陶粒摻量和級配對酸激發地聚合物物理力學性能的影響研究

王 昊 張仰龍 馬 彬

（桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

地聚合物最初由法國學者提出，并被人們廣為接受[1]。地聚合物常以工業副產品為主要原材料制備，例如煤灰、偏高嶺土、礦渣等，其具有制備流程簡單、高早強、耐腐蝕、耐高溫以及低能耗低排放等優異性能[2-3]。然而，傳統堿激發地聚合物易出現“泛堿”和脆性高的問題，導致其在工程領域的應用受限。與堿激發地聚合物相比，酸激發地聚合物具有更強的黏結性，從而具有更高的抗壓強度、更低的風化率以及更高的熱穩定性[4]。然而，由于酸激發地聚合物早期收縮過大，導致其應用受限，且主要作為注漿材料使用。

陶粒是一種輕骨料，其自身的堆積密度一般為300～900kg/m3。此外，陶粒具有密度小、孔隙高、熱導率低等優點，同時具有良好的保水和反水性質。因此，陶粒在工程領域一直是重要的建筑節能材料。陶粒混凝土的應用與研究受到國內外學者的廣泛關注[5-6]。陶粒在混凝土中能吸收水泥漿的水分，使混凝土的密實度增加。此外，在陶粒混凝土硬化過程中，陶粒孔隙水分能向水泥漿返還，起到內養護作用[7]。目前，陶粒對酸激發地聚合物影響的研究相對較少，尤其是對改善酸激發地聚合物初期干燥收縮與開裂的研究幾乎空白。

本文將以酸激發偏高嶺土基地聚合為基體，摻入陶粒制備地聚合物陶粒混凝土。分析陶粒摻量及級配對酸激發地聚合物物理力學性能的影響，為其工程應用提供理論指導。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

偏高嶺土（600℃煅燒）采購自上海昊弗化工有限公司。陶粒采購自湖南祁東建旺科技陶粒有限公司，其中陶粒的密度約為0.5g/cm3。磷酸采購自廣西學林化工有限公司，濃度為85%。以上原材料的化學組成如表1所示。

表1 原材料的化學組成（單位：%）

1.2 試驗方案設計

將85%濃度磷酸稀釋為8mol/L磷酸溶液，水固比設定為1.4，保證磷酸與偏高嶺土充分反應。考慮到輕質陶粒骨料在地聚合物中會出現上浮問題，結合前期研究[8]，陶粒含量不超過9%。通過調節陶粒摻量，陶粒級配參數分別設立摻量組和級配組。摻量組：陶粒粒徑設定為0.63～1.25mm，養護溫度40℃，養護濕度90%，養護時長24h，陶粒摻量分別為3%，6%，9%。級配組：陶粒摻量固定為6%，養護溫度40℃，養護濕度90%，養護時長24h，陶粒級配為0～0.315mm，0.315～0.63mm，0.63～1.25mm。摻量組和級配組的配合比見表2和表3所示。

表2 摻量組試樣的配合比（單位：g）

表3 級配組試樣的配合比

1.3 試樣制備

首先，將85%濃度磷酸與水調配成濃度為8mol/L的磷酸溶液，靜置至常溫。將磷酸溶液與偏高嶺土混合攪拌3～5min，按照實驗方案設計的摻量組與級配組分別摻入不同含量的陶粒再次均勻攪拌5min，分別倒入40mm×40mm×40mm（強度測試）與25mm×25mm×280mm（干燥收縮測試）的模具中振實。然后，將注漿后的模具放入養護箱（溫度為40℃，濕度為90%），養護24h后拆模、標記。最后，將試樣放入干燥養護箱（溫度22℃，濕度50%），一定齡期后取出測試。

1.4 試樣性能測試

1.4.1 力學性能測試

采用萬能試驗機對試樣進行力學性能測試，具體方法參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》（GB/T17671-1999）[9]進行，其中設備加載速率設定為5mm/min。

1.4.2 收縮性能測試

對養護完成的25mm×25mm×280mm試樣，使用游標卡尺進行試樣長度測試，在1～8d，8～28d，28～56d時分別以1d，2d，4d的測量頻率進行測量。試樣收縮率S可通過公式（1）進行計算:

式中：

L0——試樣初始長度；

Ln——第n天的測量長度。

2 試驗結果分析與討論

2.1 陶粒摻量與級配對試樣力學性能的影響

2.1.1 摻量組

圖1為陶粒級配在0.63～1.25mm條件下，陶粒摻量對試樣力學性能的影響。由圖1可見，隨著陶粒摻量的增加，試樣的抗壓強度逐漸減小。當陶粒摻量為3%時，試樣的抗壓強度最高，具體值為10.036MPa。當陶粒摻量為9%時，試樣的抗壓強度最低，具體值為7.581MPa。這是因為陶粒顆粒分布不均勻，且陶粒顆粒的自身強度不高，致使陶粒摻量的增加對試樣力學性能產生不利影響。

圖1 陶粒摻量對抗壓強度的影響

2.1.2 級配組

圖2為陶粒級配對試樣力學性能的影響。可見，在陶粒摻量固定為6%的條件下，隨著陶粒級配的增加，試樣的抗壓強度先增大后減小。其中，當陶粒級配為0～0.315mm時，試樣的抗壓強度為6.460MPa。當陶粒級配為0.315～0.63mm時，抗壓強度為10.88MPa。當陶粒級配為0.63～1.25mm時，抗壓強度為8.03MPa。這是因為當陶粒粒徑過小時，陶粒僅起到部分填充作用，且自身強度較低，導致試樣整體強度也較低。當陶粒粒徑適當時，陶粒不僅起到填充作用，而且起到保水作用促進材料持續反應，因此試樣強度較高。

圖2 陶粒級配對抗壓強度的影響

2.2 陶粒摻量與級配對質量損失率的影響

2.2.1 摻量組

圖3為陶粒級配0.63～1.25mm時，陶粒摻量對試樣質量損失率的影響。可見，隨著時間的增加，試樣質量損失可以分為兩個階段：1～18d的質量快速損失階段；18～56d的質量損失穩定階段。在1～18d時，試樣的自由水蒸發，試樣質量快速損失。此外，偏高嶺土溶解出的Si-OH,Al-OH與磷酸中[PO4]反應，生成非晶態結構同時脫出結合水[10-11]，且隨后蒸發，致使試樣質量損失率進一步增大[12]。在18～56d時，試樣中的自由水基本蒸發結束，此時僅有少量結合水蒸發，最終試樣的質量損失率趨于穩定。

圖3 陶粒摻量對質量損失率的影響

此外，陶粒級配為0.63～1.25mm時，隨著陶粒摻量的增加，質量損失率逐漸升高。

其中，陶粒摻量為3%時試樣質量損失率為4.49%，陶粒摻量為9%時試樣質量損失率為8.34%。這是因為陶粒摻量越多，試樣初始含水量越多，質量損失率越大。

2.2.2 級配組

圖4為陶粒摻量6%時，陶粒級配對試樣質量損失率的影響。可見，相比陶粒摻量，陶粒級配對質量損失率的影響要小。隨著陶粒級配的增加，試樣質量損失率先升高后下降。當陶粒級配為0～0.315mm時，試樣最終的質量損失率為6.46%；當陶粒級配為0.315～0.63mm時，試樣最終質量損失率為7.02%；當陶粒級配為0.63～1.25mm時試樣最終質量損失率為6.82%。這是因為不同級配下，陶粒的含水量不同，且其保水性能也不相同，導致相同陶粒摻量下試樣的質量損失率略有不同。

圖4 陶粒級配對質量損失率的影響

2.3 陶粒摻量與級配對收縮率的影響

圖5為陶粒級配在0.63～1.25mm時，陶粒摻量對試樣收縮率的影響。可見，隨著陶粒摻量的增加，試樣收縮率為先增大后減小。其中，當陶粒摻量為3%時，試樣的收縮不明顯，其最終收縮率僅為0.14%。這是因為陶粒摻量較少，試樣內部自由水較少，原材料不能持續反應，化學收縮不明顯，僅自由水流失，導致試樣收縮不明顯。當陶粒摻量為6%時，試樣的最終收縮率為3.54%。這是因為適量陶粒的摻入，試樣內部自由水充足，原材料持續反應，化學收縮明顯，導致試樣整體收縮明顯。當陶粒摻量為9%時，試樣的最終收縮出現減小趨勢，最終值為3.11%。這是因為過多的陶粒摻量，試樣中偏高嶺土含量減少，參與化學反應的材料有限，導致試樣收縮有下降趨勢。

圖5 陶粒摻量對收縮率的影響

圖6為當陶粒摻量6%時，陶粒級配對試樣收縮率的影響。可見，隨著陶粒級配的升高，試樣收縮率先增大后減小。當陶粒級配為0～0.315mm時，由于小粒徑陶粒的填充效應比較顯著，因此試樣的收縮并不明顯，其最終收縮率僅為0.35%。當陶粒級配為0.315～0.63mm時，試樣的最終收縮率最大值為4.54%。這是因為適當粒徑下的陶粒不僅起到部分填充作用，而且能起到保水作用，促進材料持續反應，導致試樣收縮現象明顯。當陶粒級配為0.63～25mm時，試樣的收縮有下降趨勢，收縮率為3.54%。這是因為過大粒徑的陶粒在試樣中分布不均勻，不能充分促進原材料持續反應，導致試樣收縮有下降趨勢。

圖6 陶粒級配對收縮率的影響

3 結束語

以酸激發偏高嶺土基地聚合物為研究對象，通過添加不同摻量和級配的陶粒，研究陶粒對酸激發地聚合物力學性能、質量損失率、收縮率的影響規律。主要結論如下：

（1）隨著陶粒摻量的增加，試樣的抗壓強度逐漸減小。在陶粒摻量固定為6%的條件下，隨著陶粒級配的增加，試樣的抗壓強度先增大后減小。

（2）隨著時間的增加，試樣的質量損失大體可以分為快速損失階段和穩定階段。當陶粒摻量增加時，試樣質量損失率逐漸升高。相比陶粒摻量，陶粒級配對質量損失率的影響要小。隨著陶粒級配的增加，試樣質量損失率先升高后下降。

（3）當陶粒級配為0.63～1.25mm時，隨著陶粒摻量的增加，試樣收縮率先增大后減小。當陶粒摻量為6%時，隨著陶粒級配的升高，試樣收縮率也是先增大后減小。