陶粒摻量和級(jí)配對(duì)酸激發(fā)地聚合物物理力學(xué)性能的影響研究

王 昊 張仰龍 馬 彬

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

地聚合物最初由法國(guó)學(xué)者提出，并被人們廣為接受[1]。地聚合物常以工業(yè)副產(chǎn)品為主要原材料制備，例如煤灰、偏高嶺土、礦渣等，其具有制備流程簡(jiǎn)單、高早強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫以及低能耗低排放等優(yōu)異性能[2-3]。然而，傳統(tǒng)堿激發(fā)地聚合物易出現(xiàn)“泛堿”和脆性高的問(wèn)題，導(dǎo)致其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用受限。與堿激發(fā)地聚合物相比，酸激發(fā)地聚合物具有更強(qiáng)的黏結(jié)性，從而具有更高的抗壓強(qiáng)度、更低的風(fēng)化率以及更高的熱穩(wěn)定性[4]。然而，由于酸激發(fā)地聚合物早期收縮過(guò)大，導(dǎo)致其應(yīng)用受限，且主要作為注漿材料使用。

陶粒是一種輕骨料，其自身的堆積密度一般為300～900kg/m3。此外，陶粒具有密度小、孔隙高、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的保水和反水性質(zhì)。因此，陶粒在工程領(lǐng)域一直是重要的建筑節(jié)能材料。陶?；炷恋膽?yīng)用與研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-6]。陶粒在混凝土中能吸收水泥漿的水分，使混凝土的密實(shí)度增加。此外，在陶粒混凝土硬化過(guò)程中，陶?？紫端帜芟蛩酀{返還，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用[7]。目前，陶粒對(duì)酸激發(fā)地聚合物影響的研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)改善酸激發(fā)地聚合物初期干燥收縮與開(kāi)裂的研究幾乎空白。

本文將以酸激發(fā)偏高嶺土基地聚合為基體，摻入陶粒制備地聚合物陶粒混凝土。分析陶粒摻量及級(jí)配對(duì)酸激發(fā)地聚合物物理力學(xué)性能的影響，為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

偏高嶺土（600℃煅燒）采購(gòu)自上海昊弗化工有限公司。陶粒采購(gòu)自湖南祁東建旺科技陶粒有限公司，其中陶粒的密度約為0.5g/cm3。磷酸采購(gòu)自廣西學(xué)林化工有限公司，濃度為85%。以上原材料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原材料的化學(xué)組成（單位：%）

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將85%濃度磷酸稀釋為8mol/L磷酸溶液，水固比設(shè)定為1.4，保證磷酸與偏高嶺土充分反應(yīng)?？紤]到輕質(zhì)陶粒骨料在地聚合物中會(huì)出現(xiàn)上浮問(wèn)題，結(jié)合前期研究[8]，陶粒含量不超過(guò)9%。通過(guò)調(diào)節(jié)陶粒摻量，陶粒級(jí)配參數(shù)分別設(shè)立摻量組和級(jí)配組。摻量組：陶粒粒徑設(shè)定為0.63～1.25mm，養(yǎng)護(hù)溫度40℃，養(yǎng)護(hù)濕度90%，養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)24h，陶粒摻量分別為3%，6%，9%。級(jí)配組：陶粒摻量固定為6%，養(yǎng)護(hù)溫度40℃，養(yǎng)護(hù)濕度90%，養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)24h，陶粒級(jí)配為0～0.315mm，0.315～0.63mm，0.63～1.25mm。摻量組和級(jí)配組的配合比見(jiàn)表2和表3所示。

表2 摻量組試樣的配合比（單位：g）

表3 級(jí)配組試樣的配合比

1.3 試樣制備

首先，將85%濃度磷酸與水調(diào)配成濃度為8mol/L的磷酸溶液，靜置至常溫。將磷酸溶液與偏高嶺土混合攪拌3～5min，按照實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的摻量組與級(jí)配組分別摻入不同含量的陶粒再次均勻攪拌5min，分別倒入40mm×40mm×40mm（強(qiáng)度測(cè)試）與25mm×25mm×280mm（干燥收縮測(cè)試）的模具中振實(shí)。然后，將注漿后的模具放入養(yǎng)護(hù)箱（溫度為40℃，濕度為90%），養(yǎng)護(hù)24h后拆模、標(biāo)記。最后，將試樣放入干燥養(yǎng)護(hù)箱（溫度22℃，濕度50%），一定齡期后取出測(cè)試。

1.4 試樣性能測(cè)試

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，具體方法參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》（GB/T17671-1999）[9]進(jìn)行，其中設(shè)備加載速率設(shè)定為5mm/min。

1.4.2 收縮性能測(cè)試

對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的25mm×25mm×280mm試樣，使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行試樣長(zhǎng)度測(cè)試，在1～8d，8～28d，28～56d時(shí)分別以1d，2d，4d的測(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量。試樣收縮率S可通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算:

式中：

L0——試樣初始長(zhǎng)度；

Ln——第n天的測(cè)量長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

2.1.1 摻量組

圖1為陶粒級(jí)配在0.63～1.25mm條件下，陶粒摻量對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。由圖1可見(jiàn)，隨著陶粒摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)陶粒摻量為3%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度最高，具體值為10.036MPa。當(dāng)陶粒摻量為9%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度最低，具體值為7.581MPa。這是因?yàn)樘樟ｎw粒分布不均勻，且陶粒顆粒的自身強(qiáng)度不高，致使陶粒摻量的增加對(duì)試樣力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.2 級(jí)配組

圖2為陶粒級(jí)配對(duì)試樣力學(xué)性能的影響?？梢?jiàn)，在陶粒摻量固定為6%的條件下，隨著陶粒級(jí)配的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。其中，當(dāng)陶粒級(jí)配為0～0.315mm時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度為6.460MPa。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315～0.63mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度為10.88MPa。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63～1.25mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度為8.03MPa。這是因?yàn)楫?dāng)陶粒粒徑過(guò)小時(shí)，陶粒僅起到部分填充作用，且自身強(qiáng)度較低，導(dǎo)致試樣整體強(qiáng)度也較低。當(dāng)陶粒粒徑適當(dāng)時(shí)，陶粒不僅起到填充作用，而且起到保水作用促進(jìn)材料持續(xù)反應(yīng)，因此試樣強(qiáng)度較高。

圖2 陶粒級(jí)配對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響

2.2.1 摻量組

圖3為陶粒級(jí)配0.63～1.25mm時(shí)，陶粒摻量對(duì)試樣質(zhì)量損失率的影響?？梢?jiàn)，隨著時(shí)間的增加，試樣質(zhì)量損失可以分為兩個(gè)階段：1～18d的質(zhì)量快速損失階段；18～56d的質(zhì)量損失穩(wěn)定階段。在1～18d時(shí)，試樣的自由水蒸發(fā)，試樣質(zhì)量快速損失。此外，偏高嶺土溶解出的Si-OH,Al-OH與磷酸中[PO4]反應(yīng)，生成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)同時(shí)脫出結(jié)合水[10-11]，且隨后蒸發(fā)，致使試樣質(zhì)量損失率進(jìn)一步增大[12]。在18～56d時(shí)，試樣中的自由水基本蒸發(fā)結(jié)束，此時(shí)僅有少量結(jié)合水蒸發(fā)，最終試樣的質(zhì)量損失率趨于穩(wěn)定。

圖3 陶粒摻量對(duì)質(zhì)量損失率的影響

此外，陶粒級(jí)配為0.63～1.25mm時(shí)，隨著陶粒摻量的增加，質(zhì)量損失率逐漸升高。

其中，陶粒摻量為3%時(shí)試樣質(zhì)量損失率為4.49%，陶粒摻量為9%時(shí)試樣質(zhì)量損失率為8.34%。這是因?yàn)樘樟搅吭蕉?，試樣初始含水量越多，質(zhì)量損失率越大。

2.2.2 級(jí)配組

圖4為陶粒摻量6%時(shí)，陶粒級(jí)配對(duì)試樣質(zhì)量損失率的影響?？梢?jiàn)，相比陶粒摻量，陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響要小。隨著陶粒級(jí)配的增加，試樣質(zhì)量損失率先升高后下降。當(dāng)陶粒級(jí)配為0～0.315mm時(shí)，試樣最終的質(zhì)量損失率為6.46%；當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315～0.63mm時(shí)，試樣最終質(zhì)量損失率為7.02%；當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63～1.25mm時(shí)試樣最終質(zhì)量損失率為6.82%。這是因?yàn)椴煌?jí)配下，陶粒的含水量不同，且其保水性能也不相同，導(dǎo)致相同陶粒摻量下試樣的質(zhì)量損失率略有不同。

圖4 陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響

2.3 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)收縮率的影響

圖5為陶粒級(jí)配在0.63～1.25mm時(shí)，陶粒摻量對(duì)試樣收縮率的影響?？梢?jiàn)，隨著陶粒摻量的增加，試樣收縮率為先增大后減小。其中，當(dāng)陶粒摻量為3%時(shí)，試樣的收縮不明顯，其最終收縮率僅為0.14%。這是因?yàn)樘樟搅枯^少，試樣內(nèi)部自由水較少，原材料不能持續(xù)反應(yīng)，化學(xué)收縮不明顯，僅自由水流失，導(dǎo)致試樣收縮不明顯。當(dāng)陶粒摻量為6%時(shí)，試樣的最終收縮率為3.54%。這是因?yàn)檫m量陶粒的摻入，試樣內(nèi)部自由水充足，原材料持續(xù)反應(yīng)，化學(xué)收縮明顯，導(dǎo)致試樣整體收縮明顯。當(dāng)陶粒摻量為9%時(shí)，試樣的最終收縮出現(xiàn)減小趨勢(shì)，最終值為3.11%。這是因?yàn)檫^(guò)多的陶粒摻量，試樣中偏高嶺土含量減少，參與化學(xué)反應(yīng)的材料有限，導(dǎo)致試樣收縮有下降趨勢(shì)。

圖5 陶粒摻量對(duì)收縮率的影響

圖6為當(dāng)陶粒摻量6%時(shí)，陶粒級(jí)配對(duì)試樣收縮率的影響?？梢?jiàn)，隨著陶粒級(jí)配的升高，試樣收縮率先增大后減小。當(dāng)陶粒級(jí)配為0～0.315mm時(shí)，由于小粒徑陶粒的填充效應(yīng)比較顯著，因此試樣的收縮并不明顯，其最終收縮率僅為0.35%。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315～0.63mm時(shí)，試樣的最終收縮率最大值為4.54%。這是因?yàn)檫m當(dāng)粒徑下的陶粒不僅起到部分填充作用，而且能起到保水作用，促進(jìn)材料持續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致試樣收縮現(xiàn)象明顯。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63～25mm時(shí)，試樣的收縮有下降趨勢(shì)，收縮率為3.54%。這是因?yàn)檫^(guò)大粒徑的陶粒在試樣中分布不均勻，不能充分促進(jìn)原材料持續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致試樣收縮有下降趨勢(shì)。

圖6 陶粒級(jí)配對(duì)收縮率的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

以酸激發(fā)偏高嶺土基地聚合物為研究對(duì)象，通過(guò)添加不同摻量和級(jí)配的陶粒，研究陶粒對(duì)酸激發(fā)地聚合物力學(xué)性能、質(zhì)量損失率、收縮率的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）隨著陶粒摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。在陶粒摻量固定為6%的條件下，隨著陶粒級(jí)配的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。

（2）隨著時(shí)間的增加，試樣的質(zhì)量損失大體可以分為快速損失階段和穩(wěn)定階段。當(dāng)陶粒摻量增加時(shí)，試樣質(zhì)量損失率逐漸升高。相比陶粒摻量，陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響要小。隨著陶粒級(jí)配的增加，試樣質(zhì)量損失率先升高后下降。

（3）當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63～1.25mm時(shí)，隨著陶粒摻量的增加，試樣收縮率先增大后減小。當(dāng)陶粒摻量為6%時(shí)，隨著陶粒級(jí)配的升高，試樣收縮率也是先增大后減小。