地聚合物复合水泥混凝土性能研究

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摘要：通过实验室的试件试验，比较了地聚合物复合水泥(GBC)混凝土与普通混凝土的物理力学性能和耐久性能。 试验结果表明， GBC混凝土的干缩小于普通混凝土，抗裂性能高于普通混凝土。 GBC具有较好的抗硫酸盐侵蚀性能。 GBC混凝土比普通混凝土具有更强的抗氯离子扩散性能，其水溶性氯离子有效扩散系数只有普通混凝土的17%。
关键词：物理力学性能；耐久性能；氯离子扩散系数；地聚合物复合水泥；混凝土
与普通水泥相比，地聚合物(Geopolymer)是具有更为优异力学性能和耐久性能的新型碱激发胶凝材料。1983年，美国Lone star公司和法国地聚合物研究所联合开发出地聚合物复合水泥( Geopolymer BlendCement，简称为GBC) ，并申请了多项美国专利[ 1 - 3 ] 。 地聚合物复合水泥由波特兰水泥、矿渣、火山灰材料(包括粉煤灰、煅烧页岩、煅烧土、偏高岭土、硅粉和稻壳灰) 和激发剂组成。 其砂浆4 h 抗压强度可高达31.1MPa[ 1 ] 。 1991年海湾战争期间，美国空军在沙特阿拉伯使用Lone star公司的Pyrament牌地聚合物复合水泥抢建军事机场。 截止1993年，美国50多个工业项目和57个军事设施中使用了Pyrament牌地聚合物复合水泥。 本文利用水泥、硅粉、粉煤 灰、磨细矿渣、偏高岭土和碱激发剂制备成地聚合物复合水泥，并研究地聚合物复合水泥混凝土的物理力学性能和耐久性能，以期应用于水利工程及机场跑道、高速公路和桥梁等交通工程的抢险加固。1 地聚合物复合水泥混凝土制备

制备地聚合物复合水泥所用的原材料包括： P·O42。 5级水泥、硅粉、粉煤灰、磨细矿渣、碱激发剂，以及在650 ℃～800 ℃下煅烧高岭土制得的偏高岭土。 按照现行国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》[ 4 ]测得粉煤灰、磨细矿渣、硅粉和偏高岭土的28d活性指数分别为85.5%、108.2%、107.4%和114.1%。先将碱激发剂溶于水，并冷却至室温，拌合方法和普通混凝土相同。 每方普通混凝土和地聚合物复合水泥混凝土的原材料用量见表1。 且普通混凝土和GBC混凝土的水胶比皆为0.45。

2　GBC混凝土物理力学性能2。 1　力学性能 试验中测得的普通混凝土和GBC混凝土龄期为28 d的抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和静力抗压弹性模量见表2。 可见， GBC混凝土28 d抗压强度和轴心抗压强度略大于普通混凝土；GBC混凝土劈裂抗拉强度、静力抗压弹性模量接近于普通混凝土。 参照现行行业标准《水工混凝土试验规程》[ 5 ] ，测得的普通混凝土和GBC混凝土的抗拉强度、抗拉弹模和极限拉伸值见表3。 GBC混凝土的抗拉强度、抗拉弹性模量和极限拉伸值均略小于普通混凝土。2。 2　抗裂性能 参照现行行业标准《水工混凝土试验规程》[ 5 ]进行混凝土干缩试验。 混凝土成型2 d后拆模，放入标准养护室养护5 d，测量初长。 然后，放入温度控制在(20 ±2) ℃、相对湿度控制在60% ±5%的干缩室。 两种混凝土不同龄期的干缩率见图1。 可见，在所有龄期GBC混凝土的干缩率均小于普通混凝土，其60 d的干缩率为284. 8 ×10- 6 ，是普通混凝土的81.5%。 抗裂系数K = (抗拉强度×极限拉伸值) / (干缩率×抗拉弹性模量) [ 6 ] 。 抗裂系数可以表征混凝土的抗裂能力，抗裂系数大表示抗裂性能好。 计算抗裂系数时，抗拉强度、极限拉伸值、干缩率和抗拉弹性模量均采用28 d的实测值。 普通混凝土的抗裂系数为0.443， GBC混凝土的抗裂系数为0.585，说明GBC混凝土具有比普通混凝土更高的抗裂性能。

3　GBC混凝土耐久性能3.1　抗硫酸盐侵蚀3.1.1　快速试验法　
参照现行国家标准《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》[ 7 ]进行GBC混凝土抗硫酸盐侵蚀的快速试验。 分别采用P·O42.5 级水泥、GBC和GB 标准砂制成棱柱形试件，其尺寸为10 mm ×10 mm ×60 mm，灰砂比为1： 2.5，水胶比0.45，浸入浓度为3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中的时间均为100 d。测得试件的抗折强度结果见表4。 可见， GBC砂浆在清水和Na2 SO4 溶液中的抗折强度以及抗蚀系数均大于普通水泥砂浆，说明GBC比普通水泥具有更好的抗硫酸盐侵蚀能力。3。 1。 2　测量膨胀值法　 普通混凝土受到硫酸盐侵蚀后，会产生膨胀性产物，引起混凝土膨胀破坏。 参照国外资料[ 8 ]测量水泥砂浆试件膨胀率的方法，分别采用P·O42。 5级水泥、GBC和ISO标准砂制成试件，其尺寸为20 mm ×40 mm ×160 mm， 灰砂比为1：3，水胶比为0.45。 试件成型后1 d拆模，放入标准养护室养护13 d。将半数的试件放入20 ℃清水中，另外半数的试件浸入浓度为3 000 mg/L的Na2 SO4 溶液中，定期用醋酸中和，测量不同龄期试件的膨胀率，试验结果见图2。 图2中的膨胀率为Na2 SO4 溶液中砂浆试件膨胀率减去同组清水中砂浆试件膨胀率，表示Na2 SO4 侵蚀引起的砂浆试件膨胀率。 普通水泥砂浆受到Na2 SO4 侵蚀后产生较大的膨胀，并随着龄期的增长有较大幅度地增加， 360d其膨胀率达到0.061%；而GBC砂浆受到Na2 SO4 侵蚀后就没有产生体积膨胀。 试验结果表明， GBC砂浆没有受到硫酸盐的侵蚀。

3.2　抗氯离子侵蚀
3.2.1抗氯离子渗透快速试验　 参照现行行业标准《水工混凝土试验规程》[ 5 ]进行了混凝土抗氯离子渗透快速试验。 试验测定的GBC混凝土相对氯离子扩散系数为0。 59 ×10-12m2 / s，普通混凝土相对氯离子扩散系数则为3.65 ×10-12m2 / s， GBC混凝土相对氯离子扩散系数仅为普通混凝土的16% ，说明GBC混凝土抗氯离子扩散性能优于普通混凝土。3。 2。 2自然浸泡法　 将GBC混凝土和普通混凝土制成尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm的试件各9个。 试件成型后1 d拆模，放入标准养护室养护28 d，取出试件自然晾干。 然后，将试件的5个面上涂以2层环氧树脂，余下的一个面作为渗透面，待环氧树脂固化后，将其放入浓度为3.5%的NaCl溶液中并密封，以防止水分蒸发，再放入标准养护室。 试件浸泡150 d后，将试件取出，用清水冲掉试件表面盐溶液并晾干，用能严格控制钻孔深度的设备进行钻孔取样。 从渗透面开始钻取试件深度分别为0～5 mm， 5～10 mm， 10～20 mm，20～30 mm， 30～40 mm和40～50 mm代表试件2.5 mm， 7.5 mm， 15 mm， 25 mm， 35 mm和45 mm深度处同一层的混凝土粉末，并根据现行行业标准《水运工程混凝土试验规程》[ 9 ]测定所取混凝土粉末中的氯离子总量(见图3)和水溶性氯离子含量(见图4)。 由图3可见，普通混凝土试件表层的氯离子总量为0.352% ，随着深度的增加，其氯离子总量逐渐降低，当深度为45 mm时的氯离子总量为0.022%。 GBC混凝土表层的氯离子总量为0.258% ，为普通混凝土的73%；GBC混凝土不同深度的氯离子总量均小于同等深度的普通混凝土，且随着深度的增加氯离子总量迅速降低。 在深度为15 mm时， GBC混凝土氯离子总量就减小为0.021% ，是同等深度普通混凝土的12%。 当深度继续增加时， GBC混凝土氯离子总量渐趋稳定。 由图4可见，普通混凝土试件表层的水溶性氯离子含量为0.355%，随着深度的增加，其水溶性氯离子含量逐渐降低，当深度为45 mm时的水溶性氯离子含量就减小为0.018%。 GBC混凝土试件表层的水溶性氯离子含量为0.246%，为普通混凝土的69%；GBC混凝土不同深度的水溶性氯离子含量均小于同等深度的普通混凝土，且随着深度的增加水溶性氯离子含量迅速降低，当深度为15 mm时的水溶性氯离子含量就减小为0.019% ，当深度继续增加时， GBC混凝土的水溶性氯离子含量渐趋稳定。 在混凝土中氯离子的扩散规律符合Fick定律。 当已知不同深度混凝土的氯离子含量，即可根据Fick第二扩散理论计算氯离子有效扩散系数Dc。 Fick第二扩散理论的关系式[ 10 ]为

式中：C( x， t)为在浸泡时间t、深度为x处的混凝土氯离子含量(% )；C0 为在x = 0处的混凝土的氯离子含量(% ) ；x为氯离子在混凝土中的扩散深度(m) ；Dc 为有效扩散系数(m2 / s) ；t为氯离子扩散时间(混凝土试件浸泡在NaCl溶液中的时间)。 本文在计算混凝土氯离子有效扩散系数时，用混凝土试件第一层(0～5 mm)的水溶性氯离子含量作为C0 ，用(1)式计算水溶性氯离子有效扩散系数Dc ，用混凝土试件第二层(5～10 mm)和第三层(10～20 mm)的水溶性氯离子有效扩散系数的平均值作为Dc ，本试验中混凝土试件浸泡时间为5个月(1.296 ×107 s)。 计算结果表明，普通混凝土的水溶性氯离子有效扩散系数Dc 为5.87 ×10-12 m2 / s， GBC混凝土的水溶性氯离子有效扩散系数Dc 则只有1. 00 ×10-12 m2 / s，比普通混凝土减小了83%。 说明GBC混凝土抗氯离子扩散性能优于普通混凝土。4　结　语 (1)地聚合物复合水泥混凝土28 d抗压强度和轴心抗压强度略大于普通混凝土，劈裂抗拉强度、静力抗压弹性模量则接近于普通混凝土。 (2)地聚合物复合水泥混凝土所有龄期的干缩率均小于普通混凝土，其抗裂系数大于普通混凝土，比普通混凝土具有更高的抗裂性能。 (3)地聚合物复合水泥具有较高的抗硫酸盐侵蚀的能力，其抗蚀系数大于普通水泥，地聚合物复合水泥砂浆在硫酸盐溶液中未产生膨胀。 (4)地聚合物复合水泥混凝土比普通混凝土具有更强的抗氯离子扩散能力。 地聚合物复合水泥混凝土的相对氯离子扩散系数仅为普通混凝土的16% ，且水溶性氯离子有效扩散系数也较小，为普通混凝土的17%。

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