硅灰对高强地聚物胶凝材料性能的影响
刘翼玮，张祖华，史才军，李 宁，雷 龙
(湖南大学土木工程学院，绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，长沙410082)
摘要：以矿渣、粉煤灰和硅灰为原材料制备高强地聚物，利用单一质心设计法对原材料组成进行设计优化，研究了硅灰对凝结硬化过程以及对硬化浆体抗压强度的影响。结果表明：硅灰充分发挥了细颗粒作用，充填在矿渣和粉煤灰堆积空隙中，由此释放的激发剂提高了固体颗粒表面的液膜厚度，从而改善地聚物的流动性，降低浆体的触变性、屈服应力和塑性黏度；由于高活性，部分硅灰在强碱性溶液中快速溶解，使得激发剂中硅酸根离子浓度提高，碱度降低，从而使矿渣和粉煤灰的反应速率降低，减缓C—A—S—H凝胶形成，宏观上表现为凝结时间延长，加速期迟滞，反应热峰值和累计放热量降低，硬化体早期强度发展受到影响。当矿渣含量＞50%、粉煤灰含量＜30%且硅灰含量＜30%时，地聚物砂浆强度超过100 MPa，满足新拌性能要求，具有制备超高性能混凝土的可行性。
关键词：超高性能混凝土；高强地聚物；硅灰；新拌性能；抗压强度；单一质心设计
中图分类号：TU528.7 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)11–1689–11
网络出版时间：2020–09–19
前言：
超高性能混凝土(UHPC)具有优异的强度、韧性和耐久性，在大跨桥梁、超高层建筑、核电、海洋、军事等工程以及艺术建造中有着广阔的应用前景。UHPC制备的特点之一是胶凝材料用量大，一般为普通混凝土的2~4倍，主要胶凝材料是硅酸盐水泥，能耗较高，因而导致UHPC的内蕴能量较高。地聚物是一类以大宗工业固体废弃物，如冶金渣、粉煤灰和赤泥等为原料，通过化学激发制备而成的胶凝材料，与硅酸盐水泥相比，具有能耗低、耐腐蚀性好等优点[1‒2]。因此，探索利用地聚物替代传统硅酸盐水泥制备UHPC，具有降低内蕴能量、提高耐腐蚀性的潜力。
硅酸盐水泥基UHPC的制备一般是通过提高减水剂用量(降低水灰比)和掺和硅灰，提高浆体致密性，从而满足UHPC对胶凝材料的高强度和高致密性要求[3]。地聚物的制备所用强碱性激发剂使常用减水剂难以发挥其功效；原材料来源广泛，物理化学特性差异大，养护制度不同，硬化体的性能差异较大。为获得(超)高强度、高致密的地聚物，根据原材料特性，进行原材料和激发剂组成优化显得尤为重要，但目前国内外这一方面的系统研究仍较少。Amibly等[4]根据最紧密堆积原理，使用76%矿渣和24%硅灰在水胶比为0.32条件下制备了超高强的地聚物浆体，其钢纤维增强的砂浆28 d抗压强度达175 MPa。Wetzel等[5]利用63.0%矿渣、7.0%偏高岭土和30%硅灰制备的地聚物在水胶比为0.25时抗压强度可达150 MPa以上。在凝结硬化控制方面，郭军[6]发现水玻璃激发的矿渣粉煤灰地聚物，其浆体流动度仅为170 mm左右，凝结时间不足1 h；常用的外加剂不仅对高强地聚物的流动性和凝结时间无明显改善，还导致硬化体强度下降。因此，研究无外加剂条件下通过调整原料组成配比来调控浆体凝结硬化行为是开发满足UHPC性能要求的高强地聚物的关键。
本工作以矿渣、粉煤灰和硅灰作为原材料制备高强地聚物，重点考察硅灰掺量对于地聚物流动性能、反应过程和产物形成的影响，探究硅灰在碱激发体系中与硅酸盐水泥体系中的不同作用机制。
结论：
1) 在激发剂模数为1.5~2.0条件下，当矿渣含量＞50%、粉煤灰含量＜30%且硅灰含量＜30%时，可以制备出抗压强度超过100 MPa高强地聚物砂浆；激发剂模数和原材料组成对地聚物砂浆的流动度、凝结时间和抗压强度有显著影响，可以通过原材料组成设计调节浆体的新拌和硬化性能，因此，利用高强地聚物制备UHPC具有可行性。
2) 硅灰改变了地聚物净浆的触变性，塑性黏度和屈服应力随硅灰含量增大而减小，但当硅灰用量为30%时，浆体的屈服应力急剧增大。硅灰活性较高，快速溶解导致浆体初始溶解放热速率提高，但形成凝胶的速率降低，初终凝时间延长。
3) 硅灰对硬化体的影响取决于激发剂组成和硅灰含量。合适的激发条件下，少量硅灰可以发挥充填作用并促进胶凝材料形成，但掺量过大会反而导致负面作用，其主要原因在于硅灰的快速溶解改变了激发剂的实际模数以及碱度，影响了对矿渣和粉煤灰的激发作用，同时可能改变了凝胶体的微观力学性能。
文中部分图表：