地聚合物復(fù)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(fù)合水泥(GBC)混凝土與普通混凝土的物理力學(xué)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(xué)性能；耐久性能；氯離子擴散系數(shù)；地聚合物復(fù)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(xué)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(fù)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(fù)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(fù)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(shè)施中使用了Pyrament牌地聚合物復(fù)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(fù)合水泥，并研究地聚合物復(fù)合水泥混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能，以期應(yīng)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(fù)合水泥混凝土制備
制備地聚合物復(fù)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(biāo)準(zhǔn)《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(fù)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(xué)性能
2。 1 力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)《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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)深度為15 mm時的水溶性氯離子含量就減小為0.019% ，當(dāng)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(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合水泥砂漿在硫酸鹽溶液中未產(chǎn)生膨脹。
(4)地聚合物復(fù)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(fù)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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