6 一种新型绿色环保无机聚合物混凝土

一种新型绿色环保无机聚合物混凝土

空军第八空防工程处张鲁渝、张建霖、刘财华

空军工程大学航空航天工程学院付亚伟

摘要：在分析无机聚合物混凝土（IPC）性能和机理的基础上，采用矿渣＋Na2SiO3和NaOH复合激发剂，制备了坍落度在160mm以上，4h抗折强度在2.5MPa以上的快硬早强自密实IPC，并进行了不同激发剂类型、矿渣掺量及养护温度等对IPC强度的影响规律试验研究，并通过机场道面现场试验，研究了IPC的施工工艺和技术。结果表明，通过严格控制原材料质量，采用合适的工艺技术，可有效保证施工质量，利用IPC快速修复的道面4h抗折强度可达3.03MPa，抗压强度达到26.19MPa，且表面性能优异，满足机场道面抢修要求。

关键词：机场道面；无机聚合物混凝土；激发剂；矿渣；抢修；施工

随着低碳经济时期的来临，节能减排和发展循环经济已成为各国政府工作的重要内容，建筑废弃物及工业副产品材料的循环再利用研究也成为全球可持续发展的重要部分。无机聚合物材料是近年来国际上研究非常活跃的一种新型绿色环保型胶凝材料，它是以富含高岭石或富含铝硅酸盐矿物的废渣,如高岭石矿、煤矸石、矿渣、粉煤灰等工业副产品在化学激发剂的作用下，通过玻璃体结构中的-O-Si-O-Al-O-链的解聚生成[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-四面体，进而发生缩聚反应生成新的具有晶态和准晶特征的-O-Si-O-Al-O-三维网络结构凝胶体。它生产工艺简单，煅烧温度仅600～800℃，生产能耗比硅酸盐水泥减少70%以上，且CO2的排放量非常低，制造1t碱激发材料CO2排放量仅是硅酸盐水泥CO2排放量的1/10～1/5，可以说是一种真正的绿色低碳材料。国内外研究表明，无机聚合物混凝土(Inorganic Polymer Concrete，简称IPC)无论从化学成分还是微观结构等方面都迥异于硅酸盐水泥混凝土(Portland Concrete，简称PC)，其物理力学性能和耐久性能均较PC有大幅度提高[1～7]，且具有优良的快速固化性能，可广泛用于抢修工程。本文在分析IPC性能及机理的基础上，通过室内试验对IPC进行配制和性能研究，结合某机场试验工程，研究无机聚合物快速修复混凝土的施工工艺与技术，为新型绿色高性能混凝土的开发研究和应用推广提供理论基础和技术支持。

1 IPC的性能及机理

IPC的硬化过程是在碱性激发剂作用下的硅氧键和铝氧键的断裂与重组反应过程，不存在硅酸钙的水化反应，其最终产物主要为低Ca/Si比的C-S-H(I)、碱性铝硅酸盐和沸石型矿物等，没有Ca(OH)2和过渡带，以离子键以及共价键为主，范德瓦尔斯键为辅，水化产物结构的密实性和均匀性好，性能类似天然沸石矿物，传统水泥则以范德瓦尔斯键及氢键为主，因此其主要性能优于传统水泥混凝土[1～3]。

1.1高强、早强、快凝

无机聚合物分子完全是由Si、A1、O元素等通过共价键构成的，Si-O四面体与A1-O四面体聚合而成连续三维网络构架，因此具有较高的强度，可与陶瓷、铝、钢等金属材料相媲美[4]。无机聚合物反应过程中，溶胶的形成和脱水反应速度比较快，网络骨架比较容易形成，另外微波、加热、干燥对反应都有促进作用，可得到快硬混凝土和超快硬混凝土，常温下4h抗压强度就可达15-20MPa[4]。

1.2 耐久性好

IPC内部结构致密，不存在过渡区，且毛细孔率较低，凝胶孔孔隙率较高，特别是孔径大于2µｍ的毛细孔率仅为0.3%，而PC为6.2%，因而其耐久性良好。PC的抗渗等级为S2～S12，而IPC的抗渗等级在S40以上，IPC可承受300～1000次冻融循环[5]，且较PC具有优异的抗硫酸盐侵蚀、抗化学侵蚀和抗碳化性能，其28d的碳化深度为0[6,7]。

1.3 经济效益显著

无机聚合物材料生产工艺简单，改传统的“两磨一烧”水泥生产工艺为“一磨”，煤耗降低约70%，电耗降低约50%。建造同规模的无机聚合物胶凝材料厂的基建投资仅为硅酸盐水泥厂的10%～30%。无机聚合物材料原料主要为价格低廉的含“铝硅酸盐”的自然矿物或废渣（如粘土、矿渣、火山灰、粉煤灰、硅灰等），且来源广泛，便于就地取材，从而降低运输费用，降低成本。

同时由于IPC的强度高，可以减小构件尺寸，减少材料用量和运输量。由于快凝、早强，可加速模板周转和施工进度，提高建设效率。由于其耐久性优异，可降低维护费用，延长使用寿命。

1.4 社会效益良好

IPC由于不用烧制水泥熟料，各种工业废渣均可作为其原料，激发剂除了用碱金属化合物外，还可利用含碱工业废料和工业副产品，生产能耗极低，只有正常水泥生产能耗的30%，CO2、SO2、NO和粉尘污染可减少90%以上，材料对环境友好并且可以很好地被回收再利用，是一种可持续发展的“绿色环保材料”。

2 原材料与试验方法

2.1 试验原材料

高炉矿渣微粉为江西萍乡联达高新建材厂生产的冶金高炉矿渣微粉，比表面积410m2/kg，密度2.82

g/cm3；碱激发剂采用Na2SiO3和NaOH复合溶液，根据不同比例配制了Ⅰ、Ⅱ两种类型，密度均为1.35g/cm3；砂子为西安灞河中砂，级配合格，密度2.63g/cm3，堆积密度1541kg/m3，含泥量1.02%；石子为陕西泾阳石灰岩碎石，采用5～20mm和20～40mm二级碎石按4：6的比例配成，级配合格，密度2.77g/cm3，堆积密度

1500kg/m3。

2.2 试验方法

通过高炉冶金矿渣微粉＋Na2SiO3和NaOH复合激发溶液，研制新型快硬早强胶凝材料。混凝土拌合采用单卧轴强制式搅拌机，振动台振动120s，试件采用150mm×150mm×600mm标准梁，在20℃室温下养护，按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》，测定抗折强度，再取断头测定抗压强度。

3 试验结果与分析

3.1 配合比设计

根据机场道面抢修技术要求，确定配制目标为坍落度≥160mm，4h抗折强度≥2.5MPa。依据高性能混凝土配合比法则和机场道面混凝土配合比设计技术标准，通过优选溶胶比、矿渣用量和砂率，确定混凝土配合比，试验配合比及结果见表1。

的目的，综合考虑强度、工作性、经济性，最终选定配比6为道面混凝土基准配合比。

3.2 激发剂类型对IPC强度的影响

选用Ⅰ型、Ⅱ型两种激发剂，不同溶胶比（0.53、0.55）下测定IPC的强度，对比激发效果。分别成型一组试件（三个），共8组试件，20℃下养护4h、24h，进行强度测定，结果见图1、2。

图1 不同激发剂类型下的混凝土抗折强度图2 不同激发剂类型下的混凝土抗压强度结果表明，Ⅱ型激发剂4h抗折强度仅为2.47MPa，抗压强度为20.36MPa，不满足设计要求；Ⅰ型激发剂4h的抗折强度为2.96MPa，抗压强度为23.07MPa，分别比Ⅱ型激发剂提高了19.8%、13.3%，满足设计要求，故应采用Ⅰ型激发剂。

3.3 矿粉掺量对IPC强度的影响

参照基准配合比，固定溶胶比0.53，砂率0.40，采用Ⅰ型激发剂，改变矿粉掺量（380kg/m3、400kg/m3、420kg/m3），20℃下养护4h、24h，进行强度测定，结果见图3、4。结果表明，随着矿渣掺量的增加，IPC 强度呈增长趋势，矿渣掺量为400kg/m3时，混凝土4h、24h抗折、抗压强度均达到最大值，掺量为420kg/m3时，强度均有不同程度的下降。可知在同溶胶比条件下，IPC的强度并不是随着矿渣掺量的增加呈线形增长，而存在一个最佳掺量，当大于最佳掺量时，其强度反而下降。