地質(zhì)聚合物砂漿的性能及工程應(yīng)用研究進(jìn)展

王 武，李政陽，羅正東

（1、湖南省西湖建筑集團(tuán)有限公司 長沙 410013；2、湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南湘潭 411105）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)歷了大規(guī)模的建設(shè)期，隧道工程、橋梁工程等基礎(chǔ)設(shè)施在長期的服役過程中，其混凝土構(gòu)件面臨自身材料的劣化、外部有害物質(zhì)的侵蝕（硫酸鹽、氯離子）和承載能力退化等一系列問題［1-2］。就功能下降的既有混凝土結(jié)構(gòu)而言，亟需對其采取修復(fù)加固措施，修復(fù)加固既提升了建筑的結(jié)構(gòu)性能，也延續(xù)了其使用壽命。

目前使用最為廣泛的修復(fù)加固材料為水泥基材料，具有來源廣、產(chǎn)量大、應(yīng)用成熟的優(yōu)勢，但存在干縮大、易開裂、水穩(wěn)性差等問題，且普通水泥基材料與既有混凝土的粘結(jié)效果較差；再者，水泥基材料的生產(chǎn)過程伴隨著能源的大量消耗、溫室氣體及有害物質(zhì)的排放，水泥顆粒早期水化不完全，易出現(xiàn)早期強(qiáng)度低、耐久性差等質(zhì)量問題［3-4］。

結(jié)合我國目前推進(jìn)落實“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”目標(biāo)，開發(fā)環(huán)保節(jié)能型既有混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)加固材料具有重要的戰(zhàn)略意義和工程意義。地質(zhì)聚合物作為最可能取代水泥的新型綠色膠凝材料，成為各國學(xué)者的研究熱點。相比于水泥，由硅鋁材料在強(qiáng)堿激發(fā)下制成的地質(zhì)聚合物不僅具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，而且在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面具有重要意義［5-6］。

同樣，地質(zhì)聚合物砂漿與水泥砂漿相比，其具有優(yōu)良的耐酸、耐火、耐高溫等優(yōu)良的性能［7］，且目前地質(zhì)聚合物砂漿在加固既有建筑結(jié)構(gòu)及修補(bǔ)路面結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

1 地質(zhì)聚合物砂漿物理性能研究

1.1 多元基地質(zhì)聚合物力學(xué)性能研究

前驅(qū)體的種類對地質(zhì)聚合物強(qiáng)度有較大的影響，國內(nèi)外學(xué)者對前驅(qū)體種類進(jìn)行了廣泛的研究。楊世玉等人［8］利用正交設(shè)計和單一變量法研究了養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時長對粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿力學(xué)性能影響，研究表明粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度隨溫度上升呈線性增長，同一溫度下養(yǎng)護(hù)24 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)最大強(qiáng)度的91.9%，抗折強(qiáng)度可達(dá)最大值的71.3%。同時有學(xué)者指出［9］，粉煤灰在常溫下反應(yīng)速率慢，但是后期強(qiáng)度增長明顯，這是由于未參與反應(yīng)的粉煤灰顆粒填充水化產(chǎn)物之間的空隙，使得反應(yīng)物生成更致密的結(jié)構(gòu)。

地質(zhì)聚合物原材料種類較多，引入第二種原材料參與聚合反應(yīng)，可有效改良地質(zhì)聚合物力學(xué)性能，且有利于固廢的再利用。MAHDI 等人［10］利用磚廠窯爐中獲得的稻殼灰（RHA）代替部分粉煤灰（FA）制備地質(zhì)聚合物砂漿，研究發(fā)現(xiàn)稻殼灰與粉煤灰比例為3∶7時，用濃度為10M 的氫氧化鈉溶液作為堿激發(fā)劑所制成的地質(zhì)聚合物砂漿樣品28 d抗壓強(qiáng)度最大，其最大值為30.62 MPa；56 d 抗壓強(qiáng)度為39.1 MPa，較28 d 抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增長了27.7%。KURI 等人［11］利用研磨后的鎳鐵渣（GFNS）和粉煤灰（FA）作為原材料，采用氫氧化鈉和硅酸鈉混合溶液為堿激發(fā)劑制作地質(zhì)聚合物砂漿試件，結(jié)果表明，用鎳鐵渣替代部分粉煤灰可有效減少地質(zhì)聚合物砂漿的凝結(jié)時間，且當(dāng)鎳鐵渣摻量為75%時，鎳鐵-粉煤灰二元基地質(zhì)聚合物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)65.0 MPa。這表明二元前驅(qū)體可有效改善地質(zhì)聚合物砂漿的力學(xué)性能。

在此基礎(chǔ)上，ISLAM 等人［12］進(jìn)一步使用粉煤灰（FA）、棕櫚油燃料灰（POFA）和高爐礦渣（GGBS）三種工業(yè)副產(chǎn)品作為原材料，研究改變?nèi)N粘合劑摻量百分比對地質(zhì)聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，GGBS∶POFA∶FA=50∶25∶25 時制作的三元基地質(zhì)聚合物砂漿28 d 強(qiáng)度可達(dá)54.0 MPa，且強(qiáng)度隨高爐礦渣摻量的增加而增加，當(dāng)高爐礦渣含量超過70%時，砂漿試件強(qiáng)度不再有明顯提高。

1.2 地質(zhì)聚合物砂漿耐高溫性能研究

在高溫環(huán)境下，地質(zhì)聚合物砂漿中的骨料和漿體之間的膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致其收縮不均勻，在不同應(yīng)力下發(fā)生開裂等現(xiàn)象，強(qiáng)度和粘結(jié)性顯著下降。張海燕等人［13］研究發(fā)現(xiàn)，高溫對地質(zhì)聚合物砂漿抗折強(qiáng)度影響大于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)溫度從100 ℃升至700 ℃，地質(zhì)聚合物砂漿抗折強(qiáng)度損失了82%，抗壓強(qiáng)度損失38.9%，偏高嶺土-粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿在100 ℃性能最佳，在300～700 ℃內(nèi)力學(xué)性能逐漸下降。

HAGER I 等人［14］探究了在高溫環(huán)境下礦渣對粉煤灰基地質(zhì)聚合物的影響，在高溫環(huán)境下由于粉煤灰中鐵化合物發(fā)生氧化，砂漿試件的顏色由深灰色變?yōu)槠t色，因此不添加礦渣的地質(zhì)聚合物砂漿顏色變化更為明顯，添加50%的礦渣能有效提高地質(zhì)聚合物砂漿強(qiáng)度，90 d 強(qiáng)度可達(dá)105.0 MPa，90 d 單元粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿強(qiáng)度為40.8 MPa，但是單元粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿較礦渣-粉煤灰二元基砂漿表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐熱性能。

此外，砂漿骨料的材質(zhì)，同樣對地質(zhì)聚合物砂漿耐高溫性能有重要的影響。TEBBAL 等人［15］利用結(jié)晶渣（CS）部分替代當(dāng)?shù)仄胀ㄉ埃―S）組成二元基砂，探究高溫對礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下添加結(jié)晶渣的地質(zhì)聚合物砂漿外表剝落較少，表面結(jié)構(gòu)更為完整，而且以40%CS/60%DS的比例混合成的二元砂表現(xiàn)出最佳的耐熱性，在400 ℃時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值36.0 MPa，當(dāng)溫度上升至800 ℃以上時，地質(zhì)聚合物砂漿失去了強(qiáng)度。

SIVASAKTHI 等人［16］用銅渣代替河沙制作粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿，研究其在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能變化，結(jié)果表明，室溫情況下，銅渣制備的地質(zhì)聚合物砂漿與河砂制備的地質(zhì)聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度相當(dāng)；高溫環(huán)境下，銅渣制備的地質(zhì)聚合物砂漿高溫殘余強(qiáng)度較河砂制備的地質(zhì)聚合物砂漿提高了50%，且銅渣制備的地質(zhì)聚合物砂漿熱應(yīng)變很低，高溫下熱膨脹率僅為0.002%，在實際工程使用中可忽略不計，因此銅渣也可被視為河砂的替代品。

1.3 地質(zhì)聚合物砂漿耐腐蝕性能研究

地質(zhì)聚合物砂漿具有良好的耐腐蝕性能是其具有廣泛應(yīng)用前景的必備條件之一。鄭毅等人［17］探究了地質(zhì)聚合物砂漿抗硫酸鹽侵蝕的性能，其制作了4 種不同基材地質(zhì)聚合物砂漿，并在硫酸鹽溶液種浸泡120 d，地質(zhì)聚合物砂漿分別為：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物砂漿（MK-M）、偏高嶺土-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿（MK+SG-M）、礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿（SG-M）和礦渣-粉煤灰（SG+FA-M）基地質(zhì)聚合物砂漿，研究表明，SG-M 砂漿中含有更多鈣離子，更容易受到MgSO4侵蝕，浸泡120 d 后抗壓抗蝕系數(shù)僅為0.73，MK-M 和MK+SG-M 則表現(xiàn)出更好的抗MgSO4侵蝕性能，浸泡120 d 后抗壓和抗腐蝕系數(shù)分別為0.84 和0.96。SG+FA -M 和SG-M 在（NH4）2SO4溶液中表現(xiàn)出較差的抗腐蝕性，抗壓抗腐蝕系數(shù)僅為0.68 和0.50，認(rèn)為這是由于NH4+離子加速了鈣離子剝落，導(dǎo)致地質(zhì)聚合物砂漿結(jié)構(gòu)松散。

還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，酸激發(fā)制成的地質(zhì)聚合物同樣具有良好的耐腐蝕性。JAISAI 等人［18］探究用酸性溶液制成地質(zhì)聚合物砂漿的抗腐蝕性能，研究表明TMG 式樣較CMG 密度更低，這是由于HCL 降低了基體的pH 值，抑制了FA 的溶解，地質(zhì)聚合物砂漿中形成了更寬的間隙。TGM 在酸性介質(zhì)中的降解速度均慢于CGM。

氯離子侵蝕不僅對地質(zhì)聚合物砂漿結(jié)構(gòu)造成影響，同樣還會對鋼筋造成腐蝕。LIANG等人［19］采用電位法和腐蝕電流法對赤泥-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿和水泥砂漿中鋼筋耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在氯鹽含量相同的情況下，水泥砂漿中鋼筋的腐蝕電流遠(yuǎn)大于地質(zhì)聚合物砂漿鋼筋中的電流，地質(zhì)聚合物砂漿表現(xiàn)出更好的抗氯離子侵蝕性能。

1.4 外加劑對地質(zhì)聚合物砂漿性能影響

外加劑可有效改變地質(zhì)聚合物砂漿的力學(xué)性能，目前對外加劑的研究主要集中于有減水劑、聚合物、工業(yè)垃圾和纖維等。

程國東等人［20］使用木質(zhì)素減水劑、萘系減水劑、三聚氰胺減水劑和聚羧酸高性能減水劑來探究減水劑對粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響。研究表明加入萘系減水劑，水玻璃的摻量不影響地質(zhì)聚合物砂漿擴(kuò)展度，摻入其余三類減水劑的地質(zhì)聚合物砂漿，水玻璃摻量較大的砂漿有較好的擴(kuò)展度，地質(zhì)聚合物砂漿強(qiáng)度方面，在水玻璃摻量16%的情況下，摻入萘系減水劑或PC1016 減水劑不影響地質(zhì)聚合物砂漿抗折強(qiáng)度。

劉翼瑋等人［21］探究了硅灰的摻量對粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度和流動性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)適量的硅灰摻量對地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度具有正向作用，礦渣含量＞50%，粉煤灰含量＜30%，硅灰含量＜30%時制成的地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度可達(dá)100 MPa。流動性方面，適當(dāng)硅灰的摻量可延長初凝和終凝時間，這是因為硅灰顆粒小，在粉煤灰顆粒和礦渣顆粒之間起到填充作用，有效降低漿體塑性黏度，提高漿體流動性。

SAHIN 等人［22］使用聚乙烯醇（PVA）作為外加劑，探究PVA 摻量對偏高嶺土基地質(zhì)聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂漿PVA含量為4%時，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有明顯提高，但抗壓強(qiáng)度的提高隨PVA纖維摻量的增加而降低。添加1.2%PVA 地質(zhì)聚合物砂漿28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)47.17 MPa，相對不添加提高了26.56%。同樣，添加1.2%PVA地質(zhì)聚合物砂漿28 d彎曲強(qiáng)度增加了83.8%，因此PVA 纖維對地質(zhì)聚合物砂漿彎曲強(qiáng)度的影響大于對其抗壓強(qiáng)度影響。

WONGSA 等人［23］利用劍麻纖維和椰子纖維兩種天然纖維，以不同比例作為外加劑摻入地質(zhì)聚合物砂漿中，探究天然纖維對粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿彎曲強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，其中彎曲強(qiáng)度提高了5.3～6.6 MPa。砂漿抗壓強(qiáng)度及和易性與纖維摻量呈反比。

2 地質(zhì)聚合物砂漿工程應(yīng)用

2.1 地質(zhì)聚合物砂漿加固既有建筑結(jié)構(gòu)

地質(zhì)聚合物砂漿其潛在的應(yīng)用前景之一就是代替水泥砂漿作為結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固材料，目前國內(nèi)外學(xué)者對其與混凝土界面粘結(jié)性能已做了較多研究。

張海燕等人［24］以粉煤灰-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物砂漿作為植筋錨固膠體，探究錨固長度、鋼筋直徑等對地質(zhì)聚合物砂漿錨固性能的影響。研究人員對比養(yǎng)護(hù)28 d 普通水泥砂漿（CM）和養(yǎng)護(hù)3 d 地質(zhì)聚合物砂漿（GM）的力學(xué)性能，所制成的CM 與GM 抗折、抗壓和抗剪切強(qiáng)度相差不大，但是與既有混凝土粘結(jié)強(qiáng)度方面，GM 優(yōu)于CM，其強(qiáng)度值為CM 的1.4 倍。在混凝土基體和花崗巖基體中，采用靜載方式加載，錨固深度達(dá)到12 d即可滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程無機(jī)材料后錨固技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 271—2012》要求。在施加動荷載情況下，采用不高于70%最大荷載進(jìn)行重復(fù)加載，其粘結(jié)強(qiáng)度仍滿足相關(guān)要求，除此之外，其利用紡織物增強(qiáng)地質(zhì)聚合物砂漿（TRGM）分層加固混凝土板，加固區(qū)為兩支架之間的板底面，先涂抹1 層普通粘結(jié)砂漿，再將紡織物縱向放置并按壓進(jìn)砂漿視為1 層加固完成，研究表明，涂抹1層、2層和3層的紡織物增強(qiáng)地質(zhì)聚合物砂漿（TRGM）加固的混凝土板，其抗彎強(qiáng)度分別增強(qiáng)了26%、53%和92%，且織物橫向均勻分布較縱向均勻分布加固效果更優(yōu)。

吳波［25］等人探究了常溫下地質(zhì)聚合物粘貼碳纖維布對混凝土結(jié)構(gòu)加固的有效性，研究發(fā)現(xiàn)采用地質(zhì)聚合物粘貼單層碳纖維布加固的試件承載能力與環(huán)氧類膠加固試件相當(dāng)，但采用地質(zhì)聚合物加固樣品的位移延性系數(shù)平均降低了30%，環(huán)氧類膠加固樣品位移延性系數(shù)僅降低14.3%。

WANG 等人［26］通過拉拔試驗和微觀試驗分析對比粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿（GSFA）、粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿（GFA）、礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿（GS）和混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度，試驗結(jié)果表明GFA修補(bǔ)強(qiáng)度較原混凝土基體強(qiáng)度降低了83.3%，GSFA 和GS 修補(bǔ)強(qiáng)度較原混凝土基體強(qiáng)度分別提高了1.9%和8.3%，鈣元素含量較高的砂漿表現(xiàn)出更好的粘結(jié)強(qiáng)度和力學(xué)性能。

2.2 地質(zhì)聚合物砂漿修補(bǔ)路面

ALANAZI 等人［27］制作了偏高領(lǐng)土基地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料，與市場上的幾種修補(bǔ)材相對比發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)聚合物砂漿3 d 強(qiáng)度可達(dá)28 d 強(qiáng)度的80%，但是值得注意的是，其24 h 內(nèi)的強(qiáng)度較低，通過劈裂試驗結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，和其他路面修復(fù)材料相比，偏高領(lǐng)土地質(zhì)聚合物砂漿與基體粘結(jié)強(qiáng)度較高。

常利等人［28］制備粉煤灰-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物水泥用以修補(bǔ)路面，當(dāng)堿激發(fā)劑摻量為10%，普通水泥摻量為10%時制成的地質(zhì)聚合物水泥3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)42.6 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)5.0 MPa，澆筑后8 h 抗壓強(qiáng)度可達(dá)3 d強(qiáng)度的69.95%。用最佳性能地質(zhì)聚合物混凝土進(jìn)行混凝土修補(bǔ)試驗，修補(bǔ)試件粘結(jié)強(qiáng)度平均為2.8 MPa，同時還表現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能。

MUKIZA 等人［29］采用赤泥為主要材料，制備環(huán)保型路基路面，研究表明地質(zhì)聚合物路面基材的強(qiáng)度隨赤泥摻量的增加，呈線性下降的趨勢，采用最佳配合比制成的地質(zhì)聚合物路面基材，在養(yǎng)護(hù)7 d 后強(qiáng)度可達(dá)6.66 MPa，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類要求的5.0～7.0 MPa，經(jīng)長期浸泡的地質(zhì)聚合物材料任然有強(qiáng)度增長的趨勢，這表明以赤泥為主要材料制成的路基路面具有良好的抗侵蝕性能。

CHEN 等人［30］在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，研究發(fā)現(xiàn)，礦渣可有效提高地質(zhì)聚合物砂漿的早期強(qiáng)度，當(dāng)?shù)V渣含量為30%時，砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和干縮率均優(yōu)于傳統(tǒng)的路面修補(bǔ)材料，通過探地雷達(dá)檢測已完成修補(bǔ)的道路，可以發(fā)現(xiàn)使用地質(zhì)聚合物砂漿修補(bǔ)的路面，在修補(bǔ)完成6 h后即可通車，其粘結(jié)強(qiáng)度為2.95 MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)22.8 MPa。

3 結(jié)語

地質(zhì)聚合物砂漿作為一種新型環(huán)保膠凝材料，原材料多為工業(yè)副產(chǎn)品，其力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕、耐高溫性能良好，在各領(lǐng)域均有不同程度的應(yīng)用。地質(zhì)聚合物砂漿的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)受原材料的SI/Al比、堿激發(fā)劑模數(shù)、膠砂比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等諸多因素影響，國外學(xué)者對此研究比較廣泛。

在地質(zhì)聚合物砂漿中摻入天然纖維，可有效提高砂漿抗折、抗彎性能；銅渣的摻入可有效改善地質(zhì)聚合物砂漿耐高溫性能；添加減水劑等外加劑可改善砂漿的和易性，延長或縮短初凝、終凝時間。

總之，地質(zhì)聚合物砂漿性能具有良好的可塑性，可針對不同使用工況進(jìn)行針對性調(diào)整，目前地質(zhì)聚合物材料的研究正處于快速發(fā)展階段，在原材料、激發(fā)劑種類和工程技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域都需要更深入的研究。

關(guān)于地質(zhì)聚合物砂漿，未來可從以下兩方面進(jìn)行深入的研究：

⑴地質(zhì)聚合物砂漿的原材料多為建筑垃圾和工業(yè)副產(chǎn)品，對于三元基及三元基以上地質(zhì)聚合物砂漿物理性能還需進(jìn)一步深入的研究，這將有助于將更多的工業(yè)廢品等變廢為寶、重新利用。

⑵地質(zhì)聚合物砂漿作為修補(bǔ)材料表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和耐久性，但是多元基地質(zhì)聚合物砂漿與既有混凝土粘結(jié)界面力學(xué)性能以及微觀機(jī)理研究不足，未來可進(jìn)行更為深入的研究，為地質(zhì)聚合物砂漿在實際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。