地聚合物復合水泥混凝土性能研究
2006-04-29 00:00
摘要：通過實驗室的試件試驗，比較了地聚合物復合水泥(GBC)混凝土與普通混凝土的物理力學性能和耐久性能。 試驗結(jié)果表明， GBC混凝土的干縮小于普通混凝土，抗裂性能高于普通混凝土。 GBC具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。 GBC混凝土比普通混凝土具有更強的抗氯離子擴散性能，其水溶性氯離子有效擴散系數(shù)只有普通混凝土的17%。
關(guān)鍵詞：物理力學性能；耐久性能；氯離子擴散系數(shù)；地聚合物復合水泥；混凝土
與普通水泥相比，地聚合物(Geopolymer)是具有更為優(yōu)異力學性能和耐久性能的新型堿激發(fā)膠凝材料。1983年，美國Lone star公司和法國地聚合物研究所聯(lián)合開發(fā)出地聚合物復合水泥( Geopolymer BlendCement，簡稱為GBC) ，并申請了多項美國專利[ 1 - 3 ] 。 地聚合物復合水泥由波特蘭水泥、礦渣、火山灰材料(包括粉煤灰、煅燒頁巖、煅燒土、偏高嶺土、硅粉和稻殼灰) 和激發(fā)劑組成。 其砂漿4 h 抗壓強度可高達31.1MPa[ 1 ] 。 1991年海灣戰(zhàn)爭期間，美國空軍在沙特阿拉伯使用Lone star公司的Pyrament牌地聚合物復合水泥搶建軍事機場。 截止1993年，美國50多個工業(yè)項目和57個軍事設施中使用了Pyrament牌地聚合物復合水泥。 本文利用水泥、硅粉、粉煤 灰、磨細礦渣、偏高嶺土和堿激發(fā)劑制備成地聚合物復合水泥，并研究地聚合物復合水泥混凝土的物理力學性能和耐久性能，以期應用于水利工程及機場跑道、高速公路和橋梁等交通工程的搶險加固。
1 地聚合物復合水泥混凝土制備
制備地聚合物復合水泥所用的原材料包括： P·O42。 5級水泥、硅粉、粉煤灰、磨細礦渣、堿激發(fā)劑，以及在650 ℃～800 ℃下煅燒高嶺土制得的偏高嶺土。 按照現(xiàn)行國家標準《高強高性能混凝土用礦物外加劑》[ 4 ]測得粉煤灰、磨細礦渣、硅粉和偏高嶺土的28d活性指數(shù)分別為85.5%、108.2%、107.4%和114.1%。先將堿激發(fā)劑溶于水，并冷卻至室溫，拌合方法和普通混凝土相同。 每方普通混凝土和地聚合物復合水泥混凝土的原材料用量見表1。 且普通混凝土和GBC混凝土的水膠比皆為0.45。
2 GBC混凝土物理力學性能
2。 1 力學性能
試驗中測得的普通混凝土和GBC混凝土齡期為28 d的抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度和靜力抗壓彈性模量見表2。 可見， GBC混凝土28 d抗壓強度和軸心抗壓強度略大于普通混凝土；GBC混凝土劈裂抗拉強度、靜力抗壓彈性模量接近于普通混凝土。
參照現(xiàn)行行業(yè)標準《水工混凝土試驗規(guī)程》[ 5 ] ，測得的普通混凝土和GBC混凝土的抗拉強度、抗拉彈模和極限拉伸值見表3。 GBC混凝土的抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值均略小于普通混凝土。
2。 2 抗裂性能
參照現(xiàn)行行業(yè)標準《水工混凝土試驗規(guī)程》[ 5 ]進行混凝土干縮試驗。 混凝土成型2 d后拆模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護5 d，測量初長。 然后，放入溫度控制在(20 ±2) ℃、相對濕度控制在60% ±5%的干縮室。 兩種混凝土不同齡期的干縮率見圖1。 可見，在所有齡期GBC混凝土的干縮率均小于普通混凝土，其60 d的干縮率為284. 8 ×10- 6 ，是普通混凝土的81.5%。
抗裂系數(shù)K = (抗拉強度×極限拉伸值) / (干縮率×抗拉彈性模量) [ 6 ] 。 抗裂系數(shù)可以表征混凝土的抗裂能力，抗裂系數(shù)大表示抗裂性能好。 計算抗裂系數(shù)時，抗拉強度、極限拉伸值、干縮率和抗拉彈性模量均采用28 d的實測值。 普通混凝土的抗裂系數(shù)為0.443， GBC混凝土的抗裂系數(shù)為0.585，說明GBC混凝土具有比普通混凝土更高的抗裂性能。
3 GBC混凝土耐久性能
3.1 抗硫酸鹽侵蝕
3.1.1 快速試驗法
參照現(xiàn)行國家標準《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》[ 7 ]進行GBC混凝土抗硫酸鹽侵蝕的快速試驗。 分別采用P·O42.5 級水泥、GBC和GB 標準砂制成棱柱形試件，其尺寸為10 mm ×10 mm ×60 mm，灰砂比為1： 2.5，水膠比0.45，浸入濃度為3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中的時間均為100 d。測得試件的抗折強度結(jié)果見表4。 可見， GBC砂漿在清水和Na2 SO4 溶液中的抗折強度以及抗蝕系數(shù)均大于普通水泥砂漿，說明GBC比普通水泥具有更好的抗硫酸鹽侵蝕能力。
3。 1。 2 測量膨脹值法
普通混凝土受到硫酸鹽侵蝕后，會產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物，引起混凝土膨脹破壞。 參照國外資料[ 8 ]測量水泥砂漿試件膨脹率的方法，分別采用P·O42。 5級水泥、GBC和ISO標準砂制成試件，其尺寸為20 mm ×40 mm ×160 mm， 灰砂比為1：3，水膠比為0.45。 試件成型后1 d拆模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護13 d。將半數(shù)的試件放入20 ℃清水中，另外半數(shù)的試件浸入濃度為3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中，定期用醋酸中和，測量不同齡期試件的膨脹率，試驗結(jié)果見圖2。
3.2 抗氯離子侵蝕
3.2.1抗氯離子滲透快速試驗
參照現(xiàn)行行業(yè)標準《水工混凝土試驗規(guī)程》[ 5 ]進行了混凝土抗氯離子滲透快速試驗。 試驗測定的GBC混凝土相對氯離子擴散系數(shù)為0。 59 ×10-12m2 / s，普通混凝土相對氯離子擴散系數(shù)則為3.65 ×10-12m2 / s， GBC混凝土相對氯離子擴散系數(shù)僅為普通混凝土的16% ，說明GBC混凝土抗氯離子擴散性能優(yōu)于普通混凝土。
3。 2。 2自然浸泡法
將GBC混凝土和普通混凝土制成尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm的試件各9個。 試件成型后1 d拆模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，取出試件自然晾干。 然后，將試件的5個面上涂以2層環(huán)氧樹脂，余下的一個面作為滲透面，待環(huán)氧樹脂固化后，將其放入濃度為3.5%的NaCl溶液中并密封，以防止水分蒸發(fā)，再放入標準養(yǎng)護室。 試件浸泡150 d后，將試件取出，用清水沖掉試件表面鹽溶液并晾干，用能嚴格控制鉆孔深度的設備進行鉆孔取樣。 從滲透面開始鉆取試件深度分別為0～5 mm， 5～10 mm， 10～20 mm，20～30 mm， 30～40 mm和40～50 mm代表試件2.5 mm， 7.5 mm， 15 mm， 25 mm， 35 mm和45 mm深度處同一層的混凝土粉末，并根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準《水運工程混凝土試驗規(guī)程》[ 9 ]測定所取混凝土粉末中的氯離子總量(見圖3)和水溶性氯離子含量(見圖4)。
由圖3可見，普通混凝土試件表層的氯離子總量為0.352% ，隨著深度的增加，其氯離子總量逐漸降低，當深度為45 mm時的氯離子總量為0.022%。 GBC混凝土表層的氯離子總量為0.258% ，為普通混凝土的73%；GBC混凝土不同深度的氯離子總量均小于同等深度的普通混凝土，且隨著深度的增加氯離子總量迅速降低。 在深度為15 mm時， GBC混凝土氯離子總量就減小為0.021% ，是同等深度普通混凝土的12%。 當深度繼續(xù)增加時， GBC混凝土氯離子總量漸趨穩(wěn)定。
由圖4可見，普通混凝土試件表層的水溶性氯離子含量為0.355%，隨著深度的增加，其水溶性氯離子含量逐漸降低，當深度為45 mm時的水溶性氯離子含量就減小為0.018%。 GBC混凝土試件表層的水溶性氯離子含量為0.246%，為普通混凝土的69%；GBC混凝土不同深度的水溶性氯離子含量均小于同等深度的普通混凝土，且隨著深度的增加水溶性氯離子含量迅速降低，當深度為15 mm時的水溶性氯離子含量就減小為0.019% ，當深度繼續(xù)增加時， GBC混凝土的水溶性氯離子含量漸趨穩(wěn)定。
在混凝土中氯離子的擴散規(guī)律符合Fick定律。 當已知不同深度混凝土的氯離子含量，即可根據(jù)Fick第二擴散理論計算氯離子有效擴散系數(shù)Dc。 Fick第二擴散理論的關(guān)系式[ 10 ]為
式中：C( x， t)為在浸泡時間t、深度為x處的混凝土氯離子含量(% ) ；C0 為在x = 0處的混凝土的氯離子含量(% ) ；x為氯離子在混凝土中的擴散深度(m) ；Dc 為有效擴散系數(shù)(m2 / s) ；t為氯離子擴散時間(混凝土試件浸泡在NaCl溶液中的時間)。
本文在計算混凝土氯離子有效擴散系數(shù)時，用混凝土試件第一層(0～5 mm)的水溶性氯離子含量作為C0 ，用(1)式計算水溶性氯離子有效擴散系數(shù)Dc ，用混凝土試件第二層(5～10 mm)和第三層(10～20 mm)的水溶性氯離子有效擴散系數(shù)的平均值作為Dc ，本試驗中混凝土試件浸泡時間為5個月(1.296 ×107 s)。 計算結(jié)果表明，普通混凝土的水溶性氯離子有效擴散系數(shù)Dc 為5.87 ×10-12 m2 / s， GBC混凝土的水溶性氯離子有效擴散系數(shù)Dc 則只有1. 00 ×10-12 m2 / s，比普通混凝土減小了83%。 說明GBC混凝土抗氯離子擴散性能優(yōu)于普通混凝土。
4 結(jié) 語
(1)地聚合物復合水泥混凝土28 d抗壓強度和軸心抗壓強度略大于普通混凝土，劈裂抗拉強度、靜力抗壓彈性模量則接近于普通混凝土。
(2)地聚合物復合水泥混凝土所有齡期的干縮率均小于普通混凝土，其抗裂系數(shù)大于普通混凝土，比普通混凝土具有更高的抗裂性能。
(3)地聚合物復合水泥具有較高的抗硫酸鹽侵蝕的能力，其抗蝕系數(shù)大于普通水泥，地聚合物復合水泥砂漿在硫酸鹽溶液中未產(chǎn)生膨脹。
(4)地聚合物復合水泥混凝土比普通混凝土具有更強的抗氯離子擴散能力。 地聚合物復合水泥混凝土的相對氯離子擴散系數(shù)僅為普通混凝土的16% ，且水溶性氯離子有效擴散系數(shù)也較小，為普通混凝土的17%。
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