地質聚合物混凝土特性及應用

王璐瑤 姚絲思

摘要：地質聚合物是目前可以替代水泥的新型建筑材料之一，具有養護時間需求短、抗壓強度高、滲透性低、耐火性高等優點，其抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎強度、彈性模量等多種力學特性與固液比、堿活化劑濃度、固化時間及溫度等制備條件密切相關。本文從地質聚合物的發展展開，主要闡述了地質聚合物硬化特點、粘結力、界面過渡帶和耐火性等特點，總結了地質聚合物與傳統混凝土的優勢所在，并從今后的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：混凝土;地質聚合物;粘結力;耐火性

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215053

隨著城市化進程加快及基礎設施的增加，水泥的需求量不斷增加，但由于石灰石儲量有限，水泥生產技術提升緩慢造成的產能有限以及碳稅的增加，混凝土行業開始面臨著重要挑戰。據報道，印度的水泥需求量到2020年可能達到5.5億t，缺口為2.3億t，約58%。因此，開發可以替代水泥的粘合劑是目前解決該問題的途徑之一，如堿活化水泥、硫鋁酸鈣水泥、碳酸氧鎂水泥（負碳水泥）、超硫酸鹽水泥等。隨著對堿活化水泥研究的深入，可根據水合產物的相組成將其分為3類，分別為：具有R-A-S-H（R=Na+或K+）的鋁硅酸鹽基體系，具有R-C-A-S-H的堿活化礦渣以及堿性硅酸鹽水泥。近年來，地質聚合物因其養護時間需求短、抗壓強度高、滲透性低、耐火性高等優勢引起了廣泛關注，成為普通波蘭特水泥優秀的替代品，被用于制造建筑材料、混凝土、耐火涂料、纖維增強復合材料以及化學和工業廢料資源化處置等諸多方面。地質聚合物也可以被稱為無定形堿性鋁硅酸鹽或堿活化的水泥，可以通過使鋁硅酸鹽如粉煤灰（FA）、偏高嶺土（MK）、礦渣（SG）、稻殼灰（RHA）和高鈣木灰（HCWA）等，在堿性溶液中活化、聚合來生產地聚合物混凝土。因此，生產地質聚合物混凝土的效率高度依賴于活化劑以及鋁硅酸鹽資源的類型。與普通硅酸鹽水泥（OPC）或火山灰水泥不同，地質聚合物利用SIO2和AL2O3的縮聚反應以及高堿含量來獲得抗壓強度，摻有OPC的地質聚合物會形成水合硅酸鈣（C-S-H）以及SIO2和AL2O3和高堿含量的縮聚反應，從而獲得抗壓強度。

1地質聚合物的硬化性能

相關研究發現，地質聚合物的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎強度、彈性模量等力學特性與其在制備期間的固液含量比、活化劑強度、H2O/Na2O比、固化時間、固化溫度等條件密切相關。有學者[1]以粉煤灰為基礎材料，設置活化劑強度為8 ～14M時，所制成的地質聚合物抗壓強度可達30～80MPa，坍落度為100～250mm。當溫度為90℃，液固比為0.18時，地質聚合物混凝土的強度最高，而隨著液固含量比的增加，地質聚合物混凝土的抗壓強度會降低。地質聚合物混凝土的抗壓強度在高溫下固化24h后可以隨使用年限而保持不變，經各種條件優化后得到的地質聚合物混凝土的目標強度可高達80MPa。另外，還有學者[2]在液/固比為0.55的條件下，并于85℃固化20 h后制備了得到粉煤灰基地聚合物混凝土，其抗壓強度為45 MPa，且其彈性模量（18.4GPa）遠遠低于OPC混凝土（30.3GPa）。

另外，有研究證明粉煤灰基地質聚合物的實驗劈裂抗拉強度高于OPC水泥，這是由于骨料和地質聚合物漿之間形成了一個較密的界面區域，而彈性模量會隨著地質聚合物壓縮強度的增加而增加[3]。

2地質聚合物界面過渡帶

一般而言，骨料和基體之間的界面過渡區域是地質聚合物混凝土中最薄弱的，通常在載荷作用下會出現微裂紋，因此，對該區域的研究非常關鍵。地質聚合物與硬化漿料的微觀結構不同，普通混凝土界面過渡帶的高孔隙率會使氯化物、氧氣、硫酸鹽等物質更容易滲透到其結構中，但研究結果發現地質聚合物混凝土界面過渡帶是非常致密的，因此，其斷裂拉伸強度、粘結強度和耐久性能均高于普通混凝土[4]。有學者[5]以高嶺土和鈉長石為例，研究了地質聚合物中天然硅質骨料與糊劑之間的界面，結果發現糊劑與天然硅質骨料間的結合能力隨著活化溶液濃度的增加而增加。同時，氯鹽可能在骨料表面發生凝膠結晶導致脫粘，進而降低了糊劑與骨料之間的界面粘結強度。另外，他們也發現在活化溶液（10M NaOH和2.5M硅酸鈉）中添加0.5M可溶性硅酸鹽后，可以通過加速高嶺土或鈉長石中硅的溶解來促進富鋁的硅鋁酸鹽表面的形成，在此過程中形成的硅鋁酸鹽表面的Si/Al比與粉煤灰/偏高嶺和10M NaOH溶液活化后形成的地質聚合物中的真實界面相同。若無可溶性硅酸鹽添加，則不會形成沉積的硅鋁酸鹽界面。這表明，高濃度的堿金屬和可溶性硅酸鹽對于在硅質骨料和地質聚合物之間形成牢固的界面至關重要。

3地質聚合物與鋼筋的粘結力

鋼筋混凝土構件的結構性能取決于混凝土與鋼筋之間的結合力，其中結合力的機制會影響鋼筋的埋入長度，進而影響結構元件的承載能力，裂縫的開度和間距。因此，混凝土和鋼筋之間的界面傳遞力在結構設計中至關重要。鋼筋與混凝土的粘結強度與混凝土的強度、圍繞鋼筋的混凝土的厚度、鋼筋的幾何形狀等多種因素相關。有研究表明，鋼筋和地質聚合物混凝土的粘結強度隨鋼筋直徑和地質聚合物混凝土自身抗壓強度的增加而增加，且地質聚合物混凝土比普通OPC混凝土具有更高的粘結強度，這是因為骨料和地質聚合物之間的抗拉強度更高，界面過渡區更致密[2]。有學者[6]還進行了粉煤灰基地聚合物混凝土與水泥混凝土在梁端試樣中鋼筋之間的粘結行為比較試驗，結果發現粉煤灰基地質聚合物混凝土的粘結強度在10.6～19.4MPa之間，具體取決于覆蓋層與鋼筋的直徑比。盡管在地質聚合物和水泥混凝土中都觀察到了類似的分裂破壞模式，但在覆蓋層/鋼筋直徑比相同的條件下，地質聚合物混凝土的粘結強度仍要高于水泥混凝土。也有學者[7]證實，粉煤灰基地質聚合物的粘結強度隨著混凝土頂桿直徑比（1.71～3.62）和混凝土抗壓強度（25～29MPa）的增加而增加。還觀察到，地質聚合物比OPC混凝土具有更高的粘結強度，這是因為骨料和地質聚合物糊料之間的抗拉強度更高，界面過渡區更致密。

4地質聚合物耐火性

普通OPC混凝土通常具有良好的耐火性，但是，在800～1000℃條件下，由于其內部結晶水合物的脫水，骨料類型及滲透性受到破壞，其殘余強度一般不會超過20%～30%。而研究表明，地質聚合物在高溫條件下仍具有較好的耐火性。這是因為在陶瓷狀微結構中存在著高度分布的納米孔，這些納米孔允許物理和化學鍵合的水遷移和蒸發，但不會破壞硅鋁酸鹽網絡[8，9]。有學者[10]研究發現，經過800℃煅燒后，粉煤灰基地質聚合物漿料的殘余強度提高了6%，而偏高嶺土基地質聚合物漿料的強度降低了34%。在加熱過程中，粉煤灰基地質聚合物的高滲透性為其基質中的水分提供了逃逸路徑，從而減少了強度的損害。另外，強度增加也可能是未反應的粉煤灰顆粒的燒結反應造成的。與偏高嶺土和鈉基活化劑體系相比，用偏高嶺土和鉀基活化劑制成的地聚合物混凝土具有更高的后升高溫度性能。其強度的降低程度隨著Si/Al比（>1.5）的增加而降低，當骨料尺寸大于10mm，在環境溫度和高溫（800℃）下均具有良好的強度性能。當抗壓強度為40～100MPa時，溫度為850℃時，粉煤灰基地質聚合物的表面并未出現剝落現象，而在相同的抗壓強度和溫度條件下，由于粉煤灰基地質聚合物的孔隙率增加，因此其耐火裂性比OPC混凝土高[11]。

5結語

實踐證明，地質聚合物混凝土在建筑材料方面的應用擁有巨大潛力。在實際應用中應根據具體用途，如短期和長期機械性能以及整體耐久性等來設計具體的固化反應。對于如何增強材料與地聚合物混凝土之間的結合，如何增強地質聚合物混凝土的結構性能以及如何降低材料在地質聚合物混凝土中的腐蝕作用等方面的簡單易行的方法還需要進一步的研究。同時，地質聚合物粘合劑需要熱固化，高pH值條件，但在現場處理操作還存在較多困難。因此，今后仍需開發操作簡單的固體活化劑來取代目前堿激發溶液。

參考文獻

[1] Hardijito D， Wallah SE， Sumajouw DMJ， et al. On the Development of Fly Ash-Based GeopolymerConcrete[J]. ACI Mater. J.， 2004， 101（6）： 467-472.

[2]Fernandez-Jiminez AM， Palomo A， Lopez-Hombrados C. Engineering propertiesof alkali-activated fly ash concrete[J]. ACI Mater J .2006（103）：106-112.

[3]Ryu GS， Lee YB， Koh KT， et al. The mechanical properties of fly ash-based geopolymer concrete with alkaline activators[J]. Constr. Build Mater.，2013（47）：409-418.

[4]Sarker PK， Haque R， Ramgolam KV. Fracture properties of heat cured fly ashbasedgeopolymerconcrete[J]. Mater.Des.， 2013（44）：580-586.

[5]Lee WKW， Van Deventure JSJ. The interface between natural siliceous aggregates and geopolymers.Cem[J].Concr. Res.， 2004（34）：195-206.

[6]?P.K. Sarker， Bond strength of reinforcing steel embedded in fly ash-based geopolymerconcrete[J]， Mater. Struct. 2011（44）：1021-1030.

[7]Sarker PK. Bond strength of reinforcing steel embedded in fly ash-based geopolymerconcrete[J]. Mater.Struct.， 2011（44）：1021-1030.

[8]?Neville AM. Properties of concrete. 4th ed[M]. India： Dorling KindersleyPublishing， Inc.， 1997.

[9]?Kong DLY， Sanjayan JG. Effect of elevated temperatures on geopolymerpaste，mortar and concrete[J].Cem.Concr. Res.， 2010（40）：334-339.

[10]?Kong DLK， Sanjayan JG， Crentsil KS. Comparative performance of geopolymers made with metakaolin and fly ash after exposure to elevated temperature[J]. Cem.Concr. Res.， 2007（37） ：1583-1589.

[11]?Zhao R， Sanjayan JG. Geopolymer and Portland cement concretes in simulated fire. Mag[J].Concr. Res.， 2011（63）：163-173.

作者簡介：王璐瑤（1993-），女，碩士，助理工程師。研究方向：土壤修復。