地質(zhì)聚合物混凝土力學(xué)性能研究

谷丹丹 王 楷 韓宏光

（1.沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司遼寧分公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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產(chǎn)會排放大量二氧化碳，這與節(jié)能和環(huán)保理念相沖突，是急需解決的問題[1]。地質(zhì)聚合物是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究非常多的非金屬材料之一。地質(zhì)聚合物是由含鋁、硅的材料，在堿激發(fā)劑作用下，發(fā)生聚合作用形成的膠凝材料[2]。地質(zhì)聚合物混凝土采用粉煤灰代替水泥，粉煤灰是火力發(fā)電的固體廢棄物，這樣既可以加大粉煤灰的利用，又可以減少水泥使用帶來的環(huán)保問題。

地質(zhì)聚合物具有良好的力學(xué)優(yōu)點。本文研究水膠比、氫氧化鈉與水玻璃質(zhì)量比這兩種因素對地質(zhì)聚合物混凝土力學(xué)性能的影響，并對地質(zhì)聚合物混凝土下一步研究提出建議。

1 試驗內(nèi)容

1.1 原材料

高爐礦渣（密度3.10g/cm3，比表面積429.00m2/kg，28 d活性指數(shù)≥98.5%，燒失量0.84%，CaO含量34%，SiO2含量34.50%，SO3含量1.64%，Al2O3含量17.70%）；粉煤灰為一級粉煤灰（細(xì)度0.045mm，燒失量≤8%，含水率≤8%，SO3含量≤3%，CaO含量≤10%）。

氫氧化鈉（片狀固體，純度≥97%）；硅酸鈉（液體，SiO2含量≥28.81%，Na2O 含量≥9.06%）。

碎石采用兩種粒徑，5~10mm的占15%，10~20mm的占85%，密度2.70g/cm3；砂，細(xì)度模數(shù)2.8，級配合格。

1.2 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計采用正交設(shè)計方法[3]，借助正交表進行試驗設(shè)計，以較少的試驗次數(shù)獲得可靠的數(shù)據(jù)。地質(zhì)聚合物混凝土力學(xué)性能研究，取關(guān)鍵指標(biāo)——抗壓強度進行試驗分析。根據(jù)多位學(xué)者的研究，本文擬對氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比和水膠比兩種因素對地質(zhì)聚合物混凝土的力學(xué)性能進行研究，所以本次試驗分析根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗[4-5]，固定砂率0.4，堿溶液濃度56%，分析上述兩個因素對抗壓強度的影響。正交設(shè)計配合比見表1。

表1 正交設(shè)計配合比

1.3 試件制備

首先配制堿性溶液，然后與粉煤灰、砂石、高爐礦渣等材料拌合均勻，裝入立方體試模成型，室溫中養(yǎng)護24h后拆模，立即進行常溫水養(yǎng)護（溫度17~18℃），7d后取出，得到幾何尺寸為150mm×150mm×150mm試塊。

2 力學(xué)性能研究

2.1 抗壓強度計算

在液壓試驗機上進行力學(xué)性能試驗，測試不同配合比下的7d養(yǎng)護齡期的試件的抗壓強度。

混凝土立方體抗壓強度計算公式如下：

式中：

fcc——混凝土立方體抗壓強度，MPa；

F——試件破壞荷載，N；

A——試件承壓面積，mm2；

抗壓強度計算值精確至0.1MPa。

2.2 水膠比的影響

對水膠比為0.24、0.26、0.31，養(yǎng)護齡期為7d的試件進行立方體抗壓強度測試，得到水膠比與抗壓強度的折線圖和直方圖，如圖1和圖2所示。

圖1 水膠比對立方體抗壓強度的影響（折線圖）

圖2 水膠比對立方體抗壓強度的影響（直方圖）

由圖1、圖2可知，水膠比對抗壓強度的影響較明顯，隨著水膠比的增大，抗壓強度具有先增大后減小的趨勢。在水膠比0.26時立方體抗壓強度達(dá)到最大，從圖1中可以看出，當(dāng)水膠比從0.26增至0.31時，立方體抗壓強度減小的幅度較大。

當(dāng)水膠比較小時，由于水量較小，地質(zhì)聚合物不能充分地發(fā)生反應(yīng)，膠凝材料與骨料之間的黏結(jié)力也受到影響，地質(zhì)聚合物試件本身存在一些細(xì)小裂縫，影響聚合物化學(xué)成分及物理性能，最終降低了抗壓強度。當(dāng)水膠比太大時，隨著水量的增加，地質(zhì)聚合物可以充分地反應(yīng)，但是堿溶液濃度降低，相當(dāng)于堿激發(fā)劑被稀釋，對粉煤灰和礦渣發(fā)揮作用產(chǎn)生不利影響，影響聚合物的化學(xué)成分，使抗壓強度降低。

地質(zhì)聚合物混凝土制備時存在一個最優(yōu)水膠比，在最優(yōu)水膠比條件下，即可以使堿激發(fā)劑能夠充分地發(fā)生反應(yīng)，又可以使膠凝材料與骨料間的黏結(jié)力增強，最終得到一個較高的地質(zhì)聚合物混凝土抗壓強度。

2.3 氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比的影響

對氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比分別為0.15、0.24、0.29，養(yǎng)護齡期為7d的試件進行立方體抗壓強度測試，得到M（NaOH）/M（Na2SiO3）與抗壓強度的折線圖和直方圖，如圖3、圖4所示。

圖3 M(NaOH)/M(Na2SiO3)對立方體抗壓強度的影響（折線圖）

圖4 M(NaOH)/M(Na2SiO3)對立方體抗壓強度的影響（直方圖）

由圖3、圖4可知，氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比對抗壓強度的影響較大，隨著氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比的增大，抗壓強度具有先增大后減小的趨勢。M（NaOH）/M（Na2SiO3）比值在0.24時，立方體抗壓強度達(dá)到最大，從圖3 中可以看出，當(dāng)M（NaOH）/M（Na2SiO3）從0.24增至0.29時，立方體抗壓強度減小的幅度較大。

堿激發(fā)劑能夠促進粉煤灰和礦渣的反應(yīng)，兩種堿激發(fā)劑間存在一定的比例關(guān)系，從本實驗設(shè)計中可以看出，當(dāng)兩者比值在0.24時，試塊抗壓強度最大，堿激反應(yīng)效果最好。

2.4 破壞形態(tài)

本次試驗共進行9組試驗，每組試驗3個試件，在進行立方體抗壓強度試驗時，觀察每個試件破壞時的表面形態(tài)，如圖5所示。

圖5 混凝土試塊破壞時的表面形態(tài)

由圖5可以看出，試塊發(fā)生破壞時，由表面裂縫開始，對開裂試件進行表面處理，試件內(nèi)部呈黑青色，大部分試件僅是表層的混凝土或小粒徑混凝土脫落，其他部分混凝土完好。分析其原因，一是可能存在混凝土離析現(xiàn)象；二是地質(zhì)聚合物混凝土抗裂性能不是很好，由于試驗中混凝土表面開裂時試驗即停止，實際上混凝土試件還可以承受較大荷載，所以如果能夠提高混凝土的抗裂性能或者實施限制混凝土表面開裂的措施，地質(zhì)聚合物混凝土抗壓強度會提高較多。

3 結(jié)束語

通過本次試驗，可以得出如下結(jié)論：

（1）采用正交設(shè)計法進行試驗設(shè)計，可以優(yōu)化設(shè)計，進行相對較少的試驗即得到可靠的試驗數(shù)據(jù)。

（2）地質(zhì)聚合物混凝土抗壓強度隨著水膠比和氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比的增加而增大，但是達(dá)到某個數(shù)值后強度開始下降，從而可以判斷出地質(zhì)聚合物制備時存在最優(yōu)水膠比和堿激發(fā)劑配比值（氫氧化鈉與硅酸鈉水玻璃質(zhì)量比）。

（3）根據(jù)試件破壞形態(tài)，分析發(fā)現(xiàn)提高地質(zhì)聚合物混凝土抗裂性能可以提高混凝土的抗壓強度。根據(jù)試驗結(jié)果，下一步的研究方向是在地質(zhì)聚合物混凝土中摻加纖維提高混凝土的抗裂性能和限制表面開裂的物理措施。

（4）本次試驗在室溫下進行，在制備地質(zhì)聚合物混凝土過程中以及最后得到的抗壓強度并沒有產(chǎn)生明顯的差異，可以表明在北方10月份溫度條件下可以進行地質(zhì)聚合物混凝土的施工，可以通過進一步的試驗研究證明。