低收缩地质聚合物混凝土的配制及在海堤工程中的应用研究

张芸齐,刘丹萍,雷羡盈,刘炳岳,唐昀超,杨永民,3*

（1. 仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州510225；2. 仲恺农业工程学院城乡建设学院，广东广州510225；3. 广东省岭南乡镇绿色建筑工业化工程技术研究中心，广东广州，510225）

海洋工程大多远离陆地，建设过程中材料与淡水短缺并受潮汐作用影响较大，建筑物在服役过程中会遭受海水中有害离子腐蚀及台风、海浪等的影响。因此，根据海洋工程建设和服役特点，迫切需要一种抗海水腐蚀性优良的胶凝材料［1-3］。地质聚合物［4-6］是以烧粘土、工业废渣为主要原料，经适当的工艺处理，通过化学反应得到的一类新型无机聚合物。其与普通水泥基材料相比具有以下优异性能：快硬快凝、早强高强和耐腐蚀，可利用潮汐间歇快速施工，而且可就地取材使用海砂做集料［7］。

地质聚合物水化产物稳定、浆体结构致密［8］，但是由于地质聚合物早期体积收缩较大，制约了其广泛应用［9-10］。地质聚合物的化学收缩和自收缩均比硅酸盐水泥硬化体的要大得多，对于化学收缩，有研究［11］指出矿渣基地质聚合物的收缩大约是硅酸盐水泥浆体的2 倍。目前国内外减少地质聚合物体积收缩主要有以下几种措施：（1）通过调整地质聚合物原材料和激发剂的配比减小收缩，如与NaOH 相比，采用水玻璃作为激发剂对地质聚合物减少收缩的效果更明显，且随水玻璃模数的提高减缩效应逐渐增强［12］；（2）利用减缩剂减少地质聚合物的体积收缩，原因是减缩剂降低了硬化浆体孔中水的表面张力，导致孔结构中毛细压力降低，从而降低了地质聚合物的收缩［13］；（3）在地质聚合物中加入膨胀剂进行补偿收缩［14-15］，以及使用高温蒸汽养护降低地质聚合物的收缩［16］。由于上述这些减缩措施的作用效果有限，因此需要进一步的系统研究。此外，大部分收缩补偿试验仅限于实验室，暂未见将其应用于大体积混凝土中。

为了进一步推广地质聚合物的应用，重新设计了低收缩的地质聚合物浆体与混凝土的配合比，将低收缩的地质聚合物混凝土应用于实际海堤工程中。以广东省西港海堤为研究对象，选取1.2 km 的新建海堤，分别用低收缩地质聚合物混凝土和普通硅酸盐混凝土浇筑海堤面板，比较普通硅酸盐水泥混凝土和低收缩地质聚合物混凝土在真实海水环境中的工作性能、抗压强度、混凝土内部温升与应变，为地质聚合物混凝土的工程应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验原材料

地质聚合物胶凝材料主要由韶钢粒化高炉矿渣（S95）、黄埔电厂粉煤灰、艾肯硅灰、固体硅酸钠和碳酸钠混合的激发剂及缓凝增强剂硼砂（Na2B4O7·10H2O）组成，其中m（韶钢S95 矿渣）∶m（黄埔电厂II 级粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（模数为1.4 的固体硅酸钠和碳酸钠混合激发剂）∶m（缓凝增强剂硼砂）=70∶12∶5∶8∶5，在此比例下的地质聚合物胶凝材料稳定性最高，且物理特定性能达到最好的状态。地质聚合物胶凝材料的化学组成和物理力学性能分别列于表1 和表2。此外，试验所用材料还有珠江水泥厂生产的P·II42.5 水泥。韶关钢铁集团生产的粒化高炉矿渣（S95）的化学组成列于表3。

表1 地质聚合物胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical compositions of geopolymer binder

表2 地质聚合物胶凝材料的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of geopolymer binder

表3 高炉矿渣的化学组成Table 3 Chemical compositions of GBFS

起到膨胀作用的活性MgO 由菱镁石煅烧制备而成。菱镁石的主要矿物组份为MgCO3，其烧失量超过50%（表4），分解温度约为650 ℃且700 ℃下可完全分解。将粉磨至一定细度的菱镁石分别升温至800、900 和1000 ℃（升温速率为10 ℃·min−1），保温1 h，随即炉内冷却，制备出的三种活性MgO 分别以MgO（60 s）、MgO（150 s）和MgO（220 s）表示。采用柠檬酸变色法（YBT 4019-2006）测定MgO 的化学活性，根据反应变色时间衡量MgO 活性，时间越短活性越高。参考GBMF 19-2017 标准，基于反应时间对MgO 活性进行划分。0~100 s 为快速型MgO，即为高活性MgO；100~200 s 为中速型MgO，即为中活性MgO；200~300 s 为低速型MgO，即为低活性MgO。

表4 菱镁石化学组成及基本性质Table 4 Chemical compositions and characteristics of magnesite

相比于地质聚合物胶凝材料粉体，MgO 具有较大的比表面积和较小的颗粒粒径（D50约为10 μm，表5），其粒径较地质聚合物胶凝材料（D50约为23.46 μm）的小。MgO 与地质聚合物胶凝材料混合后可以均匀填充至地质聚合物胶凝材料颗粒堆积的孔隙中，从而实现颗粒紧密堆积，为快速、均匀补偿收缩创造了有利条件。

表5 不同煅烧工艺制备的MgO 粉体特性Table 5 Properties of MgO powders prepared by different calcination processes

1.2 胶凝材料净浆配合比

以净浆为研究对象，确定MgO 的活性搭配及掺量，后续再配制地质聚合物混凝土。针对地质聚合物浆体收缩较大的特点，拟采用活性MgO 对地质聚合物浆体的体积收缩进行补偿。改变MgO 的掺量、活性，以及将不同活性的MgO 进行搭配，与地质聚合物胶凝材料均匀混合，按照水胶比为0.38 加水搅拌均匀（控制流动度为180±20 mm），制备地质聚合物净浆，具体配比列于表6。

表6 胶凝材料净浆配比数据Table 6 Data of net slurry ratio of cemelling material

1.3 试验方法

1.3.1 自收缩

依据Gao 等［17］改进的方法进行自收缩测试。首先将浆体密封在波纹管内，其体积变形由波纹管转化为长度变形，通过位移传感器将长度变形转化为电压信号，然后由模数转换器转化为数字信号传输给电脑，最后通过采集软件实时记录数据。

1.3.2 抗压强度

根据GB/T 50081-2019 混凝土物理力学性能试验方法标准［18］，使用意大利Matest C088-01 万能试验机以0.5 MPa·s−1的加载速率对边长150 mm立方体进行压缩，以确定试样的立方体抗压强度fcu。每组测试三个立方体，以确保数据离散性不超过15%（每个试样的强度不超过中间值的15%），并计算平均值。

2 试验结果及分析

2.1 MgO 对胶凝材料净浆自收缩的影响

图1 为MgO 对地质聚合物浆体自体积收缩的影响。从图1（a）可见：地质聚合物浆体自收缩较大，1 天自收缩高达1500 μm·m−1，且7 天后自收缩仍有增长；随着MgO 掺量的增加，地质聚合物浆体自收缩逐渐降低，而且14 天后的浆体自收缩趋于平缓。当MgO 掺量为4%时，后期（35 天后）的自收缩增大趋势稍有增加，即MgO 对地质聚合物浆体自收缩的补偿能力有限；当MgO 的掺量为6%，相比未掺MgO 地质聚合物浆体的3 天及7 天自收缩（1237和2490 μm·m−1）分别降低65%和72%；当MgO 的掺量为12%，龄期为3 天及7 天的地质聚合物浆体自收缩分别降低71%和78%，说明MgO 可有效补偿地质聚合物浆体的自收缩。由此可知，MgO 掺量小于6%时各龄期地质聚合物浆体的自收缩随着MgO 掺量的提高明显降低，当掺量超过6%后补偿自收缩的程度降低。

从图1（b）可见，加入MgO 的地质聚合物浆体自收缩均显著降低。当使用高活性MgO（60 s）时，地质聚合物浆体的早期（0~14 天）自身收缩较小，但14 天后浆体的自收缩较大，最终与掺入MgO（150 s）的地质聚合物浆体自收缩大体相同，即高活性的MgO 可有效的补偿地质聚合物浆体的早期自收缩；当掺入低活性的MgO（220 s）时，地质聚合物浆体早期（0~13 天）自身收缩较大，但可有效补偿地质聚合物浆体后期的自收缩。

从图1（c）可见，不同活性搭配的MgO掺入地质聚合物浆体中，浆体的自收缩均较小，其中MgO（60 s）和MgO（220 s）活性搭配MgO 的地质聚合物浆体早期自收缩和后期自收缩最小。表明，可以通过搭配使用不同活性MgO，充分利用不同活性MgO 的膨胀作用，使地质聚合物浆体的体积收缩在不同的阶 段得以补偿。

图1 MgO 对地质聚合物浆体自体积收缩的影响Fig.1 Effect of MgO on the autogenous shrinkage of geopolymer pastes

2.2 MgO 对地质聚合物净浆抗压强度的影响

图2 为MgO 活性搭配对地质聚合物净浆抗压强度的影响。从图2（a）可见，随着MgO（60 s）掺量的增加，地质聚合物净浆抗压强度（早期7 天前）均得到提高，28 天后净浆强度呈现先增大后减小的趋势。当MgO 掺量为6%时地质聚合物净浆的抗压强度（3、7 和28 天）相对未掺MgO 地质聚合物的分别提高24.0%、30.2% 和17.1%；与MgO 掺量为8%的地质聚合物相比，MgO 掺量为12%的地质聚合物净浆抗压强度（28 天）降低。表明，过高的MgO 掺量对地质聚合物净浆的强度不利，应控制MgO 掺量在4%~8%。

从图2（b）可见：掺入活性MgO（60 s）时，地质聚合物净浆3 天和28 天的抗压强度分别提高19.4%和12.5%；掺入活性MgO（150 s）时，其3 天及28 天的抗压强度分别提高14.1%和10.1%；掺入活性MgO（220 s）时，3 天及28 天的抗压强度分别提高10.5%和19.7%。表明，高活性MgO（60 s）有利于提高地质聚合物净浆早期（3 天）抗压强度，低活性的MgO（220 s）有利于地质聚合物净浆后期（28天）抗压强度的发展。

从图2（c）可见，采用活性MgO（60 s）和MgO（220 s）搭配使用时，净浆的抗压强度均得到显著提升。相比未掺MgO 的地质聚合物砂浆，3 天及28 天的抗压强度分别提高18.1%和15.3%；与单掺活性MgO（60 s）的地质聚合物相比，早期的强度稍有降低，但28 天后的强度显著提升，与单掺6%的活性MgO（220 s）的地质聚合物相比，早期强度显著提升，但对28 天的强度基本无影响。表明，不同活性MgO 适宜搭配使用可以提高地质聚合物的净浆强度，且各龄期的强度发展更为协调。

图2 MgO 活性搭配对地质聚合物净浆抗压强度的影响Fig. 2 Effect of MgO on the compressive strength of geopolymer pastes

综合MgO 补偿地质聚合物浆体体积收缩与净浆强度的结果，通过对地质聚合物（G1）掺入6%的MgO（MgO（60 s）与MgO（220 s）质量比为1∶1）进行补偿，可有效减小地质聚合物净浆的体积收缩，获得强度较高的改性地质聚合物胶凝材料。

2.3 MgO 补偿收缩机理

MgO 在地质聚合物混凝土拌合物中可迅速生成大量Mg（OH）2，产生均匀的体积膨胀。因此，高活性的MgO 可在早龄期有效地补偿地质聚合物混凝土在硬化过程的自收缩。而在反应中期，中、低活性的MgO 可在此阶段生成较多的Mg（OH）2，显著地补偿地质聚合物的自收缩。故采用不同活性搭配的MgO 补偿收缩效果更佳。

3 地质聚合物混凝土大体积应用

选取1.2 km 的新建海堤用地质聚合物混凝土浇筑海堤面板，并选取两个长度大约10 m 的分隔缝进行浇筑质量抽检、混凝土结构温度和应变的监测、现场混凝土结构实体抽芯试验，以验证地质聚合物混凝土可应用于海堤工程中。

3.1 原材料及配合比

惠来县西港海堤加固达标工程环境类别为三a类，按照混凝土结构设计规范（GB50010-2010）［19］要求，应采用C35 或以上强度等级的混凝土，故工程应用段采用强度等级为C35 的改性地质聚合物混凝土（G35）。混凝土的原材料采用广东揭阳当地的天然海砂、5~31.5 mm 的石灰岩碎石，拌合水为自来水，碎石和海砂物理性能列于表7 和表8。制备普通混凝土（C35）时采用聚羧酸减水剂，地质聚合物混凝土的配合比列于表9。

表7 碎石的物理性能Table 7 Physical properties of aggregate

表8 海砂的物理性能Table 8 Physical properties of sea sand

表9 海堤试验段中地质聚合物及硅酸盐水泥混凝土的配合比Table 9 Mix ratios of geopolymer and Portland cement concretes used in seawall construction

3.2 抽芯强度

海堤混凝土面板浇筑25 天后，对地质聚合物混凝土面板和普通混凝土面板的不同位置进行实体抽芯，各抽取3 组9 个芯样，切割磨平后泡水养护2 天，取出静放1 天后进行芯样抗压强度试验。

对地质聚合物混凝土面板和普通混凝土面板的芯样进行观察发现，二者表面结构致密，未发现骨料外露和蜂窝孔洞等表观缺陷，两种混凝土均达到了设计强度等级，结果如图3 所示。从图3 可见：地质聚合物混凝土芯样28 天的抗压强度为48.1~57.0 MPa，抗压强度平均值为52.8 MPa；混凝土芯样的28 天抗压强度平均值为48.8 MPa，相对较低。

图3 地质聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土的抽芯强度Fig. 3 Compressive strengths of core-drilling samples of geopolymer and Portland cement concrete

3.3 温度监测

3.3.1 测点布设

工程试验段地质聚合物混凝土和普通水泥混凝土的温度与变形监测的测点布置见图4。海堤面板沿边坡长5.0 m，结构分缝长度为10.0 m，测点采用四个断面布设传感器。在断面①，上中下位置分别布设3 根温度传感器，即为T1，T2 和T3；在断面②，左右位置分别布设2 根温度传感器，即为T4和T5。

图4 混凝土面板温度监测点布置图Fig. 4 Locations of temperature measurement in seawall geopolymer concrete panel

3.3.2 监测结果

自混凝土浇筑开始，对试验段所在地的气温进行记录。工程试验段期间气温比较高（24~34 ℃），早晚温差较大，最高温度达38.5 ℃，最低气温为17.6 ℃。温度监测结果表明，地质聚合物混凝土在初始10 h 内，各测点温度增加较快，30 h 左右温达到峰值（各测点最高温度为43~49 ℃），随后混凝土温度下降，龄期为120 h 左右达到稳定，稳定后受气温影响有所波动。在断面①中，中间测点温度最高，底部其次，上部最低；在断面②中，三个测点的温度相差不大，中间测点温度最高，左右两侧温度测点稍低。

表10 为地质聚合物混凝土浇筑及监测期间的最大温度。由表10 可知，地质聚合物混凝土测点温度较普通混凝土相对应测点的温度低，其中T1测点的最高温度低于53 ℃。普通混凝土测点温度和地质聚合物混凝土测点温度类似，即中间测点温度最高，左右和上下温度测点较低，上部温度测点温度最低，各测点的温度在43~53 ℃范围内。按照大体积混凝土施工规范（GB 50496-2018）［20］要求，混凝土模内温升值不宜大于50 ℃，内外温差不宜大于25 ℃。温度监测结果表明，地质聚合物混凝土与普通水泥混凝土相比，地质聚合物混凝土温升和内外温差均较小，开裂风险低。

表10 地质聚合物混凝土浇筑及监测期间的最大温度Table 10 Maximum temperatures of sea wall geopolymer concrete during casting and monitoring stages /℃

4 结论

（1）MgO 在地质聚合物浆体中可以补偿地质聚合物的体积收缩。采用低活性MgO（220 s）和高活性MgO（60 s）搭配，可以起到协调改善地质聚合物早期和后期体积收缩的效果。在地质聚合物中掺入6%的MgO，即MgO（60 s）与MgO（220 s）质量比为1∶1，可得到体积收缩较小及满足实际工程需要的地质聚合物。

（2）不同活性搭配的MgO 补偿收缩效果更佳，不同活性搭配的MgO 可在地质聚合物混凝土整个硬化期间持续实现补偿收缩。

（3）将海砂制备的地质聚合物混凝土应用于1.2 km 的新建海堤中，工程试验结果表明地质聚合物混凝土具有较高的抗压强度，均值为50.1 MPa。工程监测结果表明，地质聚合物混凝土最大温升为48 ℃，较普通混凝土最大温升低了4 ℃左右，地质聚合物混凝土具有较低的开裂风险。