偏高岭土基地聚合物砂浆强度性能研究

刘杰胜，袁雨菲，张同同，罗国炀，田 晨，石浡汛

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430000)

1 引言

地聚合物(Geopolymer)的概念最早是由法国科学家J·Davidovits在1978年提出，指受到地球化学作用而生成的硅铝酸盐矿物聚合物。一般地聚合物的主要材料为偏高岭土、粉煤灰、高炉矿渣、硅灰、尾矿等物质。过去传统的水泥混凝土会因各种环境条件、人为造成、材料本身等因素而面临破坏的问题。而地聚合物具有凝结快、强度高及耐久性好等多方面优良性能, 是低成本、高性能环保型材料。地聚合物制备工艺简单，成本只有硅酸盐水泥的60%[1]，且制备过程中CO2排放少，仅为硅酸盐水泥的10%-20%[2]。

该研究将水泥掺量，激固比(碱激发与胶凝材料的质量比)和砂率作为不同的变量，分别进行试验，以检测地聚合物砂浆的抗折抗压强度，分析地聚合物砂浆强度的变化规律，通过研究确定较为通用的地聚合物材料配比,在进行道路修补前的准备工作时，采用一些便于工程实施的方法来节约施工成本。

2 实验部分

2.1 原材料

偏高岭土：测试均采用大同市金源高岭土厂生产的偏高岭土，其各项性能均符合GB/T14563-2008等有关规范的各项规定。

水泥：测试均采用华新水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能均符合GB175-2007等有关规范的各项规定。

砂：本实验采用中粗砂，细度模数为2.7，其各项性能均符合JGJ52-2006等规范的有关规定。

水玻璃相关参数：

二氧化硅氧化钠铁波美度模数26%10%0.05%383.2

氢氧化钠：纯度不小于96%。

水：为满足试验规范要求的自来水。

2.2碱激发剂的制备

将水玻璃与氢氧化钠按照一定的配比，配置不同的模数的碱性激发剂备用。由于氢氧化钠和水玻璃混合后会释放热量，为了防止试块由于温度变化导致体积发生变化，将配置完成的碱性激发剂陈化24小时后再用于实验。

2.3地聚合物砂浆的制备

2.3.1实验设计

主要研究水泥掺量、激固比、胶砂比对地聚合物强度的影响的因素，对这三个因素分别进行水平实验。水泥掺量分别为：0、10%、20%、30%、40%，激固比分别为：0.15、0.2、0.25、0.3，胶砂比为：1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75、1:2。

2.3.2配合比设计

实验中水灰比都为0.35，水玻璃模数2.0。

对水泥掺量研究的一组实验中，激固比为0.3，胶砂比为1:1

对激固比研究的一组实验中，水泥掺量为40%，胶砂比为1:1

对胶砂比研究的一组实验中，水泥掺量为40%，激固比为0.3

2.3.3实验方法

将水泥与偏高岭土按预定实验方案放入搅拌锅混合搅拌均匀，后加入碱激发溶液(水玻璃与氢氧化钠的混合液体)，加入水。搅拌均匀后加入砂，充分搅拌。将搅拌好的砂浆装入砂浆试模(40mm×40mm×160mm)，振捣完成后，自然条件下养护一天拆模，然后放入养护箱进行养护。对养护7天和28天的试块进行抗折抗压试验检测，研究强度的变化规律并进行分析。

2.4测试与表征

2.4.1抗折强度

抗折强度试验操作：将试块的光滑侧面放在试验机支撑圆柱上，试块长轴垂直于支撑圆柱，试块放好后在电脑上点击复位，然后点击开始，对圆柱进行加荷，以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直加在棱柱体相对侧面上，电脑直接显示抗折结果数据及曲线图。在实验结束以前，要保持试块的潮湿状态。其抗折强度fb按以下公式计算：

fb=1.5Pl/b3

式中fb-为抗折时施加于棱柱体中部的荷载，N；

l-为支撑圆柱体之间的距，mm；

b-为棱柱体正方形截面的边长，mm。

2.4.2抗压强度

抗压强度试验操作:将试块从养护箱中取出后,放在抗压强度试验机的半截棱柱体侧面进行抗压强度检测，半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差应在±0.5 mm内，棱柱体露在压板外的部分约10 mm，以(2400±200)N/s的速率均匀地加荷，直至试块破坏[3]，电脑会同时记下数据和曲线图。其抗压强度fm,cu按以下公式计算：

fm,cu=Nu/A

式中fm,cu-为砂浆立方体所受荷载，N；

A-为受压部分面积，mm2。

3.结果与分析

3.1水泥掺量因素

不同水泥掺量对地聚合物砂浆强度性能的影响如图1至图4所示。从图1中可以看出，当水泥掺量在0～40%之间时，抗折强度随着水泥掺量的增多而增大，在水泥掺量为10%前和30%后，抗折强度随着水泥掺量的增多增长较为缓慢。由图2可以发现，水泥掺量在0～40%之间时，抗压强度随着水泥掺量的增多呈现出现增长后降低的趋势，且在水泥掺量为30%的时候地聚合物砂浆的抗压强度最大。综合抗折强度和抗压强度变化曲线可以得出，当水泥掺量在30%的时候，地聚合物砂浆的强度性能最佳。

图1 抗折强度对比

图2 抗压强度对比

在地聚合物中掺入水泥后，水泥中的成分会发生化学反应[3]，如：硅酸三钙、硅酸二钙会与水发生水化反应，生成C-S-H凝胶和Ca(OH)2,减少了由于水分移动而造成的裂缝，并且提高了体系中的碱度，加快了聚合反应，同时生成C-S-H凝胶和地聚合物凝胶，提高了体系的密实度，从而增强了抗折抗压强度[4]。

3.2激固比因素

不同激固比对地聚合物砂浆抗折抗压强度的影响如图3、4。从图中可以看出，当激固比在0.15～0.3之间时，7天和28天的抗折强度都在激固比为0.25时达到最大。而抗压强度都在0.15～0.3之间呈递减趋势，当激固比为0.3时抗折强度最大。

图3 抗折强度对比

图4 抗压强度对比

激发剂所具有的强碱性会有利于砂浆中成分的聚合反应, 当激固比较低的的时候，地聚合物砂浆中没有足够的碱性环境使地聚合物发生反应，而当激固比较高时，碱激发含量过多，导致其有所剩余，而碱性过高会导致地聚合物砂浆开裂,所以才导致抗折强度呈现先增加后减小的趋势[5]。而地聚合物砂浆虽然有细小的裂纹但是产生的水化产物会形成Si-O-Al的结合体[6]，使其抗压强度增加。由此可以得出：不同的激固比可以引起不同的反应机理和产生不同的生成物，因此地聚合物砂浆的抗折抗压强度也就呈现了不同的效果。

3.3胶砂比因素

不同胶砂比对地聚合物砂浆抗折抗压强度的影响如图5、6。从图中可以看出，当胶砂比在1∶1～1∶2之间，胶砂比为1∶1.5时，地聚合物砂浆7天和28天的抗折抗压强度都为最大值，抗折抗压强度随着砂率的增长都呈先增后减趋势。

图5 抗折强度对比

图6 抗压强度对比

砂在干混的地聚合物砂浆中的主要作用是作为骨架, 随着砂的用量不断增加,地聚合物砂浆中的粗砂对强度的作用会随之增加, 地聚合物砂浆的抗压强度也会不断增大, 随着地聚合物砂浆中砂率的继续增加, 地聚合物中胶凝材料的含量会相对减少, 其胶凝材料的粘结力减弱，致使地聚合物砂浆强度随着砂率的增加呈现出先增加后减小的趋势[7]。

4结论

4.1由实验研究发现，在水玻璃模数为2.0、水灰比为0.35的情况下，当水泥掺量为30%、激固比为0.3、胶砂比为1∶1.5时，地聚合物砂浆的强度性能最佳，即此时的配合比属于最优配合比。

4.2与传统水泥相比，偏高岭土基地聚合物砂浆的强度性能优于普通水泥，地聚合物用于建筑工程中不仅提高了产品的质量，而且降低了二氧化碳的排放。偏高岭土基地聚合物砂浆选取的原料循环利用了废弃物，节约又环保，属于绿色环保的建筑材料，符合可持续发展的理念。