地质聚合物混凝土特性及应用

王璐瑶 姚丝思

摘要：地质聚合物是目前可以替代水泥的新型建筑材料之一，具有养护时间需求短、抗压强度高、渗透性低、耐火性高等优点，其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、弹性模量等多种力学特性与固液比、碱活化剂浓度、固化时间及温度等制备条件密切相关。本文从地质聚合物的发展展开，主要阐述了地质聚合物硬化特点、粘结力、界面过渡带和耐火性等特点，总结了地质聚合物与传统混凝土的优势所在，并从今后的发展趋势进行展望。

关键词：混凝土;地质聚合物;粘结力;耐火性

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215053

随着城市化进程加快及基础设施的增加，水泥的需求量不断增加，但由于石灰石储量有限，水泥生产技术提升缓慢造成的产能有限以及碳税的增加，混凝土行业开始面临着重要挑战。据报道，印度的水泥需求量到2020年可能达到5.5亿t，缺口为2.3亿t，约58%。因此，开发可以替代水泥的粘合剂是目前解决该问题的途径之一，如碱活化水泥、硫铝酸钙水泥、碳酸氧镁水泥（负碳水泥）、超硫酸盐水泥等。随着对碱活化水泥研究的深入，可根据水合产物的相组成将其分为3类，分别为：具有R-A-S-H（R=Na+或K+）的铝硅酸盐基体系，具有R-C-A-S-H的碱活化矿渣以及碱性硅酸盐水泥。近年来，地质聚合物因其养护时间需求短、抗压强度高、渗透性低、耐火性高等优势引起了广泛关注，成为普通波兰特水泥优秀的替代品，被用于制造建筑材料、混凝土、耐火涂料、纤维增强复合材料以及化学和工业废料资源化处置等诸多方面。地质聚合物也可以被称为无定形碱性铝硅酸盐或碱活化的水泥，可以通过使铝硅酸盐如粉煤灰（FA）、偏高岭土（MK）、矿渣（SG）、稻壳灰（RHA）和高钙木灰（HCWA）等，在碱性溶液中活化、聚合來生产地聚合物混凝土。因此，生产地质聚合物混凝土的效率高度依赖于活化剂以及铝硅酸盐资源的类型。与普通硅酸盐水泥（OPC）或火山灰水泥不同，地质聚合物利用SIO2和AL2O3的缩聚反应以及高碱含量来获得抗压强度，掺有OPC的地质聚合物会形成水合硅酸钙（C-S-H）以及SIO2和AL2O3和高碱含量的缩聚反应，从而获得抗压强度。

1地质聚合物的硬化性能

相关研究发现，地质聚合物的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、弹性模量等力学特性与其在制备期间的固液含量比、活化剂强度、H2O/Na2O比、固化时间、固化温度等条件密切相关。有学者[1]以粉煤灰为基础材料，设置活化剂强度为8 ～14M时，所制成的地质聚合物抗压强度可达30～80MPa，坍落度为100～250mm。当温度为90℃，液固比为0.18时，地质聚合物混凝土的强度最高，而随着液固含量比的增加，地质聚合物混凝土的抗压强度会降低。地质聚合物混凝土的抗压强度在高温下固化24h后可以随使用年限而保持不变，经各种条件优化后得到的地质聚合物混凝土的目标强度可高达80MPa。另外，还有学者[2]在液/固比为0.55的条件下，并于85℃固化20 h后制备了得到粉煤灰基地聚合物混凝土，其抗压强度为45 MPa，且其弹性模量（18.4GPa）远远低于OPC混凝土（30.3GPa）。

另外，有研究证明粉煤灰基地质聚合物的实验劈裂抗拉强度高于OPC水泥，这是由于骨料和地质聚合物浆之间形成了一个较密的界面区域，而弹性模量会随着地质聚合物压缩强度的增加而增加[3]。

2地质聚合物界面过渡带

一般而言，骨料和基体之间的界面过渡区域是地质聚合物混凝土中最薄弱的，通常在载荷作用下会出现微裂纹，因此，对该区域的研究非常关键。地质聚合物与硬化浆料的微观结构不同，普通混凝土界面过渡带的高孔隙率会使氯化物、氧气、硫酸盐等物质更容易渗透到其结构中，但研究结果发现地质聚合物混凝土界面过渡带是非常致密的，因此，其断裂拉伸强度、粘结强度和耐久性能均高于普通混凝土[4]。有学者[5]以高岭土和钠长石为例，研究了地质聚合物中天然硅质骨料与糊剂之间的界面，结果发现糊剂与天然硅质骨料间的结合能力随着活化溶液浓度的增加而增加。同时，氯盐可能在骨料表面发生凝胶结晶导致脱粘，进而降低了糊剂与骨料之间的界面粘结强度。另外，他们也发现在活化溶液（10M NaOH和2.5M硅酸钠）中添加0.5M可溶性硅酸盐后，可以通过加速高岭土或钠长石中硅的溶解来促进富铝的硅铝酸盐表面的形成，在此过程中形成的硅铝酸盐表面的Si/Al比与粉煤灰/偏高岭和10M NaOH溶液活化后形成的地质聚合物中的真实界面相同。若无可溶性硅酸盐添加，则不会形成沉积的硅铝酸盐界面。这表明，高浓度的碱金属和可溶性硅酸盐对于在硅质骨料和地质聚合物之间形成牢固的界面至关重要。

3地质聚合物与钢筋的粘结力

钢筋混凝土构件的结构性能取决于混凝土与钢筋之间的结合力，其中结合力的机制会影响钢筋的埋入长度，进而影响结构元件的承载能力，裂缝的开度和间距。因此，混凝土和钢筋之间的界面传递力在结构设计中至关重要。钢筋与混凝土的粘结强度与混凝土的强度、围绕钢筋的混凝土的厚度、钢筋的几何形状等多种因素相关。有研究表明，钢筋和地质聚合物混凝土的粘结强度随钢筋直径和地质聚合物混凝土自身抗压强度的增加而增加，且地质聚合物混凝土比普通OPC混凝土具有更高的粘结强度，这是因为骨料和地质聚合物之间的抗拉强度更高，界面过渡区更致密[2]。有学者[6]还进行了粉煤灰基地聚合物混凝土与水泥混凝土在梁端试样中钢筋之间的粘结行为比较试验，结果发现粉煤灰基地质聚合物混凝土的粘结强度在10.6～19.4MPa之间，具体取决于覆盖层与钢筋的直径比。尽管在地质聚合物和水泥混凝土中都观察到了类似的分裂破坏模式，但在覆盖层/钢筋直径比相同的条件下，地质聚合物混凝土的粘结强度仍要高于水泥混凝土。也有学者[7]证实，粉煤灰基地质聚合物的粘结强度随着混凝土顶杆直径比（1.71～3.62）和混凝土抗压强度（25～29MPa）的增加而增加。还观察到，地质聚合物比OPC混凝土具有更高的粘结强度，这是因为骨料和地质聚合物糊料之间的抗拉强度更高，界面过渡区更致密。

4地质聚合物耐火性

普通OPC混凝土通常具有良好的耐火性，但是，在800～1000℃条件下，由于其内部结晶水合物的脱水，骨料类型及渗透性受到破坏，其残余强度一般不会超过20%～30%。而研究表明，地质聚合物在高温条件下仍具有较好的耐火性。这是因为在陶瓷状微结构中存在着高度分布的纳米孔，这些纳米孔允许物理和化学键合的水迁移和蒸发，但不会破坏硅铝酸盐网络[8，9]。有学者[10]研究发现，经过800℃煅烧后，粉煤灰基地质聚合物浆料的残余强度提高了6%，而偏高岭土基地质聚合物浆料的强度降低了34%。在加热过程中，粉煤灰基地质聚合物的高渗透性为其基质中的水分提供了逃逸路径，从而减少了强度的损害。另外，强度增加也可能是未反应的粉煤灰颗粒的烧结反应造成的。与偏高岭土和钠基活化剂体系相比，用偏高岭土和钾基活化剂制成的地聚合物混凝土具有更高的后升高温度性能。其强度的降低程度随着Si/Al比（>1.5）的增加而降低，当骨料尺寸大于10mm，在环境温度和高温（800℃）下均具有良好的强度性能。当抗压强度为40～100MPa时，温度为850℃时，粉煤灰基地质聚合物的表面并未出现剥落现象，而在相同的抗压强度和温度条件下，由于粉煤灰基地质聚合物的孔隙率增加，因此其耐火裂性比OPC混凝土高[11]。

5结语

实践证明，地质聚合物混凝土在建筑材料方面的应用拥有巨大潜力。在实际应用中应根据具体用途，如短期和长期机械性能以及整体耐久性等来设计具体的固化反应。对于如何增强材料与地聚合物混凝土之间的结合，如何增强地质聚合物混凝土的结构性能以及如何降低材料在地质聚合物混凝土中的腐蚀作用等方面的简单易行的方法还需要进一步的研究。同时，地质聚合物粘合剂需要热固化，高pH值条件，但在现场处理操作还存在较多困难。因此，今后仍需开发操作简单的固体活化剂来取代目前碱激发溶液。

参考文献

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作者簡介：王璐瑶（1993-），女，硕士，助理工程师。研究方向：土壤修复。