饱水地质聚合物混凝土基本力学性能研究

王谕贤，许金余,2，尹跃刚

(1.空军工程大学机场建筑工程系，西安 710038；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072；3.空军航空大学飞行训练基地，长春 130062)



饱水地质聚合物混凝土基本力学性能研究

王谕贤1，许金余1,2，尹跃刚3

(1.空军工程大学机场建筑工程系，西安 710038；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072；3.空军航空大学飞行训练基地，长春 130062)

本文对自然干燥状态及饱水地质聚合物混凝土的质量变化、超声波速、抗压强度、抗折强度、劈拉强度进行了试验研究，分析了饱水状态对地质聚合物混凝土(GC)基本物理力学性能的影响。结果表明：GC的吸水速率随浸水时间的延长显著降低，质量在前期增长较快，浸水28d后，试件基本达到饱和状态，平均质量增长率为2.91%；超声波在饱水GC试件中的波速明显增大，波速增长率在15%～20%之间；饱水状态对GC静态力学性能具有明显的负面影响，其抗压强度、抗折强度及劈拉强度较干燥状态均出现不同程度的降低，分别下降了12.0%、23.0%和17.2%。关键词：地质聚合物； 饱水状态； 抗折强度； 劈拉强度； 超声波检测

1 引 言

地质聚合物混凝土(GC)是一类以粉煤灰、高炉矿渣等作为胶凝体的新型混凝土材料[1-2]。GC在硬化过程中生成特有的三维网状组织结构[3-4]，具有优异的力学性能和工作性能，且表现出良好的抗侵蚀能力[5-7]，Natali等[8]对比分析了地质聚合物原材料和普通硅酸盐水泥原材料在加工制备过程中CO2气体的排放量，结果表明，地质聚合物材料的CO2排放量更少，是一种绿色环保材料。因此，国内国外学者对地质聚合物混凝土进行了大量的研究。

Gökhan等[9]研究了不同养护温度及养护时间条件下，碱激发剂浓度对地质聚合物抗压强度的影响。Xie等[10]对比研究了底灰与粉煤灰对地质聚合物混凝土力学性能的影响。龙涛等[11]利用再生骨料制备了碱激发粉煤灰基地质聚合物混凝土。倪文等[12]分析了地质聚合物材料的性能特点，阐述了其在应用于工程实践的可能性。但这些研究均集中在地质聚合物的原材料构成以及配比分析，关于GC在水环境中各项性能的研究较少。而水工结构长期位于水环境中，混凝土内部常处于水饱和状态，水分子对混凝土内部孔隙的填充势必会对结构耐久性产生不利影响[13]。

因此，本文以水淬高炉矿渣和粉煤灰作为胶凝材料，氢氧化钠和硅酸钠作为碱激发剂制备出矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土，并在水环境中浸泡180d制得饱水试件。针对饱水状态下地质聚合物混凝土的超声波速、抗压强度、抗折强度、劈拉强度进行了测定，分析了饱水状态对于GC的影响机理，对GC在水工建筑的推广应用具有一定意义。

2 试 验

2.1 原材料与配合比

原材料：韩城龙门钢铁有限公司水淬高炉矿渣(密度2.97g/cm3，比表面积491.6m2/kg，28d活性指数≥95%)；粉煤灰为韩城第二发电厂生产的I级低钙粉煤灰。化学组成见表1。

碎石(密度2.70g/cm3，堆积密度1.62kg/L，粒径5～10mm占15%，粒径10～20mm占85%，含泥量0.2%)；砂(细度模数2.8，级配合格，密度2.63g/cm3，堆积密度1.50kg/L，含泥量1.1%)；氢氧化钠(化学纯片状固体，纯度≥97%)；硅酸钠(分析纯液体，模数为3.1～3.4，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%)。原料配合比如表2所示。

表1 矿渣及粉煤灰的化学组成(质量)

表2 GC配合比

2.2 试件成型

首先，将称量好的砂与一半碱激发液(氢氧化钠、硅酸钠和水的混合溶液)倒入混凝土搅拌机中，加入碎石后继续搅拌30s；然后，将粉煤灰与矿渣倒入搅拌60s；最后，将剩余碱激发液倒入，搅拌120s。

搅拌完毕后，将拌合物分别浇筑至20个100mm× 100mm× 100mm的标准立方体及10个100mm× 100mm×400mm的长方体模具中，振捣120s后，抹平表面并利用保鲜膜保湿。室内静置1d后拆模并编号，之后在标准养护条件((20±2) ℃，相对湿度95%)下养护28d。养护完成后，将试件置于室内环境中静置3d，使试件内部湿度趋于稳定。然后，将试件分维两组，饱水组包含10个立方体试件和5个长方体试件，文中标为GCS，其中立方体试件编号依次为GCS-1～GCS-10，长方体试件编号依次为GCS-11～GCS-15。干燥组试件仍置于室内，记作GCN，标号规则与浸水试件相同，放置180d后将试件取出进行后续物理力学试验。

2.3 试验方法

(1)质量观测

利用精密电子天平(精度1.0g)对GC浸水前和浸水0.5d，1d，3d，7d，28d，60d及180d后的质量进行称量。称量GCS试件前，应将表面多余水分拭去，以免影响实验结果的准确性。

(2)超声波检测

利用NM-4型非金属超声检测分析仪，分别对GCS与GCN立方体试件进行超声波检测。测试采用直测法，即在混凝土非浇筑方向中心轴上使用探头进行对测，每个试件测试三次，结果取其平均值。

(3)强度试验

采用HYY型电液伺服材料试验系统分别测试GCS与GCN立方体试件的抗压强度和劈拉强度，采用混凝土抗折试验机对两组长方体试件进行抗折强度测试，取各自平均值作为实验结果。试验步骤参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[14]进行。

3 结果与讨论

3.1 质量及超声波速分析

图1 质量随浸水时间变化曲线(GCS-1)Fig.1 Weight varing with immersion time

图2 质量对比直方图Fig.2 Comparison histogram of weight

图1为GCS质量随浸水时间变化曲线图，图2为GCS浸水前后质量对比直方图。由图可知：(1)由于试件浸水前较为干燥，试件浸水后在渗透、毛细及扩散作用下大量吸水，质量显著增大，浸水28d后GCS的平均质量增长率为2.91%:；(2)GC试件质量随浸水时间的变化规律同普通硅酸盐混凝土试件类似[15]，7d内试件质量增长较快，之后随着浸水时间的增长吸水速率明显降低，试件在浸水28d后质量无较大变化，浸水28d后试件质量基本保持不变，因此认为浸水28d后的GCS试件达到饱和状态。

图3 超声波波速对比直方图Fig.3 Comparison histogram of wave velocity

图4 波速增长率对比直方图Fig.4 Comparison histogram of the growth of wave velocity

图3为GCS浸水前后超声波波速对比直方图，图4为波速增长率对比直方图。可以看出，与干燥试件相比，穿过GCS的超声波波速明显增大，所测五组试件的平均波速由浸水前的4224m/s增至浸水后的4997m/s，波速增长率在15%～20%之间。由于试件长期浸水达到饱和，水分填满试件内部的非封闭空隙，使得试件更加密实，因此超声波波速显著增大。

3.2 基本静态力学性能分析

图5 抗压强度变化图Fig.5 Variation of compressive strength

图6 劈拉强度变化图Fig.6 Variation of splitting tensile strength

图7 抗折强度变化图Fig.7 Variation of flexural strength

图5～图7分别为GCS与GCN抗压强度、劈拉强度以及抗折强度的变化图。可以看出：

(1)GC试件各项静态力学性能试验值均有一定程度的离散，经计算，各数值均在整体数据均值±15%范围内，试验结果有效[14]；

(2)饱水后，GC材料的静态力学性能明显劣化，各项强度指标均出现不同程度的降低。GCN的抗压强度平均值、劈拉强度平均值以及抗折强度平均值分别为54.1MPa、4.43MPa和8.1MPa，而GCS的抗压强度平均值、劈拉强度平均值以及抗折强度平均值则分别为47.6MPa、3.67MPa和6.2MPa，分别降低了12.0%、17.2%和23.0%。研究表明，饱水状态对普通硅酸盐混凝土材料也有相似的劣化影响[16-17]。

3.3 机理分析

由试验结果可知，浸入混凝土的孔隙水是引起GC静态力学性能变化的主要因素，下面针对孔隙水对GC材料性能的影响进行分析。

根据Griffith断裂力学理论[18]，在静荷载作用下，GC材料内部应变能逐渐累积增大，当达到某一极限值时，绝大部分应变能以表面能的形式释放，致使裂缝起裂、扩展直至试件破坏，因此，裂缝的形成发展需要不断克服材料的表面能。根据杨氏方程[19]，固-液面处的表面能可以表示为：

γs1=γs-γ1cosθ

(1)

式中：γs1为固-液面处的表面能，γs为干燥固体的表面能，γ1为饱和液体的表面能，θ为固体与液体的接触角。由式(1)可知，当试件浸水后，水填充试件的非封闭空隙， 值增大，因为GC是一种亲水材料，所以 值可近似取0[19]，从而 值减小，即固-液面处的表面能减小，致使在相同静力荷载下，材料内部更容易形成和发展裂缝，最终导致材料性能的劣化。因此认为，材料表面能因水浸入而降低是导致饱水GC混凝土静态力学性能下降的主要因素。

4 结 论

(1)GC材料随着水分浸入质量逐渐增大，吸水速率随着浸水时间的增加而明显降低，试件在浸水28d后基本达到饱和状态。与干燥试件相比，穿过饱水试件的超声波波速增长明显；

(2)浸水饱和状态对GC材料的静态力学性能有明显的负面影响，各项强度指标均出现不同程度的降低；

(3)材料表面能因水的浸入而降低是饱水GC静态力学性能下降的主要因素。同时，饱水状态会加剧混凝土结构内部过渡区的应力集中，对强度有一定的不利影响；

(4)为保证水工结构的安全性和可靠性，在设计计算、监测和评估时应考虑饱水对GC材料的劣化作用。

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Basic Properties of Water Saturated Geopolymeric Concrete

WANG Yu-xian1,XU Jin-yu1,2,YIN Yue-gang3

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi'an710038,China;2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi'an710072,China;3.BaseofFlightTraining,AviationUniversityofAirForce,Changchun130062,China)

ThebasicpropertiesofgeopolymericconcreteundernaturalandsaturatedstatewastestedtoclarifytheinfluenceofwatersaturationonGC.TheresultsshowthatGC'sbibulousratesignificantlyreduceswithimmersiontimeextending.Theweightgrowsfastinearlystage.Thespecimensbecomesaturatedins28d'simmergencewithanaverageweightgrowthrateof2.91%;Ultrasonicwavevelocityincreases15%-20%viasaturatedGC.ComparedwithGCundernaturalstate,thecompressivestrength,flexuralstrengthandsplittingtensilestrengthofsaturatedGCrespectivelydecreaseby12.0%,23.0%and17.2%.

geopolymericconcrete;watersaturation;flexuralstrength;splittingtensilestrength;ultrasonictesting

国家自然科学基金资助项目(51078350，51208507)

王谕贤(1993-)，男，硕士研究生.主要从事防护结构方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4237-05