土聚水泥混凝土及其碱–集料反应初探

摘要：研究了组成不同的土聚水泥混凝土的工作性与强度发展规律，以及土聚水泥砂浆碱硅酸反应发生的情况。结果表明：在激发剂掺量适当的情况下，土聚水泥混凝土具有良好的工作性与力学性能，且土聚水泥砂浆不会产生有害的膨胀。

关键词：土聚水泥混凝土 工作性 强度 ASR

中图分类号：TU528.31 文献标识码：A

0 前言

随着国民经济的发展和社会的进步，硅酸盐水泥由于本身消耗的能源与资源较大，且硅酸盐水泥制品耐久性较差，已经越来越不满足现代建设工程的需要。因此，开发一种耐久环保性胶凝材料已经成为当前紧迫的任务，这将有利于我国正在实施的可持续发展战略。土聚水泥的出现则为解决这一问题提供了一条新的思路。

土聚水泥是上个世纪70年代末由法国J·Davidovits开发的一类新型的碱激发胶凝材料，它是指由烧粘土，工业废渣等为主要原料，在碱激发剂的作用共同形成的。土聚水泥原料矿物中的硅铝氧化合物经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成了类似地壳中一些天然矿物的结构。它主要具有早期强度高、体积稳定性好、耐水热作用、能有效固定重金属离子、耐久性优良、低CO2排放等优点，这使得它成为了一种低能耗、低污染，且耐久性优良的新型胶凝材料[1]。

众所周知，当水泥或混合材中所含的有效碱过多时，在活性集料及水存在的环境下，便极易诱发碱-集料反应。土聚水泥作为一种高碱水泥，其外掺碱占被激活胶凝材料总量的比例，已经远远超过了碱矿渣水泥中的3%-6%的碱含量，达到了百分之十几，最高者甚至达到了百分之二十几。在如此高的碱环境中，土聚水泥混凝土是否极易发生碱-集料反应，这个问题在国内外的资料中鲜有报道，一直以来都没有得到很好的解决。

本文主要考察了土聚水泥混凝土的工作性能、力学性能，以及在不同碱含量，不同活性集料掺加量的条件下，土聚水泥砂浆ASR发生的情况。

1 原材料及实验方法

1.1 试验用原材料

1） 胶凝材料：偏高岭土，安徽雪纳非金属材料公司提供，在750～800℃下煅烧30～40min所得，比表面积390Kg/m2。胶凝材料的化学成分见表1。

2） 集料：粗集料，重庆歌乐山碎石，5～20连续级配，最大粒径20mm；细集料，四川简阳中砂，细度模数2.2；活性集料：重庆福耀玻璃

3） 厂产石英玻璃，经破碎、清洗、干燥、筛分后使用，粒径为0.15～0.75mm。非活性集料为标准石英砂。

4） 激发剂：水玻璃，重庆东方化工厂，模数3.28，含水率60%；NaOH,工业纯，重庆东方化工厂产，纯度为96%。

1.2 试验方法说明

1） 混凝土搅拌：原材料按配比要求称量后，按以下搅拌制度搅拌：

2）流动性能测试：混合料出料后，测试其塌落度和扩展度。

3）强度测试：测完流动性能后，混凝土装模、振动成型，静置24h后，脱模。养护至规定龄期后，进行混凝土强度测试。抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm立方体。

4）碱-集料反应试验方法：采用快速砂浆棒法对土聚水泥混凝土碱-集料反应膨胀率进行研究。试样砂浆的灰砂质量比统一为1：2.25，试样尺寸为25 mm×25 mm×285mm，试样两端预埋不锈钢测头，每组试样成型三条。砂浆棒成型后在标准条件下养护24小时脱模，测初始长度。测完初始长度的试件浸入装有1N的NaOH的养护箱中密封，80℃恒温养护，测3天、7天、10天和14天的砂浆膨胀率。

2. 试验结果及分析

经过大量的前期试验，确定了4组土聚水泥混凝土配合比，水胶比为0.35～0.39，砂率为40%，试验配合比见表2。

表2 土聚水泥混凝土试验配合比

Table 3 The mix proportions (kg/m3) of geopolymeric cement concrete

2.1 施工性能

从表3中可以看出，土聚水泥混凝土的初始塌落度均在180mm以上，而扩展度也在380*380以上，属于大流动性混凝土。从塌落度经时损失的情况来看，GEO-4 和GEO-3的塌落度损失较小，2个小时后混凝土的塌落度仍然保持在200mm左右，GEO-2的塌落度损失相对较大，不过1个小时后混凝土的塌落度仍有180mm。GEO-1的塌落度损失最大，1小时后的塌落度仅为初始塌落度的一半，2小时后塌落度为零。从上可以看出，土聚水泥混凝土在水胶比为0.37～0.39时，在不惨任何减水剂的情况下，依靠碱组分自身的塑化作用，使得其塌落度均能满足泵送混凝土的要求。当碱组分掺量过多，尤其是外掺NaOH较多时，在水胶比相对较低的情况下，就容易造成混凝土较快凝结，影响其在实际工程中的应用。

2.2 力学性能

图1显示了不同配合比的土聚水泥混凝土的强度发展规律。从图中可以看出，土聚水泥混凝土的强度发展非常迅速，其一天强度就已经达到20MPa以上，3天强度达到50MPa以上，7天强度为60MPa左右。对于GEO-1、GEO-2和GEO-3，其7天强度已经发展到28天强度的97%。GEO-1到GEO-4这四组配合比的混凝土，其1天、3天、7天的强度都是随着水胶比的降低和激发剂掺量的增加而增加。但是到了28天和56天时，其强度发展规律却出现了较大的差异：GEO-1、GEO-2和GEO-3这三组混凝土的28天强度与56天强度相对于7天强度来讲，是持续增长的；GEO-4这组混凝土的水胶比比其它三组都要低，但其28天与56天强度相对于7天强度却出现了倒缩。其原因主要是GEO-4这组混凝土中的激发剂含量，尤其是外掺NaOH的含量相对较高，这造成了混凝土中的游离碱过多。这些游离碱与空气中的CO2发生反应，在混凝土表面生成了一层白霜，造成了混凝土后期强度的下降。

由此可以判断，土聚水泥混凝土中激发剂的掺量，尤其是激发剂中外掺NaOH的含量是影响土聚水泥混凝土工作性和力学性能的重要因素。当激发剂掺量适中时，土聚水泥混凝土都能满足流动性好、塌落度经时损失小、早期强度高，后期强度不倒缩。当激发剂掺量过大时，混凝土塌落度经时损失大，后期强度出现倒缩，而且试件表面的泛霜将会影响混凝土的美观。因此，土聚水泥混凝土中的激发剂掺量不宜过高，一方面不经济，另一方面对混凝土的性能也会产生不利的影响。

2.3 抗碱集料反应性能

1）碱含量对土聚水泥砂浆ASR膨胀率的影响

碱的存在是发生ASR不可或缺的条件,因为只有当碱含量达到某一极限值时，ASR才会产生膨胀。对普通硅酸盐水泥而言，通常要控制其碱含量在0.6％以内，以防止ASR的破坏的发生。土聚水泥中的碱含量相当之高，通常为8％～20％，有的甚至超过了20％，这对于普通水泥来讲，是一个非常高的碱含量，在活性集料及水存在的情况下，必然会产生ASR破坏，但是土聚水泥中是否也会存在类似的现象呢？试验中土聚水泥的配比与上述四组土聚水泥混凝土中胶凝材料的配比相同，其碱含量分别为12％，15％，19％，25％。

表4 碱含量对土聚水泥砂浆ASR膨胀率的影响(%)

Table 4 Effects of content of alkali-activator on expansions rate of geopolymeric cement mortars due to ASR(%)

注：活性集料含量10％；活性集料粒径为0.15～0.75mm。

试验结果见表4。从表中可以看出，在Na2O含量不超过19％的范围内，土聚水泥砂浆宏观上都表现为收缩。且随着碱含量的增加，收缩逐渐减小，最大的也不超过0.03％。其原因可能是在Na2O含量不超过19％的情况下，土聚水泥砂浆中发生ASR的程度非常低，引起的膨胀极小，其膨胀量甚至小于砂浆的收缩，所以总体在宏观上表现为收缩。这与J·Davidovits的研究结果较为一致[2]。J·Davidovits对K2O含量为9.2％的钾基土聚水泥进行了碱-集料反应测试，结果表明钾基土聚水泥碱-集料反应存在细微的收缩； 当Na2O含量达到25％时，土聚水泥砂浆在各个龄期内，宏观上均表现为膨胀，这说明在砂浆中确实有ASR发生，此时ASR产生的膨胀远远大于了砂浆自身的收缩，所以总体在宏观上表现为膨胀。即使是这样，此时砂浆棒的14d膨胀率也未超过0.08％，说明在砂浆中的ASR程度较低，不会产生危险性膨胀。

2）活性集料含量对土聚水泥砂浆ASR膨胀率的影响

在碱-硅酸反应中，活性集料的粒径存在一个“最劣点”效应，即活性集料的粒径分布在“最劣点”范围的时候，碱-硅酸反应引起的膨胀量最大，容易造成较大的危害[3]。目前普遍认为，对于硅质活性集料，在粒径为0.15～0.75mm范围内时，砂浆棒的膨胀值最大[4]。因此本试验选用的活性集料粒径为0.15～0.75mm。

从表5中可以看出，当活性集料含量不超过15％的时候，土聚水泥砂浆在宏观上都表现为收缩，但是其收缩较小，均在0.026％以内。当活性集料掺量为20％时，砂浆中表现为膨胀，不过这种膨胀未超过0.025％，说明此时砂浆中发生的ASR程度也极低。因此，在土聚水泥中，当碱含量适中的时候，活性集料的含量对ASR的影响较小。在实际应用中，只要对活性集料的含量适当控制，就能避免ASR造成的破坏。

综上所述，在不同碱含量及不同活性集料存在的条件下，土聚水泥砂浆的ASR膨胀率均较低，除了上述原因之外，还可以归纳为以几下两点：

土聚水泥的水化过程是一个不断消耗外掺碱的过程，随着水化反应的不断进行，系统中的外掺碱逐渐进入到水化产物的结构，形成以含碱金属的水化铝硅酸盐为主的稳定水化产物。这些水化产物本身具有很高的比表面积，对碱金属离子具有很强的吸附能力，因此大大地降低了水泥中的游离碱含量，对ASR起到了抑制的作用。

由于土聚水泥中碱组分本身具有塑化作用，使得土聚水泥的标准稠度用水量要低于普通硅酸盐水泥。这就使得土聚水泥及其混凝土的结构极为密实，具有优良的抗渗性，以至于外界环境中的碱以及水难以渗入到土聚水泥混凝土中。这就降低了土聚水泥及其混凝土中的自由水含量，因此可供碱-硅酸凝胶吸收的水量也较少，造成的膨胀也较小[5]。

3. 结论

1）土聚水泥混凝土具有优异的工作性能，在无任何减水剂的情况下，依靠碱组份的塑化作用，其初始塌落度可以达到240mm，且塌落度经时损失小；早期强度高，7天强度能达到28天强度的97％左右，后期强度持续发展。

2）土聚水泥混凝土中的激发剂掺量不易过多，一方面不经济，另一方面易造成土聚水泥混凝土塌落度经时损失过大，以及后期强度出现倒缩，制品表面泛霜等不良现象。

3）在活性集料含量为10％，碱含量在不超过20％的范围内，土聚水泥砂浆宏观上表现为收缩，且这种收缩最大也不会超过0.03％。当碱含量为25％时，土聚水泥砂浆宏观上表现为膨胀，且最大膨胀量也未超过0.08％。

4）当碱含量一定时，活性集料的含量对土聚水泥砂浆ASR膨胀的影响较小。

参考文献

1 代新祥，文梓芸.土聚水泥的应用及研究现状[J].水泥，2001，：11

2 Davidovits,J.Geopolymers:Man-Made Rock Geosynthesis and the resulting development of very early high strength cement. Journal of Materials Education.1994,16(2&3):91

3 H.F.W. Taylor. Cement Chemistry , 2nd edition, Thomas Telford Publushing,(1997),p.362

4 Tang Mingshu, Han Sufen, Zhen Shihua. A Rapid Method for Identification of Alkali Reactivity of Aggregate [J]. Cement and Concrete Research,1983,13(3):417

5 杨长辉，蒲心诚. 碱矿渣混凝土的碱-集料反应研究. 混凝土，1996，：42