无机聚合物混凝土力学性能研究

王引平，王冬一

(中国航空港建设第九工程总队，四川新津611431)

无机聚合物(Geopolymer)的概念在20世纪70年代末首先由Davidovits博士提出[1]。该材料是由空间网络结构的铝硅酸盐组成。与水泥相比，无机聚合物具有更高的强度、更耐化学腐蚀和大气环境侵蚀,有更好的抗冻性能、更耐高温，并具有水泥所没有的防火性能等。

本文提出的无机聚合物混凝土由基材、激发剂以及骨料构成，基材主要成份为高炉矿渣和粉煤灰，激发剂包括碱性激活组份和含硅强化组分。课题组基于已取得的无机聚合物合成机理及胶凝材料等成果，针对不同需求，提出了满足抢建、抢修两种用途的无机聚合物混凝土，前者早强性能更突出。通过大量试验，本文给出了矿渣用量、溶胶比、砂率和温度等因素对无机聚合物混凝土工作性、力学指标、抗渗、抗冻、耐磨以及干缩变形、弯拉疲劳的影响分析。并采用扫描电镜与能谱分析的方法，发现了其内部无界面过渡区、胶凝产物密实的结构特征，揭示了形成无机聚合物混凝土高强度、高耐久性的机理。课题组经过现场试验和反馈，解决了实际施工中的诸多技术问题，形成了快强早强类新材料与新技术的研究成果。

1 抢建无用机聚合物混凝土试验研究

1.1 无机聚合物混凝土配合比设计

采取正交设计法进行无机聚合物混凝土的配合比设计[2]，见表1、表2。

1.2 混凝土的工作性

设计的无机聚合物混凝土属于大流动性混凝土，主要采用坍落度指标表示工作性，同时观察其粘聚性、保水性，综合评价无机聚合物混凝土拌合物的工作性。混凝土工作性试验结果如表3所示。

表1 无机聚合物混凝土试验配合比

表2 普通水泥混凝土试验配合比

注：(1)普通水泥混凝土试件编号为P，无机聚合物混凝土试件编号为QJ。 (2)溶胶比：激发剂溶液质量与矿渣的质量比。

表3 混凝土工作性试验结果

从试验结果来看，无机聚合物混凝土属于大流动性混凝土，且浆体显得粘稠，不离析，匀质性较好。

1.3 混凝土的力学性能

无机聚合物混凝土力学实验结果见表4。

表4 混凝土强度试验结果

从表4可以看出，QJ10的28 d抗折强度高达8.5 MPa，7 d强度高达7.6 MPa。而且无机聚合物混凝土的强度发展较快，7 d抗折强度是28 d强度的88.8 %～97.6 %，其抗压强度同样具有这种规律。

1.4 无机聚合物混凝土弯拉疲劳性能

弯拉疲劳试验试件采用标准尺寸100 mm×100 mm×400 mm。按标准方法进行，养护期为90 d。采用三分点加载。当应力比s≥0.8时，加载频率取5 Hz；当应力比s<0.8时，频率取10 Hz，分别见表5和图1。

表5 无机聚合物混凝土疲劳试验结果

(a)

(b)

(c)图1 QJ无机聚合物混凝土在各应力水平下应变—疲劳寿命曲线

疲劳方程：

(1)无机聚合物双对数疲劳方程为：lgS=0.0399-0.0350 lgN

(2)等强度水泥混凝土双对数疲劳方程为：lgS=0.0054-0.0373 lgN

式中：S为应力比；N为应力。可以看出：无机聚合物疲劳特性优良。

1.5 无机聚合物混凝土的微观结构

采用扫描电镜与能谱分析的方法,对无机聚合物混凝土和普通混凝土进行微观结构测试,结果见图2、图3、图4。

图2 扫描电子显微镜

(a)

(b)

(c)图3 普通混凝土内部结构(电镜+EDS)

如图3所示，普通混凝土内部有明显的裂缝孔隙。其过渡区中的水化产物氢氧化钙晶粒大且集中，比较疏松，对混凝土强度特别是抗折强度极为不利。同时疏松的过渡区对混凝土的抗冻、抗渗等耐久性能也有很大的影响，为水分迁移提供通道，降低混凝土的抗冻、抗渗性能。从图4可以看到，无机聚合物混凝土内部裂缝孔隙较少，结构比较致密，没有水泥混凝土那样明显的过渡区。矿粉颗粒在碱性溶液中解体和水化速度快，碱性激发剂大量溶解出氢氧根阴离子，单位体积内形成大量的胶体，缩聚形成水化产物，水化较彻底，水化产物较密实，其水化产物中除了水化硅酸钙系统的水化物外，尚含有大量的碱性铝硅酸盐水化物和沸石型矿物。

图4 无机聚合物混凝土内部结构(电镜+EDS)

2 抢修用无机聚合物混凝土性能试验

设计抢修用无机聚合物混凝土主要目标是可快速施工、快速硬化。故设计抢修用无机聚合物混凝土为自密实，4 h抗折强度大于3 MPa的早强快硬混凝土，试验结果见表6、表7。

表6 抢修无机聚合物混凝土工作性试验结果

表7 混凝土强度试验结果

从试验结果可以看出，所配制的抢修用无机聚合物混凝土的流动性与强度均达到设计要求。

3 结论

课题组通过大量试验，研究了矿渣用量、溶胶比、砂率和温度对无机聚合物混凝土性能的影响规律，并通过室内和现场试验反复验证和优化配合比，成功配制出适用于抢修和抢建用的无机聚合物高性能混凝土。通过无机聚合物混凝土的微观结构发现，其内部无界面过渡区、胶凝产物密实的结构特征，揭示了形成无机聚合物混凝土高强度、高耐久性的机理。

[1] J·Davidovits.Geopolymers:Inorganic polymeric new materials[J]. Therm Anal. 1991: 1611-1656

[2] 付亚伟，蔡良才，曹定国，等. 碱矿粉无机聚合物混凝土的制备及性能研究[J]. 建筑材料学报，2010，13(4): 524-527