钙含量对低钙粉煤灰基地聚合物混凝土性能的影响

宋熊，降雪壮，窦仲秋

（浙江交工路桥建设有限公司，浙江 杭州 313300）

0 引言

地聚合物是一种含有Si-O-Al 离子键与共价键的三维网状结构凝胶，其可通过碱溶液（氢氧化钠、硅酸钠等）与富含硅铝酸盐的前驱体（如粉煤灰）发生反应制备得到（离子浸出、单体重构、缩聚反应等）[1-2]。与传统的硅酸盐水泥相比，地聚合物碳排放量更低、制备方便、耐久性好，还能处理一部分的工业废料，已被广泛应用于道路修复、重金属固定、航空材料制备当中。然而，低钙地聚合物体系需要在60 ℃及以上的高温环境下进行养护，制约了其在现浇混凝土体系内的应用。

1 试验

1.1 原材料

试验采用：42.5 级普通硅酸盐水泥，比表面积为310 m2/kg；F 级低钙粉煤灰，比表面积为360 m2/kg，具体化学成分见表1；ISO 标准砂，比重2.65 g/cm3，吸水率为1.6%；液态硅酸钠溶液，模数为3.3，固含量为38%；固态氢氧化钠颗粒，纯度＞99%。

表1 粉煤灰和水泥的化学成分 单位：%

1.2 试验方法

提前一天将氢氧化钠溶解在硅酸钠溶液中制备模数为1.2 的碱激发剂，水胶比0.4（碱激发剂不足部分由外加水补足）。水泥掺量为0%、10%、20%、30%、40%，具体配合比见表2。

表2 样品配合比

将粉煤灰、水泥和标准砂先在搅拌机上均匀搅拌2.5 min，缓慢倒入冷却至常温的碱溶液，继续搅拌5 min，得到具有凝胶特性的地聚合物砂浆。将浆体填装至边长150 mm 的立方体模具中并在振动台上排除气泡、挤压紧密，并在样品表面覆盖保鲜膜防止碱溶液的蒸发。制备完毕后，将样品移入标准养护箱内（温度为20±1 ℃，相对湿度为95%），达到待测时间后取出测样。

依据JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，使用维卡仪测定样品的凝结时间，利用坍落筒测定样品流动性，立方体试块放置于压力机上进行抗压强度测定（加载速度20 N/s）。利用场发射Gemini 500 型扫描电子显微镜（加速电压3 kV）观察经抗压强度试验破坏得到的样品小碎片（镀金）。

2 结果分析

2.1 工作性

掺入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂浆样品的凝结时间与坍落度结果如图1 所示。由图1 可知，地聚合物砂浆的坍落度与凝结时间都受体系内钙含量的影响，随钙含量的增加而逐渐下降。对照组C0 的坍落度可达240 mm，流动性较高，而掺入20%水泥后坍落度为140 mm。样品的凝结时间受钙含量的作用更为明显，掺入外加钙组分后，样品的凝结时间显著降低，掺5%水泥时，样品的初凝和终凝时间较对照组下降54.1%与53.7%。因此，适当提高粉煤灰基地聚合物砂浆材料内的钙组分可改善其工作性。

图1 不同水泥掺量下的样品坍落度与凝结时间发展

2.2 力学性能

掺入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂浆样品的抗压强度发展情况如图2 所示。由图2 可知，常温养护的纯粉煤灰基地聚物砂浆材料的抗压强度较低，养护90 d 后达到24.4 MPa。掺入水泥材料的地聚合物材料内部生成C-S-H 凝胶，其水化过程会产生热量，导致试件内部的固化温度提高，进而明显的提升样品的抗压强度，掺5%、10%、15%与20%的样品28 d 抗压强度较对照组而言分别提高69.4%、121.3%、126.4%与144.6%。不同样品的强度发展基本一致，早期发展较快，28 d 后增长速度放缓。总的来说，水泥的掺量仅占总胶凝材料的5%时，即可获得合适的凝结时间和较高的常温养护早强。

图2 不同水泥掺量下的样品抗压强度发展情况

2.3 微观结构特征

对样品进行扫描电子显微镜分析，结果如图3所示。可在对照组样品C0 上发现较多未反应的球状粉煤灰颗粒。此外，还能在扫描图中观察到较多孔洞与细裂缝，与抗压强度测试结果较为一致，这可能是由于养护过程中水分蒸发引起的收缩造成的。对于掺入20%水泥的粉煤灰基地聚合物砂浆样品而言，未观察到粉煤灰颗粒，基体的聚合度较高，结构更为致密，且样品表面可观察到大量结晶相的沉淀，这也表明了样品中水化硅铝酸钠凝胶（N-A-S-H）与水化硅酸钙凝胶（C-S-H）的共存。后者的强度更高，有效增强了基体的力学性能。

图3 地聚合物试块28 d 微观结构发展情况（C0 与C20 组）

3 结语

文章探究了不同钙含量下的常温制备粉煤灰基地聚合物砂浆工序性、力学及耐久性性能的发展情况。结果发现粉煤灰被不同比例的水泥替代后，由于C-S-H 凝胶的生成，基体更为致密，流动性更差，砂浆的力学性能也由此得到明显改善。