基于不同MPCM的GPC和PCC力學性能研究

趙 驍

南陽市鴨河口灌區管理局，河南 南陽 473002

將廢棄材料回收成新的建筑材料有助于保護環境和節約資源。地聚合物是硅酸鹽水泥的替代品，與硅酸鹽水泥相比，它能顯著減少溫室氣體排放，降低能耗。地聚合物可以由富含鋁硅酸鹽或高嶺石的工業廢料與堿性溶液結合制備而得。此外，與膠凝材料相比，地聚合物組分具有優異的力學性能，凝結時間更短。然而，對微膠囊相變材料（MPCM）在凍融條件下引起的地聚合物混凝土（GPC）和硅酸鹽水泥混凝土（PCC）抗壓強度變化的影響、抗侵蝕強度和微觀結構的影響鮮有報道。文章目的是基于混凝土的微觀結構，探討MPCM在解凍條件下對兩種地聚合物混凝土宏觀的力學性能的影響；此外，在霜凍條件下，研究了MPCM對GPC和PCC的早期性能的影響，有助于進一步理解相變材料在兼具室內保溫作用的同時對力學性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

使用兩種不同的帶有疏水殼的MPCM：一種是PE-EVAPCM，具有50%低密度聚乙烯（LDPE）和50%乙烯基乙酸乙酯（EVA）共聚物的殼；另一種是St-DVB-PCM，是由50%苯乙烯（St）和50%二乙烯基苯（DVB）共聚物組成的殼。使用石蠟作為兩種微膠囊的核心。由所用微膠囊的電子顯微鏡（SEM）圖像可知，PE-EVA-PCM呈非球形幾何形狀，含有大量團聚體，而St-DVB-PCM呈球形。

采用F級粉煤灰（FA）、磨細高爐礦渣（GGBFS）、砂、碎石等堿性激發劑配制地聚合物混凝土，用于制備堿性溶液的氫氧化鈉和硅酸鈉溶液。由GGBFS和F級粉煤灰的X射線熒光（XRF）測定的化學成分如表1所示。將硅酸鹽水泥與FA混合，為了在不添加大量水的情況下獲得更好的和易性，使用高效減水劑。

表1 X射線熒光法分析FA和GGBFS

用于地聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的碎石和砂的篩分情況如圖1所示。

圖1 骨料篩分情況

1.2 混合澆筑

對于所有的地聚合物，選擇硅酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液（14g/mol）的比例為1.5、總的SiO2與Na2O比為0.7的堿性溶液。配置的混合溶液中不含砂子，將微膠囊作為額外添加劑添加。對于混凝土配合比，用微膠囊取代相應體積的砂子。

地聚合物膏體由堿性溶液與地聚合物組成，兩者之比為0.4，低聚物是由再生廢料FA和磨細的高爐礦渣組成。地聚合物膏體拌和過程中，是先將地聚合物和堿性溶液混合90s，然后加入微膠囊并混合90s，以獲得均勻的糊狀物。對于硅酸鹽水泥漿體，拌和時先將水灰比為0.35的水與泥混合90s，獲得與地聚合物漿體相同的稠度；加入MPCM后，繼續混合90s。對于地聚合物和硅酸鹽水泥漿體，將MPCM作為另外20%體積的粉末材料加入。

為了獲得GPC和PCC的可靠數據，地聚合物的液體總量（堿性溶液+水）和水灰比保持在0.5的混凝土的量均不變。此外，對于不含微膠囊的混凝土，其碎石和砂的總量與地聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土幾乎相同。

為了減少混合過程對微膠囊的潛在損害，最后添加MPCM。地聚合物和硅酸鹽水泥漿體以及混凝土的組成如表2、表3所示。對于混凝土，微膠囊的百分比對應于用MPCM代替的砂的體積。

表2 地聚合物膏體與混凝土的配合比設計 單位：kg

表3 硅酸鹽膏體與混凝土的配合比設計 單位：kg

GPC和PCC樣品中，0%和20%的砂被St-DVB-PCM或PEEVA-PCM代替，在20℃時，由于GPC的凝固時間較短，使用振動機去除試樣內的空氣，而對于PCC試樣，則使用鋼杵壓實模具。將GPC和PCC澆鑄到10cm×10cm×10cm的模具中，預固化24h，然后對樣品進行脫模，脫模后的試樣在自來水中固化28d。在開始凍融循環之前，將固化后的樣品置于露天環境1h并稱重。在每個凍融循環中，首先將樣品浸泡在溫度為（3±1）℃的冷卻室中的自來水中6h，然后將樣品放置在溫度為（-20±1）℃的冰箱中18h。分別對樣品進行0次、7次、14次和28次凍融循環。

1.3 試驗方法

采用日立S3500N型電鏡（SEM）掃描，在15kV的加速電壓下，對0%和20%微膠囊的GPC和PCC進行礦物學表征研究。采用背散射電子（BSE）探測器對未拋光樣品進行成像，測量前在濺射鍍膜機上鍍鉑。

用Skyscan1172型CT掃描儀對含0%和20%微膠囊的PCC和GPC在0次和28次凍融循環后的內部微觀結構進行了X射線斷層掃描，入射輻射為85kV，每幀曝光時間為800ms，旋轉步長為0.3°。最后一組垂直堆疊切片（像素大小為6μm）使用FDK算法重建。使用Skyscan1172對從樣品中鉆取的圓柱形樣品（直徑為1cm，高度為1cm）進行測量。

2 試驗結果

用掃描電鏡（SEM）和X射線斷層成像對凍融循環0次和28次后含St-DVB-PCM和PE-EVA-PCM的GPC和PCC進行顯微結構表征。由28次凍融循環后樣品的掃描電鏡圖像可知，MPCM和混凝土基質之間的過渡區取決于微膠囊殼，疏水材料通常表現出與膠凝基質的不良黏附性，導致PCC和GPC微膠囊和混凝土基質之間存在可見間隙，說明混凝土和MPCM之間的結合不良。這可能會造成混凝土在反復凍融循環后的質量損失并導致強度降低。

在凍融循環過程中，PCC中形成的晶體是水化產物之一。在微膠囊的存在下，會在微膠囊和混凝土材料之間的間隙中形成晶體。形成的晶體會通過膨脹和固體體積的增加降低PCC的抗壓強度。

對于GPC，凍融循環后形成微裂紋。此外，含有PCM的所有樣品（GPC和PCC）在凍融循環后均出現微裂紋，而在沒有微膠囊的PCC的SEM圖像中看不到微裂紋。這可能是由于廣泛的晶體形成隱藏了在晶體下形成的微裂紋，預計微裂紋的形成會導致混凝土的劣化。

由無MPCMs的GPC和PCC的二維X射線顯微斷層切片圖像可知，明亮的顏色與具有高X射線衰減的組件相關，而具有低X射線衰減或無X射線衰減的組件則以深色顯示，視野約為1cm。凍融循環后，PCC基質和地聚合物膏體與碎石之間的界面過渡區出現明顯的微裂紋，這表明凍融循環引起的微裂紋是導致PCC和GPC損傷和劣化的主要原因。凍融循環后，在MPCM存在的情況下，PCC糊料和骨料之間未觀察到微裂紋。

3 結束語

文章研究了凍融循環對兩種不同MPCM復合材料GPC和PCC物理力學性能的影響。微觀結構研究表明，凍融循環過程中，由于毛細水的膨脹，GPC和PCC的界面均出現了微裂紋，而晶體則在暴露于凍融循環后的PCC中形成，這可能隱藏了晶體下形成的微裂紋，這些微裂紋可能導致混凝土的劣化。