樓哲文

（南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

全球范圍內(nèi)波特蘭水泥的使用量大，溫室氣體排放量高，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，應(yīng)采取一些高效可行的措施[1]。綠色環(huán)保的替代膠凝材料需求量也日益高漲，且考慮到現(xiàn)有廢棄材料與工業(yè)副產(chǎn)品處理困難等問(wèn)題，地聚合物（堿激發(fā)膠凝材料）應(yīng)運(yùn)而生。地聚合物是由富含硅鋁酸鹽的工業(yè)廢料與堿激發(fā)劑發(fā)生反應(yīng)得到一種具有[SiO4]四面體和[AlO4]四面體的無(wú)定形相三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)[2-3]。其具有較多優(yōu)勢(shì)，包括高強(qiáng)度、快速凝結(jié)時(shí)間、較好的耐久性等，有望成為工程建設(shè)的新型寵兒。然而傳統(tǒng)的地聚合物材料存在易開(kāi)裂、抗拉強(qiáng)度低等諸多缺陷，限制了其在不同環(huán)境下的工程應(yīng)用[4]。

已有的研究表明，添加纖維可改善混凝土的力學(xué)性能，提供必要的彎曲韌性，纖維橋接裂縫，減小裂縫的寬度和擴(kuò)展傾向，從而增加彈性后的能量吸收。因此在現(xiàn)有混凝土材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維等材料，對(duì)粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿進(jìn)行不同尺度的性能增強(qiáng)效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

低鈣粉煤灰比表面積為360 m2/kg，礦渣比表面積約為420 m2/kg，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。堿激發(fā)劑由硅酸鈉與氫氧化鈉混合制備而成，模數(shù)為1.2。細(xì)骨料選用河砂，平均粒徑為200 μm，含水率低于0.4%。試驗(yàn)選用的纖維包括鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維，具體性能見(jiàn)表2。

表1 粉煤灰、礦渣化學(xué)成分 單位：%

表2 纖維性能

1.2 試驗(yàn)方法

參照 《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13:2009)、《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081—2019）、《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）。選用幾組合適的配比，對(duì)比分析單摻纖維以及多尺度纖維對(duì)粉煤灰-礦渣基地聚合物材料物理力學(xué)性能和耐久性能的影響規(guī)律。每種纖維的體積分?jǐn)?shù)摻量為0.6%與1.2%，地聚合物基體的配合比如表3 所示。

表3 粉煤灰-礦渣基地聚合物基體性能 單位：g

在樣品制備過(guò)程中，首先將干料（即粉煤灰與礦渣）攪拌均勻，后逐漸摻入纖維材料，并緩慢倒入堿激發(fā)劑。在行星攪拌機(jī)上攪拌3 min 后，馬上進(jìn)行裝模、振搗、封存（100 mm×100 mm×100 mm 立方體、40 mm×40 mm×160 mm 棱柱）。樣品最后被移入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（溫度為21±2 ℃，濕度為95%），等達(dá)到待測(cè)時(shí)間后取出進(jìn)行測(cè)試。利用泡水法測(cè)定樣品孔隙率（28 d）；利用微機(jī)伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；使用三分點(diǎn)加載法（跨距為150 mm）測(cè)定砂漿樣品的抗彎強(qiáng)度；利用耐磨試驗(yàn)機(jī)的磨盤磨損試塊的下表面8 min（200 N 荷載），測(cè)定剩余質(zhì)量。所有樣品分別制備三個(gè)，結(jié)果取其平均值，并要求誤差小于10%。在微觀層面，利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了具有代表性的樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與孔隙率

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的抗壓強(qiáng)度及孔隙率結(jié)果如圖1 與表4 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組（即不摻入纖維的樣品）相比，加入鋼纖維的樣品在3 d、28 d 均有一定抗壓強(qiáng)度的提升，但增長(zhǎng)幅度較小；隨著聚丙烯纖維含量的增加，樣品3 d的抗壓強(qiáng)度略有下降（12.6%），最終抗壓強(qiáng)度下降的更為明顯（24%）。另一方面，纖維的摻入提高了樣品的孔隙率，但剛性纖維（鋼纖維）與柔性纖維（聚丙烯、聚乙烯醇纖維）對(duì)孔隙率的影響有所差異，剛性纖維可以改變顆粒骨架的結(jié)構(gòu)，而柔性纖維在混合過(guò)程中往往會(huì)聚集在一起。

圖1 樣品抗壓強(qiáng)度及孔隙率變化

表4 樣品抗壓強(qiáng)度及孔隙率數(shù)值

2.2 抗折強(qiáng)度

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖2 與表5 所示。與對(duì)照組相比，添加纖維的樣品抗折強(qiáng)度得到了顯著的提升。摻入0.6%體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維與聚乙烯醇纖維樣品的28 d 抗折強(qiáng)度較對(duì)照組提高約28.1%與24.6%。聚丙烯纖維的增強(qiáng)效果相對(duì)較差，僅為12.3%，這可能與它本身密度較低有關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，纖維的加入使得地聚合物的破壞模式發(fā)生改變，即由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?，裂縫進(jìn)一步延伸需要克服纖維與基體界面之間的機(jī)械咬合力和化學(xué)膠著力等，有效提高地聚合物材料的抗折強(qiáng)度。另一方面，對(duì)于同種類型的纖維材料，隨著摻入含量的增加，抗折強(qiáng)度增加幅度并不大。

表5 樣品抗折強(qiáng)度數(shù)值

圖2 樣品抗折強(qiáng)度變化

2.3 耐磨性

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的磨損量變化如圖3 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入纖維（1.4%～3.1%）的樣品較對(duì)照組（3.5%）而言磨損量有所改善。不同類型纖維材料對(duì)地聚合物砂漿耐磨性的提升趨勢(shì)基本相似，摻入1.2%聚乙烯醇纖維時(shí)磨損量最小，為1.4%?？梢?jiàn)，在合適纖維摻入下，砂漿的耐磨性有著顯著的提升。

圖3 樣品磨損量變化

2.4 微結(jié)構(gòu)特征

砂漿樣品的微結(jié)構(gòu)掃描圖如圖4 所示?？梢杂^察到對(duì)照地聚合物砂漿樣品早齡期內(nèi)存在大量未反應(yīng)的球狀粉煤灰、細(xì)小裂縫與孔洞（圖4（a））；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d 時(shí)，基體逐漸變得更為密實(shí)（圖4（b））。另一方面，不同纖維與地聚合物基體間的結(jié)合方式存在差異，聚丙烯纖維以嵌入的形式與基體結(jié)合（聚乙烯醇纖維類似），不僅增強(qiáng)了界面的粘結(jié)強(qiáng)度，也使得其在拉伸過(guò)程中消耗更多的能力，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的提高。而地聚合物漿體覆蓋在鋼纖維上，使得其難以完整的被觀察到，如圖4（d）所示。

圖4 微結(jié)構(gòu)特征

3 結(jié)論

（1）纖維含量的增加有助于提升粉煤灰-礦渣基地聚物砂漿的力學(xué)性能，然而對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升沒(méi)有抗折強(qiáng)度提升的明顯。

（2）纖維的摻入改善了砂漿基體的耐磨蝕性能，最小磨蝕率僅為1.4%。

（3）在微觀層面可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維與聚乙烯醇纖維主要以嵌入的形式與基體相結(jié)合，而鋼纖維則主要是包覆的方式與基體相結(jié)合。