凝土构件面临自身材料的劣化、外部有害物质的侵蚀（硫酸盐、氯离子）和承载能力退化等一系列问题［1-2］。就功能下降的既有混凝土结构而言，亟需对其采取修复加固措施，修复加固既提升了建筑的结构性能，也延续了其使用寿命。

目前使用最为广泛的修复加固材料为水泥基材料，具有来源广、产量大、应用成熟的优势，但存在干缩大、易开裂、水稳性差等问题，且普通水泥基材料与既有混凝土的粘结效果较差；再者，水泥基材料的生产过程伴随着能源的大量消耗、温室气体及有害物质的排放，水泥颗粒早期水化不完全，易出现早期强度低、耐久性差等质量问题［3-4］。

结合我国目前推进落实“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”目标，开发环保节能型既有混凝土结构修复加固材料具有重要的战略意义和工程意义。地质聚合物作为最可能取代水泥的新型绿色胶凝材料，成为各国学者的研究热点。相比于水泥，由硅铝材料在强碱激发下制成的地质聚合物不仅具有良好的力学性能和耐久性能，而且在节能、环保、经济等方面具有重要意义［5-6］。

同样，地质聚合物砂浆与水泥砂浆相比，其具有优良的耐酸、耐火、耐高温等优良的性能［7］，且目前地质聚合物砂浆在加固既有建筑结构及修补路面结构等领域均有应用。

1 地质聚合物砂浆物理性能研究

1.1 多元基地质聚合物力学性能研究

前驱体的种类对地质聚合物强度有较大的影响，国内外学者对前驱体种类进行了广泛的研究。杨世玉等人［8］利用正交设计和单一变量法研究了养护温度、养护时长对粉煤灰基地质聚合物砂浆力学性能影响，研究表明粉煤灰基地质聚合物砂浆抗压强度随温度上升呈线性增长，同一温度下养护24 h抗压强度可达最大强度的91.9%，抗折强度可达最大值的71.3%。同时有学者指出［9］，粉煤灰在常温下反应速率慢，但是后期强度增长明显，这是由于未参与反应的粉煤灰颗粒填充水化产物之间的空隙，使得反应物生成更致密的结构。

地质聚合物原材料种类较多，引入第二种原材料参与聚合反应，可有效改良地质聚合物力学性能，且有利于固废的再利用。MAHDI 等人［10］利用砖厂窑炉中获得的稻壳灰（RHA）代替部分粉煤灰（FA）制备地质聚合物砂浆，研究发现稻壳灰与粉煤灰比例为3∶7时，用浓度为10M 的氢氧化钠溶液作为碱激发剂所制成的地质聚合物砂浆样品28 d抗压强度最大，其最大值为30.62 MPa；56 d 抗压强度为39.1 MPa，较28 d 抗压强度继续增长了27.7%。KURI 等人［11］利用研磨后的镍铁渣（GFNS）和粉煤灰（FA）作为原材料，采用氢氧化钠和硅酸钠混合溶液为碱激发剂制作地质聚合物砂浆试件，结果表明，用镍铁渣替代部分粉煤灰可有效减少地质聚合物砂浆的凝结时间，且当镍铁渣掺量为75%时，镍铁-粉煤灰二元基地质聚合物砂浆28 d抗压强度可达65.0 MPa。这表明二元前驱体可有效改善地质聚合物砂浆的力学性能。

在此基础上，ISLAM 等人［12］进一步使用粉煤灰（FA）、棕榈油燃料灰（POFA）和高炉矿渣（GGBS）三种工业副产品作为原材料，研究改变三种粘合剂掺量百分比对地质聚合物砂浆抗压强度的影响，结果表明，GGBS∶POFA∶FA=50∶25∶25 时制作的三元基地质聚合物砂浆28 d 强度可达54.0 MPa，且强度随高炉矿渣掺量的增加而增加，当高炉矿渣含量超过70%时，砂浆试件强度不再有明显提高。

1.2 地质聚合物砂浆耐高温性能研究

在高温环境下，地质聚合物砂浆中的骨料和浆体之间的膨胀系数差异导致其收缩不均匀，在不同应力下发生开裂等现象，强度和粘结性显著下降。张海燕等人［13］研究发现，高温对地质聚合物砂浆抗折强度影响大于抗压强度，当温度从100 ℃升至700 ℃，地质聚合物砂浆抗折强度损失了82%，抗压强度损失38.9%，偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物砂浆在100 ℃性能最佳，在300～700 ℃内力学性能逐渐下降。

HAGER I 等人［14］探究了在高温环境下矿渣对粉煤灰基地质聚合物的影响，在高温环境下由于粉煤灰中铁化合物发生氧化，砂浆试件的颜色由深灰色变为偏红色，因此不添加矿渣的地质聚合物砂浆颜色变化更为明显，添加50%的矿渣能有效提高地质聚合物砂浆强度，90 d 强度可达105.0 MPa，90 d 单元粉煤灰基地质聚合物砂浆强度为40.8 MPa，但是单元粉煤灰基地质聚合物砂浆较矿渣-粉煤灰二元基砂浆表现出更优异的耐热性能。

此外，砂浆骨料的材质，同样对地质聚合物砂浆耐高温性能有重要的影响。TEBBAL 等人［15］利用结晶渣（CS）部分替代当地普通砂（DS）组成二元基砂，探究高温对矿渣基地质聚合物砂浆力学性能的影响，结果表明，在高温环境下添加结晶渣的地质聚合物砂浆外表剥落较少，表面结构更为完整，而且以40%CS/60%DS的比例混合成的二元砂表现出最佳的耐热性，在400 ℃时抗压强度达到最大值36.0 MPa，当温度上升至800 ℃以上时，地质聚合物砂浆失去了强度。

SIVASAKTHI 等人［16］用铜渣代替河沙制作粉煤灰基地质聚合物砂浆，研究其在高温环境下的力学性能变化，结果表明，室温情况下，铜渣制备的地质聚合物砂浆与河砂制备的地质聚合物砂浆抗压强度相当；高温环境下，铜渣制备的地质聚合物砂浆高温残余强度较河砂制备的地质聚合物砂浆提高了50%，且铜渣制备的地质聚合物砂浆热应变很低，高温下热膨胀率仅为0.002%，在实际工程使用中可忽略不计，因此铜渣也可被视为河砂的替代品。

1.3 地质聚合物砂浆耐腐蚀性能研究

地质聚合物砂浆具有良好的耐腐蚀性能是其具有广泛应用前景的必备条件之一。郑毅等人［17］探究了地质聚合物砂浆抗硫酸盐侵蚀的性能，其制作了4 种不同基材地质聚合物砂浆，并在硫酸盐溶液种浸泡120 d，地质聚合物砂浆分别为：偏高岭土基地质聚合物砂浆（MK-M）、偏高岭土-矿渣基地质聚合物砂浆（MK+SG-M）、矿渣基地质聚合物砂浆（SG-M）和矿渣-粉煤灰（SG+FA-M）基地质聚合物砂浆，研究表明，SG-M 砂浆中含有更多钙离子，更容易受到MgSO4侵蚀，浸泡120 d 后抗压抗蚀系数仅为0.73，MK-M 和MK+SG-M 则表现出更好的抗MgSO4侵蚀性能，浸泡120 d 后抗压和抗腐蚀系数分别为0.84 和0.96。SG+FA -M 和SG-M 在（NH4）2SO4溶液中表现出较差的抗腐蚀性，抗压抗腐蚀系数仅为0.68 和0.50，认为这是由于NH4+离子加速了钙离子剥落，导致地质聚合物砂浆结构松散。

还有学者研究发现，酸激发制成的地质聚合物同样具有良好的耐腐蚀性。JAISAI 等人［18］探究用酸性溶液制成地质聚合物砂浆的抗腐蚀性能，研究表明TMG 式样较CMG 密度更低，这是由于HCL 降低了基体的pH 值，抑制了FA 的溶解，地质聚合物砂浆中形成了更宽的间隙。TGM 在酸性介质中的降解速度均慢于CGM。

氯离子侵蚀不仅对地质聚合物砂浆结构造成影响，同样还会对钢筋造成腐蚀。LIANG等人［19］采用电位法和腐蚀电流法对赤泥-矿渣基地质聚合物砂浆和水泥砂浆中钢筋耐腐蚀性能进行了研究，结果表明在氯盐含量相同的情况下，水泥砂浆中钢筋的腐蚀电流远大于地质聚合物砂浆钢筋中的电流，地质聚合物砂浆表现出更好的抗氯离子侵蚀性能。

1.4 外加剂对地质聚合物砂浆性能影响

外加剂可有效改变地质聚合物砂浆的力学性能，目前对外加剂的研究主要集中于有减水剂、聚合物、工业垃圾和纤维等。

程国东等人［20］使用木质素减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺减水剂和聚羧酸高性能减水剂来探究减水剂对粉煤灰-矿渣基地质聚合物砂浆性能的影响。研究表明加入萘系减水剂，水玻璃的掺量不影响地质聚合物砂浆扩展度，掺入其余三类减水剂的地质聚合物砂浆，水玻璃掺量较大的砂浆有较好的扩展度，地质聚合物砂浆强度方面，在水玻璃掺量16%的情况下，掺入萘系减水剂或PC1016 减水剂不影响地质聚合物砂浆抗折强度。

刘翼玮等人［21］探究了硅灰的掺量对粉煤灰-矿渣基地质聚合物抗压强度和流动性能的影响，研究发现适量的硅灰掺量对地质聚合物抗压强度具有正向作用，矿渣含量＞50%，粉煤灰含量＜30%，硅灰含量＜30%时制成的地质聚合物抗压强度可达100 MPa。流动性方面，适当硅灰的掺量可延长初凝和终凝时间，这是因为硅灰颗粒小，在粉煤灰颗粒和矿渣颗粒之间起到填充作用，有效降低浆体塑性黏度，提高浆体流动性。

SAHIN 等人［22］使用聚乙烯醇（PVA）作为外加剂，探究PVA 掺量对偏高岭土基地质聚合物砂浆力学性能的影响，研究发现当砂浆PVA含量为4%时，抗压强度和抗折强度有明显提高，但抗压强度的提高随PVA纤维掺量的增加而降低。添加1.2%PVA 地质聚合物砂浆28 d 抗压强度达47.17 MPa，相对不添加提高了26.56%。同样，添加1.2%PVA地质聚合物砂浆28 d弯曲强度增加了83.8%，因此PVA 纤维对地质聚合物砂浆弯曲强度的影响大于对其抗压强度影响。

WONGSA 等人［23］利用剑麻纤维和椰子纤维两种天然纤维，以不同比例作为外加剂掺入地质聚合物砂浆中，探究天然纤维对粉煤灰基地质聚合物砂浆性能的影响，研究发现粉煤灰基地质聚合物砂浆弯曲强度和劈裂抗拉强度随纤维体积分数的增加而增加，其中弯曲强度提高了5.3～6.6 MPa。砂浆抗压强度及和易性与纤维掺量呈反比。

2 地质聚合物砂浆工程应用

2.1 地质聚合物砂浆加固既有建筑结构

地质聚合物砂浆其潜在的应用前景之一就是代替水泥砂浆作为结构修补加固材料，目前国内外学者对其与混凝土界面粘结性能已做了较多研究。

张海燕等人［24］以粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物砂浆作为植筋锚固胶体，探究锚固长度、钢筋直径等对地质聚合物砂浆锚固性能的影响。研究人员对比养护28 d 普通水泥砂浆（CM）和养护3 d 地质聚合物砂浆（GM）的力学性能，所制成的CM 与GM 抗折、抗压和抗剪切强度相差不大，但是与既有混凝土粘结强度方面，GM 优于CM，其强度值为CM 的1.4 倍。在混凝土基体和花岗岩基体中，采用静载方式加载，锚固深度达到12 d即可满足《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程：JGJ/T 271—2012》要求。在施加动荷载情况下，采用不高于70%最大荷载进行重复加载，其粘结强度仍满足相关要求，除此之外，其利用纺织物增强地质聚合物砂浆（TRGM）分层加固混凝土板，加固区为两支架之间的板底面，先涂抹1 层普通粘结砂浆，再将纺织物纵向放置并按压进砂浆视为1 层加固完成，研究表明，涂抹1层、2层和3层的纺织物增强地质聚合物砂浆（TRGM）加固的混凝土板，其抗弯强度分别增强了26%、53%和92%，且织物横向均匀分布较纵向均匀分布加固效果更优。

吴波［25］等人探究了常温下地质聚合物粘贴碳纤维布对混凝土结构加固的有效性，研究发现采用地质聚合物粘贴单层碳纤维布加固的试件承载能力与环氧类胶加固试件相当，但采用地质聚合物加固样品的位移延性系数平均降低了30%，环氧类胶加固样品位移延性系数仅降低14.3%。

WANG 等人［26］通过拉拔试验和微观试验分析对比粉煤灰-矿渣基地质聚合物砂浆（GSFA）、粉煤灰基地质聚合物砂浆（GFA）、矿渣基地质聚合物砂浆（GS）和混凝土基体的粘结强度，试验结果表明GFA修补强度较原混凝土基体强度降低了83.3%，GSFA 和GS 修补强度较原混凝土基体强度分别提高了1.9%和8.3%，钙元素含量较高的砂浆表现出更好的粘结强度和力学性能。

2.2 地质聚合物砂浆修补路面

ALANAZI 等人［27］制作了偏高领土基地质聚合物路面修补材料，与市场上的几种修补材相对比发现，地质聚合物砂浆3 d 强度可达28 d 强度的80%，但是值得注意的是，其24 h 内的强度较低，通过劈裂试验结构发现，和其他路面修复材料相比，偏高领土地质聚合物砂浆与基体粘结强度较高。

常利等人［28］制备粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物水泥用以修补路面，当碱激发剂掺量为10%，普通水泥掺量为10%时制成的地质聚合物水泥3 d抗压强度达42.6 MPa，抗折强度达5.0 MPa，浇筑后8 h 抗压强度可达3 d强度的69.95%。用最佳性能地质聚合物混凝土进行混凝土修补试验，修补试件粘结强度平均为2.8 MPa，同时还表现出良好的粘结性能。

MUKIZA 等人［29］采用赤泥为主要材料，制备环保型路基路面，研究表明地质聚合物路面基材的强度随赤泥掺量的增加，呈线性下降的趋势，采用最佳配合比制成的地质聚合物路面基材，在养护7 d 后强度可达6.66 MPa，满足国家标准Ⅰ类要求的5.0～7.0 MPa，经长期浸泡的地质聚合物材料任然有强度增长的趋势，这表明以赤泥为主要材料制成的路基路面具有良好的抗侵蚀性能。

CHEN 等人［30］在室内试验的基础上，进一步进行了现场试验，研究发现，矿渣可有效提高地质聚合物砂浆的早期强度，当矿渣含量为30%时，砂浆的粘结强度和干缩率均优于传统的路面修补材料，通过探地雷达检测已完成修补的道路，可以发现使用地质聚合物砂浆修补的路面，在修补完成6 h后即可通车，其粘结强度为2.95 MPa，抗压强度可达22.8 MPa。