地质聚合物再生混凝土的制备及其力学性能★

叶 炜 黄 恩 裘煜可 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

·建筑材料及应用·

地质聚合物再生混凝土的制备及其力学性能★

叶 炜 黄 恩 裘煜可 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

以粉煤灰地质聚合物为胶凝材料，天然砂、碎石及再生粗骨料为集料，制备了地质聚合物再生混凝土，并探讨了再生骨料取代率及养护条件对其抗压强度的影响，结果表明，地质聚合物再生混凝土的强度随再生骨料取代率的增加而呈现先增后降的变化趋势，存在一个最佳的掺量；高温养护能加速地质聚合物再生混凝土强度的发展，并导致峰值强度的最佳掺量向低掺量方向偏移。

地质聚合物，再生混凝土，高温养护，抗压强度

0 引言

随着我国经济飞速发展，城镇化的进程日渐加快，各种基础设施和住宅建筑进行了更新、改造。在建设过程中，我国的砂石等资源过度开采，以至于砂石资源的短缺已经严重影响我国的国家经济发展，与此同时，大量废旧建筑物被拆除，从而产生了大量的建筑垃圾。这些垃圾多被运送到郊外进行掩埋，碱性的废渣会令大片土壤“失活”。此举不仅要花费大量的运费，而且会给城市郊区造成二次污染。其次，堆放掩埋这些建筑垃圾又要占用大量宝贵的土地资源，当下该问题已成为城市的一大公害。如果能将这些废弃的商品混凝土回收利用，制成再生混凝土重新运用到新的建设中，此举不仅能缓解日渐严重的砂石紧缺现象，又使废弃混凝土得到了妥善的安排利用，同时解决了对土地资源的污染问题，贯彻了可持续发展的战略，再生混凝土的研究已经成为当下混凝土的主要方向。

近年来，地质聚合物作为新型胶凝材料取代传统水泥，正在广泛应用于水泥制品、砂浆、复合板材、功能材料各个方面。Jannie S.J.van Deventer等人[1]认为地质聚合物的应用是商业和技术上的进步。而要作为新型材料投放市场，该材料应满足足够的强度和耐久性。Bakharev T.[2，3]，Kumaravel S等人[4]研究了地质聚合物在钠和硫酸镁及酸性环境下的耐久性，使用氢氧化钠作为激发剂使得地质聚合物的强度有保证，且养护温度也起着重要的作用。Bakharev T.[5]还研究了地质聚合物的热稳定性。地质聚合物不存在硅酸钙的水化反应，其凝结产物为三维网络凝胶体，相对水泥而言，与骨料联接紧密，具有显著的界面结合能力强的特点。考虑这一特点，我们结合地质聚合物和废弃的混凝土制成新型地质聚合物再生混凝土，并主要对力学性能进行了研究。

1 实验材料与方法

1.1 原材料

粉煤灰：购于温州某电厂，其主要化学成分为质量分数为49.1%的SiO2，36.7%的Al2O3，4.96%的CaO，3.67%的Fe2O3以及1.39%含量的TiO2等。

矿渣：其成分主要为质量分数为32.3%的SiO2，37.9%的CaO，13.8%的Al2O3及2.74%的Fe2O3等。

细骨料砂子采用福建砂，其松散堆积密度为1 400 kg/m3，细度模数为2.4，级配良好的Ⅱ区中砂。天然碎石采用粗细骨料(5 mm～10 mm，40%；10 mm～20 mm，60%)搭配，筛分析结果表明搭配后级配良好，可以使集料空隙率减小，提高地质聚合物混凝土的密实性，进而提高其力学性能,而且能使地质聚合物胶凝材料包裹集料表面的润滑层增加，使拌合物工作性能得到改善。

再生骨料：将150 mm×150 mm×150 mm的C20混凝土试块，用鄂式破碎机进行破碎，并对破碎后的骨料的物理力学性能进行了测试分析。筛分析结果如表1所示，压碎指标为14.3%，吸水率为6.5%，根据GB/T 25177—2010混凝土用再生粗骨料规范[6]进行判定，则该破碎再生骨料属于5～25连续粒级，坚固性及吸水率均满足Ⅲ类再生骨料的要求。

表1 再生骨料的筛分析结果

激发剂：采用18 mol/L的氢氧化钠溶液与市售泡花碱，按质量比1∶3混合而成的复合激发剂，复合激发剂通常提前1 d配置，密封保存备用。

1.2 地质聚合物混凝土制备

基于前期的实验结果，地质聚合物混凝土的流动性受矿粉掺量影响较大，考虑到再生骨料石粉含量以及吸水率较高，会增加激发剂的用量，为在不增加激发剂掺量的条件下尽量提高拌合物的流动性，将矿渣的掺量控制在30%，具体配比见表2。首先将砂、石骨料以及粉煤灰、矿渣等干料倒入双卧轴混凝土搅拌机中干拌5 min，加入规定量的激发剂溶液再搅拌5 min，将拌合物装入试模中，振动1 min成型，为防止水分散失，试样表面覆盖保鲜膜，为探讨养护温度对地质聚合物再生混凝土的强度发展的影响，将部分试样放置在 60 ℃恒温养护箱中养护24 h后拆模，拆模后放置在室内环境中至测试的龄期；部分试样直接放置在室内环境，3 d后拆模并室温条件养护至测试龄期(60 d)。为探讨高温养护是否会导致地质聚合物再生混凝土强度倒缩的现象，对经60 ℃养护24 h，龄期分别为3 d及60 d的试样分别进行了立方体抗压强度测试。

表2 地质聚合物再生混凝土的配比 kg

2 结果与分析

2.1 养护条件及再生骨料取代率对强度发展的影响

图1给出的是养护条件及再生骨料取代率对地质聚合物混凝土强度的影响。如图1中标识为“■”曲线所示，自然条件养护，龄期60 d的地质聚合物再生骨料混凝土的强度随再生骨料取代率的增加出现先增后降的变化趋势，在再生骨料掺量为60%时，出现了峰值65.4 MPa，随后随再生骨料掺量的进一步增加，地质聚合物再生混凝土的强度出现降低，在掺量为80%，减小至45.7 MPa，较掺量为0%时的62.5 MPa降低了近27%，全再生粗骨料时进一步减少至39.8 MPa，较掺量为0%的减小了36.3%。提高养护温度可加快受激材料的聚合化反应，增加地质聚合物混凝土早期强度，如图1中标识为“◆”曲线所示，经60 ℃养护24 h，3 d龄期的地质聚合物再生混凝土立方抗压强度已接近自然条件下龄期为60 d的试样。与自然条件下养护的试样类似，经高温条件养护的试样，其强度的发展随再生骨料掺量的增大呈现先增后降的趋势，但高温养护导致出现强度峰值的再生骨料掺量向小掺量方向偏移，出现在掺量为40%～60%之间。进一步对比分析可见，经高温养护的试样，在再生骨料掺量为0%时，强度59.5 MPa，较自然养护试样低4.8%左右；在取代率为40%时，高温养护试样强度达到62.5 MPa，与自然养护试样的63.8 MPa相差不足2%；当取代率进一步提高至60%，高温养护试样的强度较掺量为40%的试样有所降低，降低至60.2 MPa，略高于掺量为0%的试样，但与自然养护试样的强度偏差达到了80%；随再生骨料取代率的进一步增大，强度呈现降低的趋势，养护温度带来的强度偏差又有所降低，可见不同再生骨料掺量下试样对高温养护的响应存在一定的差别。

2.2 养护龄期及再生骨料取代率对强度发展的影响

图2给出的是养护龄期及再生骨料取代率对地质聚合物混凝土强度的影响。如图2中“■”曲线所示60 ℃养护24 h，龄期3 d的地质聚合物再生骨料混凝土的强度随再生骨料取代率的增加出现先增后降的变化趋势。在再生粗骨料掺量为40%时出现强度峰值62.5 MPa。随后随再生粗骨料的进一步增加，地质聚合物再生混凝土的强度出现降低，在掺量为60%，减小至60.2 MPa，较掺量为40%时的62.5 MPa，略微减小了3.8%，但仍较掺量为0时的59.5 MPa高1.18%；在掺量为80%，减小至45.2 MPa，较掺量为0%时的59.5 MPa降低了近24%，全再生粗骨料时进一步减少至36.8 MPa，较掺量为0%的减小了38.2%。增加养护龄期却并不会显著增加地质聚合物再生骨料混凝土的强度。如图2中“◆”曲线所示，养护龄期为60 d的试块强度与龄期为3 d的试块在各再生粗骨料取代率下趋势相差不大，强度增长不明显。在取代率为80%时，强度为45.8 MPa，较龄期3 d的45.2 MPa增加1.33%；在全取代率时，强度为39.2 MPa，较龄期3 d的36.8 MPa增加6.5%。这说明前期经高温养护处理的试样，其强度的发展基本完成，后期室温条件养护强度增长不明显，但龄期60 d的强度高于3 d的强度。说明在该配合比下，受激材料中矿渣的掺加没有导致强度倒缩。

3 结语

制备了不同再生骨料取代率的地质聚合物再生骨料混凝土，对试样进行了不同条件的前期养护处理，部分试样进行了60 ℃24 h的高温养护，部分试样完全采取室内环境的自然养护，达到规定龄期后对试样进行立方抗压强度测试，结果表明：

1)地质聚合物再生混凝土的强度随再生骨料取代率的增加而呈现先增后降的变化趋势，存在一个最佳的掺量，高温养护能加速地质聚合物再生混凝土强度的发展，并导致峰值强度的最佳掺量向低掺量方向偏移；

2)前期经高温养护处理的试样，其强度的发展基本完成，后续的室温条件养护强度增长不明显，受激材料中矿渣的掺加没有导致强度倒缩的现象。

[1] Jannie S.J.van Deventer,Jhon L.Provis,Peter Duxson.Technical and commerial progress in the adoption of geopolymer cement[J].Minerals Engineering,2012(29):89-104.

[2] Bakharev T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions[J].Cement and Concrete Research,2005(35):1233-1246.

[3] Bakharev T.Resistance of geopolymer materials to acid attack[J].Cement and Concrete Research,2005(35):658-670.

[4] Kumaravel S,Girija K.Acid and salt resistance of geopolymer concrete with varying concentration of NaOH[J].Journal of Engineering Research and Studies,2013,4(4):1-3.

[5] Bakharev T.Thermal behaiviour of geopolymers prepared using calss F fly ash and elevated temperature curing[J].Cement and Concrete Research,2006(36):1134-1147.

[6] GB/T 25177—2010，混凝土用再生粗骨料[S].

Preparation and mechanical properties of geopolymer recycled concrete★

Ye Wei Huang En Qiu Yuke Xie Ziling

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,UniversityofWenzhou,Wenzhou325035,China)

With the fly ash geopolymer as cementitious material, natural sand, gravel and recycled coarse aggregate as aggregate, we prepared the geopolymer recycled concrete. And we discussed the influence of recycled aggregate replacement ratio and curing conditions on the compressive strength of cubic. The results show that the geopolymer recycled concrete strength increase with the increase of recycled aggregate replacement rate and increased first then decreased. There is an optimum dosage. High temperature curing can accelerate the development strength of geopolymer recycled concrete, and lead the optimal dosage of the peak intensity shifts to the low dosage direction.

geopolymer, recycled concrete, high temperature curing, compressive strength

1009-6825(2017)02-0113-03

2016-11-06

叶 炜(1995- )，男，在读本科生； 黄 恩(1995- )，男，在读本科生； 裘煜可(1995- )，男，在读本科生； 谢子令(1978- )，男，讲师

TU522.35

A

★：浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目(项目编号：2015R426040)；温州市科技计划项目(项目编号：S20140010)