地聚合物混凝土飽和系數性能研究

摘" 要：地聚合物是一種新型綠色膠凝材料，其飽和系數對抗凍性有重要影響。該文研究地聚合物混凝土在不同鹽溶液中的飽和系數，并與硅酸鹽水泥混凝土對比。研究結果表明，當n（SiO2）/n（Al2O3）=3.3時，地聚合物混凝土的飽和系數相對較小，鈣基地聚合物混凝土的飽和系數較偏高嶺土基地聚合物混凝土小，在各種溶液中普通混凝土的飽和系數皆小于地聚合物混凝土的飽和系數。

關鍵詞：地聚合物混凝土；飽和系數；鹽溶液；抗凍性；性能研究

中圖分類號：TU5" " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0053-06

Abstract： Geopolymer is a new type of green cementitious material， and its saturation coefficient has an important effect on frost resistance. In this paper， the saturation coefficient of geopolymer concrete in different salt solutions is studied and compared with Portland cement. The results show that when n（SiO2）/n（Al2O3）=3.3， the saturation coefficient of geopolymer concrete is relatively small， the saturation coefficient of calcium base polymer concrete is smaller than that of metakaolin base polymer concrete， and the saturation coefficient of ordinary concrete in all kinds of solution is smaller than that of geopolymer concrete.

Keywords： geopolymer concrete; saturation coefficient; salt solution; frost resistance; performance study

1978年，Davidovits教授[1]用偏高嶺土和堿激發劑制備了一種新型膠凝材料并申請了專利，這種新型膠凝材料被命名為“地聚合物”。地聚合物的網絡結構是由通過橋氧連接的[SiO4]4－和[AlO4]5－構成，具有低CO2排量、低能耗和高強耐久等優點[2-4]。

飽和系數可以表征混凝土的飽水程度，能夠反映混凝土內部開口孔隙率所占比例，是評價混凝土抗凍融破壞能力的一個重要指標。飽和系數等于1，說明材料的孔全部為開口孔。水在普通混凝土中不僅起到溶解反應基團的作用，而且參與形成水化硅酸鈣等反應產物，最終進入水泥石結構內部[5-6]；地聚合物混凝土反應過程中，水僅起到傳質作用，不參與形成反應產物，絕大部分水以自由水形式存在于孔隙中，水分不斷蒸發導致混凝土中開口孔隙率較高，在壓力作用下水更容易進入混凝土內部，造成飽水體積吸水率增大[7-8]。

本論文研究地聚合物混凝土在不同鹽溶液中的飽和系數，并與硅酸鹽水泥混凝土對比分析。

1" 原材料及試驗方法

1.1" 原材料

礦渣、偏高嶺土及水泥化學成分見表1。

實驗中采用的堿激發劑主要是水玻璃和氫氧化鈉，水玻璃化學成分和物理參數見表2；氫氧化鈉的純度≥99%。外加劑為蘇博特公司生產的SBTJM■-Ⅱ型萘系高效減水劑。

粗集料主要是粒徑為5～10 mm的小碎石， 細集料為天然河砂，細度模數3.1。

實驗用化學試劑主要有：NaCl、CaCl2、Na2SO4、MgSO4和MgCl2，且為分析純。模擬海水的成分參照了我國天津塘沽渤海海域海水化學成分及美國材料與試驗協會標準ASTMD-114規定的人工海水的組成成分，確定的模擬海水成分見表3。

1.2" 試驗方法

測定自然狀態及凍融試驗后地聚合物混凝土的體積吸水率或吸液率，試驗采用40 mm×40 mm×160 mm的混凝土試件。將混凝土試件養護至28 d齡期后，分2組在105 ℃烘干至恒定質量（m0），冷卻至室溫后，將其中一組置于水或不同種類鹽溶液中浸泡，測定不同浸泡時間時混凝土試件的質量（mw）。另一組試件放入塑料容器中，將水或配好的水或鹽溶液注入容器內，然后立即將盛有試件和液體的容器放入低溫箱內。

自然狀態混凝土的體積吸水率或吸液率按下式計算

？棕V=■×100％＝■×■×100％" ，" "（1）

式中：？棕V為混凝土的體積吸水率或吸液率，%；Vw為混凝土試件浸泡過程中吸收的水或溶液的體積，m3；V0為混凝土試件的體積，m3；m0為混凝土的干燥質量，kg；mＶ為浸泡后混凝土的質量，kg；？籽w為混凝土的干表觀密度，kg/m3；？籽0為水或液體的密度，kg/m3。

材料的吸水率與真空吸水率或者煮沸吸水率之比，稱為飽和系數。飽和系數可評價材料中開口孔隙的多少，飽和系數等于1，說明材料的孔全部為開口孔。混凝土的飽和系數可按下式計算

Ｓ＝■ ， " （2）

式中：Ｓ為混凝土的飽和系數；P為混凝土的真空飽水體積吸水率，%。

測定地聚合物混凝土真空飽水體積吸水率，采用40 mm×40 mm×160 mm的混凝土試件。將混凝土試件養護至28 d齡期后，在105 ℃烘干至恒定質量（m0），將每組3個試件放入混凝土真空飽水機中，密封后在約6.7 kPa的真空度飽水24 h，然后卸去壓力，放置24 h后用濕毛巾擦去表面水分并立即稱重，記為ms。試件的飽水體積吸水率按下式計算

Ｐ=■×100％＝■×■×100％" ，" "（3）

式中：Ｐ為混凝土的真空飽水體積吸水率，%； VS為混凝土試件完全飽水后吸收水的體積，m3； mS為完全飽水后混凝土的質量，kg。

2" 結果與討論

地聚合物混凝土的配比主要是根據n（SiO2）/n（Al2O3）、n（Na2O）/n（Al2O3）、n（H2O）/n（Na2O）來計算，具體配合比見表4，硅酸鹽水泥混凝土配合比見表5。

2.1" 不同混凝土的真空飽水體積吸水率

圖1是不同混凝土的真空飽水體積吸水率，地聚合物混凝土真空飽水體積吸水率基本都超過14%，比普通混凝土高30%以上。鈣基地聚合物混凝土真空飽水體積吸水率比偏高嶺土基地聚合物混凝土小，這可能是因為鈣基地聚合物反應體系中的Ca2+能夠打亂硅鋁質三維網狀結構，導致硅鋁長鏈結構增多，非橋氧增多，部分水可進入硅鋁長鏈結構，可蒸發水減少，而且礦渣水化生成的C-S-H等水化產物能夠阻塞毛細孔，降低毛細孔連通性，有利于降低地聚合物混凝土的孔隙率[8]。

2.2" 不同地聚合物混凝土在各種溶液中的飽和系數

主要有清水、4%NaCl溶液、4%CaCl2溶液、4%MgCl2溶液、4%Na2SO4溶液、4%MgSO4溶液和模擬海水7種溶液。在自然浸泡下各混凝土在每一種溶液中的飽和系數變化規律如圖2—8所示。

由上圖可以看出，地聚合物混凝土在溶液中的飽和系數的變化主要是在前4 h，基本能達到平衡飽和系數的93%，而4 h以后增長非常緩慢，到96 h后基本不再增加，視為達到平衡飽和系數。各溶液中地聚合物混凝土的平衡飽和系數大小關系如下：在清水中，S7gt;S5gt;S3、K7gt;K3gt;K5；在4%NaCl溶液中，S5gt;S7gt;S3、K7gt;K3gt;K5；在4%CaCl2溶液中S7最大，S3、S5基本一樣，而K3、K5及K7 3組的平衡飽和系數基本相同；在4%Na2SO4溶液中，S7gt;S3gt;S5，而K3、K5和K7基本相同；在4%MgSO4溶液中，S7gt;S3=S5、K3=K7gt;K5；在4%MgCl2溶液中，本文選取了S5、K5及S7、K7作為研究對象，其結果為S7gt;S5、K5=K7；對于模擬海水文中選取了S5、K5作為實驗研究對象，研究得出2種地聚合物混凝土的平衡飽和系數相差很少。

2.3" 鹽濃度對地聚合物混凝土飽和系數的影響

研究了地聚合物混凝土在4%、8%、12%的NaCl和Na2SO4溶液中的飽和系數。圖9是地聚合物混凝土在不同濃度NaCl溶液中的飽和系數變化規律，圖中B4代表4%NaCl溶液、B8代表8%NaCl溶液、B12代表12%NaCl溶液。

從上圖可以看出，偏高嶺土基地聚合物混凝土隨著NaCl溶液的濃度增加其飽和系數降低，鈣基地聚合物混凝的飽和系數則是8%gt;4%gt;12%。圖10是地聚合物混凝土在不同濃度Na2SO4溶液中的飽和系數變化規律，圖中D4代表4%Na2SO4溶液、D4代表8%Na2SO4溶液、B12代表12%Na2SO4溶液，由圖可以看出，偏高嶺土基地聚合物混凝土在Na2SO4溶液中的飽和系數為12%gt;4%gt;8%，鈣基地聚合物混凝土的飽和系數為8%gt;4%gt;12%。

2.4" 對比普通混凝土在鹽溶液中的平衡飽和系數

圖11是一組地聚合物混凝土（S5）及普通混凝土（C6）在各種鹽溶液中的平衡飽和系數，圖12為地聚合物混凝土與普通混凝土在清水中飽和系數隨時間的變化規律圖。

由圖11可以明顯地看出，在每一種鹽溶液中普通混凝土的平衡飽和系數都比地聚合物混凝土的平衡飽和系數低很多，這也是普通混凝土的抗凍性優于地聚合物混凝土的原因。由圖12可以看出地聚合物混凝土在清水中的平衡飽和系數明顯比地聚合物混凝土在清水中的平衡飽和系數低。且通過觀察可以看出，地聚合物混凝土在1 h的飽和系數已達到其平衡飽和系數的96.4%以上，而普通混凝土在24 h的飽和系數才達到其平衡飽和系數的94.7%。由此可見地聚合物混凝土吸水速率更快，平衡飽和系數更高。

3" 結論

當n（SiO2）/n（Al2O3）=3.3時，地聚合物混凝土的飽和系數相對較小，鈣基地聚合物混凝土的飽和系數較偏高嶺土基地聚合物混凝土小，在各種溶液中普通混凝土的飽和系數皆小于地聚合物混凝土的飽和系數。

參考文獻：

[1] DAVIDOVITS J. Synthesis of new high temperature geo-polymers for reinforced plastics/composites[C]// SPE PACTEC 79 Society of Plastic Engineers， Brookfield Center， 1979：151-154.

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