（1. 西安高科新達混凝土有限責任公司，陜西 西安 710119；2. 陜西省混凝土行業(yè)協(xié)會，陜西 西安 710082）

0 前言

屹立數(shù)千年的古埃及金字塔，其良好的耐久性成為世界建筑史上的奇跡，同時也成為眾多學(xué)者的研究課題。二十世紀七十年代初，法國著名學(xué)者約瑟夫.戴維德維斯通過長期的詳細研究，發(fā)現(xiàn)在這些古建筑物質(zhì)中存在著一種硅酸鹽水泥石中所沒有的非晶體物質(zhì)，其基本結(jié)構(gòu)為無機的硅氧四面體和鋁氧四面體，形態(tài)呈網(wǎng)狀無定形無機聚合物，故稱其為地聚合物。

地聚合物作為一種新型高端材料，初經(jīng)披露就引起材料領(lǐng)域人們的高度關(guān)注。這不僅是因為它具有良好的化學(xué)物理性能，更主要的是，在其廣泛的材料基礎(chǔ)上，礦渣、粉煤灰等工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢料，二次被利用的潛在價值將有可能大幅度提升。為節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟開辟出一條更廣闊、更高端的綠色通道。

我國作為一個混凝土需求大國，對利用粉煤灰、礦渣粉生產(chǎn)地聚合物混凝土的研究，雖然起步較晚，卻也為時不短。早在二十世紀末，曾經(jīng)風靡一時的堿礦渣水泥研究論文，在各種雜志刊物上也屢見不鮮。從某種意義上講，這應(yīng)是地聚合物材料研究之開端。令人遺憾的是，眾多的研究成果，迄今尚未轉(zhuǎn)化為能夠?qū)嶋H應(yīng)用的工業(yè)產(chǎn)品。究其原因很多，但主要原因無非是，成果穩(wěn)定性差、無標準規(guī)范支撐、無法規(guī)政策支持。

科學(xué)研究的目的在于應(yīng)用，雖然研究成果有時不一定被及時應(yīng)用，但應(yīng)用基于成果的完滿無缺。目前地聚合物混凝土在我國尚屬研究階段，在世界范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用于真正意義上的混凝土工程也幾乎是鳳毛麟角。鑒于實際情況，本課題擬以粉煤灰、礦渣粉地聚合物混凝土為研究起點，并全力將其現(xiàn)有研究成果，交結(jié)到普通混凝土之中，以便在最短時間內(nèi)，實現(xiàn)新型技術(shù)在工程中的實際應(yīng)用。

1 目標

1.1 粉煤灰基地聚合物混凝土技術(shù)目標

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小時，終凝不大于 10 小時。

（3）蒸養(yǎng)抗壓強度 28 天不小于 50MPa，標養(yǎng)抗壓強度 28 天不小于 40MPa。

1.2 礦渣粉基地聚合物混凝土技術(shù)目標

（1）新拌混凝土工作度不大于 30mm，和易性良好。

（2）初凝不小于 2 小時。終凝不大于 10 小時。

（3）蒸養(yǎng)抗壓強度 28 天不小于 70MPa，標養(yǎng)抗壓強度 28 天不小于 60MPa。

1.3 普通混凝土與粉煤灰基地聚合物混凝土交結(jié)技術(shù)目標

（1）粉煤灰代替水泥用量不小于 50%。

（2）混凝土所有技術(shù)指標全部符合泵送混凝土現(xiàn)行標準要求。

（3）耐久性指標滿足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 20 元/m3。

1.4 普通混凝土與礦渣粉基地聚合物交結(jié)技術(shù)目標

（1）礦渣粉代替水泥用量不小于 60%。

（2）混凝土所有技術(shù)指標全部符合泵送混凝土現(xiàn)行標準要求。

（3）耐久性指標滿足 A-P8F250Q-Ⅲ(1000)T-IV(＜10)-GB/T 14902 要求。

（4）混凝土成本平均下降 15 元/m3。

2 粉煤灰基地聚合物混凝土試驗

2.1 試驗方案

方案擬定：

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土以 C30 為基礎(chǔ)試驗。

（2）以陜西渭河電廠正元牌粉煤灰作為膠結(jié)材料。

（3）四種水玻璃液體（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)選出水玻璃最佳品種。

（4）采用當?shù)?5～25mm 碎石，灞河中砂，均為非活性骨料。

（5）應(yīng)進行外加劑適應(yīng)試驗，包括萘系、羧酸。

（6）每種水玻璃新拌混凝土，應(yīng)作工作度試驗。并成型試件 12 組（100mm×100mm×100mm），其中6 組蒸養(yǎng)，6 組標養(yǎng)。

（7）成型試件應(yīng)在成型環(huán)境中靜養(yǎng) 48 小時方可拆模。拆模后 6 組立即進入蒸養(yǎng)箱，6 組進入標準養(yǎng)護室。

（8）蒸養(yǎng)試件進入蒸置箱后，應(yīng)按要求逐步升溫至 80℃，蒸養(yǎng)至 46 小時關(guān)機冷卻，2 小時后，一組進行抗壓強度試驗，其余 5 組進入標準養(yǎng)護室。

（9）標養(yǎng)和蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 進行抗壓強度試驗。

（10）在優(yōu)選出最佳水玻璃品種后，進一步進行分等級試驗，試驗內(nèi)容及規(guī)定不變。

2.2 材料要求

（1）超細粉煤灰細度（0.045μm 篩）應(yīng)小于 1%，其它指標應(yīng)符合Ⅰ級粉煤灰要求。

（2）水玻璃濃度一律調(diào)整為 32%，模數(shù)調(diào)整為1.2。

（3）砂、石質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范標準要求。

（4）外加劑減水率要求：萘系不小于 16%，羧酸不小于 25%。

（5）調(diào)整水玻璃的水質(zhì)應(yīng)符合混凝土拌合水要求。

2.3 基礎(chǔ)試驗配合比確定

C30 混凝土基礎(chǔ)試驗配合比見表 1。

表1 基礎(chǔ)試驗配合比 k g/m3

2.4 粉煤灰基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗結(jié)果

見表 2。

表2 基礎(chǔ)試驗情況說明及抗壓強度匯總

2.5 粉煤灰基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗結(jié)果分析

（1）從表 2 的備注說明中可以看到，用四種水玻璃液體配制的粉煤灰基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度較小，損失較大，且與萘系減水劑、羧酸減水劑均不相容。

（2）從表 2 的抗壓強度匯總可以看到，K 類水玻璃優(yōu)于 N 類水玻璃，KF 水玻璃優(yōu)于 KY 水玻璃。這一結(jié)論是在標養(yǎng)試件和蒸養(yǎng)標養(yǎng)試件抗壓強度中，得到的相同結(jié)論。

（3）粉煤灰基地聚合物混凝土蒸養(yǎng)后強度遠髙與標養(yǎng)強度，這一現(xiàn)象在各齡期對比試件中高低分明。

（4）鑒于以上幾點，確定在以下分級試驗中只采用 K 類水玻璃，同時取消外加劑適應(yīng)性試驗，其它項目按原計劃進行。

2.6 粉煤灰基地聚合物混凝土分級試驗

（1）分級試驗是在基礎(chǔ)試驗成果上，進一步向C40、C60 各等級粉煤灰基地聚合物混凝土試驗的提升。

（2）分級試驗只采用 KF、KY 兩種水玻璃，維持基礎(chǔ)試驗中拌合溶液的相同質(zhì)量和用量。分級提升粉煤灰的用量，形成不同的液膠比，以求得不同強度等級。

（3）分級試驗配合比的確定，見表 3。

表3 分級試驗配合比組成 k g/m3

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土分級試驗結(jié)果，見表 4。

表4 分級試驗情況說明及抗壓強度匯總

（5）分級試驗結(jié)果分析

從表 4 備注說明和抗壓強度匯總可以看出，在鎖定拌合液條件下，增加膠結(jié)材料無論多少，抗壓強度不增反減。這充分說明，普通混凝土的恒定用水量法和鮑羅密公式，在粉煤灰基地聚合物混凝土中完全不適用。普通混凝土是水化凝結(jié)原理，鎖定用水量，實際上是鎖定了混凝土的坍落度，膠結(jié)材料的增減，是不同水膠比的需求，也就是不同強度等級的需求。而粉煤灰基地聚合物混凝土，是以堿金屬溶液作為拌合液，其凝結(jié)原理是，堿金屬溶液對膠結(jié)材料中硅鋁分子的溶解重組，從而形成新的無機聚合物板塊。這種強度基礎(chǔ)是建立在堿金屬溶液對特定粉煤灰的最佳濃度及最佳比例上，加大或減少其特定質(zhì)量指標，均不可能獲得最佳強度效應(yīng)。故粉煤灰地聚合物混凝土，不宜作分級混凝土配制，只能按具體的粉煤灰品質(zhì)，通過試驗找出最佳激發(fā)劑品種及用量，配制成唯一等級的地聚合物混凝土，這是兩種水玻璃材料得出的共同結(jié)論。

2.7 粉煤灰基地聚合物混凝土試驗總結(jié)

（1）粉煤灰基地聚合物混凝土相當粘稠，工作度很小，損失較快，且在常溫下強度較低，不宜應(yīng)用于普通混凝土，更不能應(yīng)用于泵送混凝土。

（2）在科學(xué)合理的堿激發(fā)效應(yīng)下，通過蒸養(yǎng)工藝，粉煤灰基地聚合物混凝土 4d 抗壓強度可滿足 C40要求，28d 抗壓強度大于 C50。

（3）激發(fā)劑品種應(yīng)選用 K 類水玻璃，濃度為32%，模數(shù)為 1.2。粉煤灰用量不宜大于 400kg/m3。

（4）粉煤灰基地聚合物混凝土，具有很強的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，但因其拌合液價格過高，使其制造成本要高于同等級的普通混凝土。從單純經(jīng)濟效益考慮，目前應(yīng)用于一般工程是得不償失的。

（5）裝配式混凝土生產(chǎn)企業(yè)，擁有蒸養(yǎng)設(shè)備及先進成型機械，具備生產(chǎn)粉煤灰地聚合物混凝土的基本要素，關(guān)鍵是還需要政府法規(guī)及政策面的支持。

（6）粉煤灰基地聚合物混凝土，適應(yīng)于蒸養(yǎng)工藝。在特定粉煤灰品質(zhì)，激發(fā)劑品種，拌合液濃度及比例鎖定下，才能配制出唯一合理的混凝土強度等級。

（7）本課題目標除標養(yǎng)混凝土抗壓強未達標，其余課題目標均已達標。

3 礦渣粉基地聚合物混凝土試驗

3.1 試驗方案

方案擬定：

（1）以 C60 礦渣粉基地聚合物混凝土為基礎(chǔ)試驗。

（2）以陜西龍鋼 S95 礦粉作為膠結(jié)材料。

（3）以四種水玻璃液體（NF、NY、KF 和 KY）代替拌合用水，根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)選出水玻璃最佳品種。

（4）采用當?shù)?5～25mm 碎石，灞河中砂，均為非活性骨料。

（5）應(yīng)進行外加劑適應(yīng)性試驗，萘系、羧酸。

（6）每種水玻璃新拌混凝土，應(yīng)作工作度試驗，并成型試件 12 組（100mm×100mm×100mm）其中 6組蒸養(yǎng)，6 組標養(yǎng)。

（7）成型試件應(yīng)在成型環(huán)境中靜置 48 小時，方可拆模，拆模后 6 組立即進入蒸養(yǎng)箱，6 組進入標準養(yǎng)護箱。

（8）蒸養(yǎng)試件進入蒸養(yǎng)箱后，應(yīng)按標準要求逐步升溫至 80℃，蒸養(yǎng) 46 小時關(guān)機冷卻，2 小時后，一組進行抗壓強度試驗，其余 5 組進入標準養(yǎng)護室。

（9）標養(yǎng)及蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件，一律按 4d、7d、14d、28d、60d、90d 進行抗壓強度試驗。

（10）在優(yōu)選出最佳水玻璃品種后，進一步進行分等級試驗，試驗內(nèi)容及規(guī)定不變。

3.2 材料要求

（1）礦渣粉表面積應(yīng)大于 400m2/kg，其它指標應(yīng)滿足 S95 要求。

（2）水玻璃濃度一律調(diào)整為 32%，模數(shù)調(diào)整為1.2。

（3）砂、石質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范標準要求。

（4）外加劑減水率萘系不小于 16%，羧酸不小于25%。其它指標應(yīng)符合相關(guān)標準要求。

（5）調(diào)整水玻璃的水質(zhì)應(yīng)符合混凝土拌合水要求。

3.3 基礎(chǔ)試驗配合比確定

見表 5。

表5 基礎(chǔ)試驗配合比組成 k g/m3

3.4 礦渣粉基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗結(jié)果

見表 6。

表6 基礎(chǔ)試驗情況說明及抗壓強度匯總

3.5 礦渣粉基地聚合物混凝土基礎(chǔ)試驗結(jié)果分析

（1）從表 6 的備注說明中可以看到，用四種水玻璃溶液所配制礦渣粉基地聚合物混凝土，粘聚性良好，工作度較小，損失較快，萘系、羧酸外加劑均不能加入。

（2）從表 6 的抗壓強度對比中可以看到，K 類水玻璃優(yōu)于 N 類水玻璃，KY 水玻璃優(yōu)于 KF 水玻璃，這一結(jié)論是在標養(yǎng)試件和蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件抗壓強度對比下得到的相同結(jié)論。

（3）礦渣粉基地聚合物混凝土，蒸養(yǎng)加標養(yǎng)強度遠髙于標養(yǎng)強度，這一現(xiàn)象在各齡期對比試件數(shù)據(jù)中高低一目了然。

（4）無論標養(yǎng)或蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件，KY 型礦渣粉基地聚合物混凝土，4d 抗壓強度均能達到 C60 要求，28d均高于 C60，90d 亦均有所增長。尤其是蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件，90d 抗壓強度已高達 90MPa 以上。

（5）鑒于以上幾點，確定在分級試驗中只采用 K類水玻璃，同時取消外加劑適應(yīng)性試驗，其它項目按原計劃進行。

3.6 礦渣粉基地聚合物混凝土分級試驗

（1）分級試驗是在基礎(chǔ)實驗成果上，進一步向C60～C90 各等級礦渣粉基地聚合物混凝土試驗的提升。

（2）分級試驗只采用 KF、KY 兩種水玻璃，維持基礎(chǔ)試驗中拌合溶液的相同質(zhì)量和用量，分級提升礦渣粉用量，形成不同程度的液膠比，以求得不同程度的強度效應(yīng)。

（3）分級試驗配合比的確定，見表 7。

（4）礦渣粉基地聚合物混凝土分級試驗結(jié)果，見表 8。

（5）分級試驗結(jié)果分析

分級試驗的目的，是鎖定每立方米礦渣粉基地聚合物混凝土的拌合溶液用量，分級增加礦渣粉用量，以提升混凝土強度等級。從表 8 的試驗數(shù)據(jù)可以看到，兩種濃度相同的水玻璃溶液，在相同用量下，礦渣粉用量從360kg/m3，增加至 560kg/m3，各等級、各齡期試件抗壓強度均低于 360kg/m3基準試件。標養(yǎng)與蒸養(yǎng)加標養(yǎng)試件強度發(fā)展規(guī)律也相當近似，這充分說明，礦渣粉基地聚合物混凝土和粉煤灰基地聚合物混凝土的聚合原理大致相同，所不同的是，礦渣粉基地聚合物混凝土，在常溫下仍能產(chǎn)生較高強度，但這種強度效果，仍然受特定礦渣粉質(zhì)量，激發(fā)劑溶液品質(zhì)，相對濃度和最佳用量等等因素的約束。因而其只能配制成唯一合理的強度等級，分級配制基本不可能成立。

表7 分級試驗配合比的組成 k g

表8 分級試驗情況說明及抗壓強度匯總

3.7 礦渣粉基地聚合物混凝土試驗總結(jié)

（1）礦渣粉基地聚合物混凝土比較粘稠，工作度較小，損失極快，不宜應(yīng)用于一般混凝土工程，更不能應(yīng)用于泵送混凝土工程。

（2）在科學(xué)合理的堿激發(fā)效應(yīng)下，標養(yǎng)強度 4d 可滿足 C50 要求，28d 可滿足 C60 要求，90d 強度仍有所增長。通過蒸養(yǎng)工藝 4d 抗壓強度可滿足 C60 要求，28d 抗壓強度大于 C75，90d 抗壓強度仍在增長。

（3）激發(fā)劑品種應(yīng)選用 K 類水玻璃，濃度為32%，模數(shù)為 1.2，礦渣粉用量不宜大于 360kg/m3。

（4）礦渣粉基地聚合物混凝土，具有絕對的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，但因其拌合溶液價格過高，幾乎全部消化了水泥與礦渣粉之差價，和普通混凝土相比較，沒有明顯的經(jīng)濟效益。

（5）裝配式混凝土生產(chǎn)企業(yè)，擁有蒸養(yǎng)設(shè)備及先進的成型機械，具備生產(chǎn)礦渣粉基地聚合物的基本要素，但仍需政策和標準的支持。

（6）礦渣粉基地聚合物混凝土，只能以特定礦渣粉質(zhì)量、相應(yīng)水玻璃品種、固定濃度和固定用量，才可能配制出唯一合理的強度等級。

（7）本課題目標已全部達標。

（未完，待續(xù)）