偏高岭土基地聚合物混凝土抗冻性能研究

摘要

地聚合物是一类新型铝硅酸盐胶凝材料，生产制备过程低碳环保，具有强度高、耐酸/盐侵蚀、耐高温等特性，在修补、固化重金属离子、航空航天等领域应用前景广泛。混凝土冻融破坏是寒冷地区的主要破坏形式，在我国三北等地区混凝土冻融破坏严重。而目前地聚合物研究主要集中在耐高温性、耐酸/盐侵蚀、反应机理等领域，长期耐久性研究不足，对抗冻性的研究很少。随着对地聚合物理解的深入，已有工程采用地聚合物材料，迫切需要对地聚合物混凝土的抗冻性能进行系统研究。因此，认识地聚合物混凝土的抗冻性能，解释冻融破坏机理，并提出改善抗冻性能的措施，为认识地聚合物混凝土及其工程应用提供理论基础。 本文以Na2O当量、激发剂模数和水固比来设计、制备地聚合物混凝土。对地聚合物凝结时间、微观形貌等基本特性进行了研究。参照水泥混凝土的试验标准，研究地聚合物混凝土在快冻法和慢冻法下的抗冻性能，Na2O当量、激发剂模数等参数如何影响地聚合物混凝土的抗冻性。考察了矿渣掺量和不同种类的引气剂对地聚合物混凝土抗冻性能的影响，并提出改善地聚合物混凝土抗冻性能的措施。最后，通过测定地聚合物混凝土的孔隙率、毛细管饱水度、地聚合物孔溶液的离子浓度，分析地聚合物混凝土冻融前后的孔隙结构和SEM图片，探索地聚合物混凝土冻融破坏机理。 试验结果表明：在快冻法条件下，偏高岭土基地聚合物混凝土的抗冻性能不佳，极限冻融次数不超过75次。Na2O当量和激发剂模数对地聚合物混凝土抗冻性能、力学性能等影响较大，Na2O当量为16%，模数为1.5的偏高岭土基地聚合物混凝土的抗冻性能最好，极限冻融次数能达到75次。偏高岭土基地聚合物混凝土的抗冻性能与Na2O当量的相关系数为0.845，与激发剂模数等参数的相关性不显著。 矿渣能够缩短地聚合物的凝结时间，提高地聚合物混凝土的力学性能，劈裂抗拉强度提高20%以上。地聚合物混凝土的抗冻性能随矿渣掺量增加而提高，掺30%矿渣使地聚合物混凝土的极限冻融次数由基准混凝土的43次提高到135次。对地聚合物混凝土抗冻性能改善效果：十二烷基硫酸钠>十二烷基磺酸钠>松香酸钠。能够将地聚合物混凝土的极限冻融次数由基准混凝土的36次提高到60-75次，最佳掺量分别为 0.06%、0.08%和 0.02%。三种引气剂引入的气泡间距和孔径超过400μm、300μm。常见引气剂在高碱性、大粘度的地聚合物混凝土中的兼容性不好。矿渣比引气剂能更好的改善地聚合物混凝土抗冻性能，复掺矿渣和引气剂能进一步提高地聚合物混凝土的抗冻性能，将基准地聚合物混凝土的极限冻融次数从 43次提高到125次。 饱水度是影响地聚合物混凝土抗冻性最重要因素，饱水度比降温速率对抗冻性的影响更大。地聚合物混凝土的孔隙率超过 15%；在 12h内就达到平衡毛细管饱水度为0.84-0.92；地聚合物孔隙溶液为硅酸钠溶液，地聚合物孔溶液中Na+离子的浓度高，为0.6mol/L左右。地聚合物混凝土孔隙结构不好，超过50nm的有害孔隙超过 75%，冻融过程中有害孔的比例进一步提高。它们造成地聚合物混凝土在冻融过程中的结冰压、渗透压大，甚至盐析出产生结晶压，导致抗冻性能不良。地聚合物混凝土的冻融破坏机理主要为静水压和渗透压理论。 实验结果明确了地聚合物混凝土的冻融破坏规律及影响因素，并提出了改善抗冻性能的措施，阐释了冻融破坏机理。为地聚合物混凝土在寒冷地区的推广应用提供了实验数据和理论基础。

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