1 试验概况

　　1.1 原材料

　　试验原材料为稻壳灰、纳米Al₂O₃,P·O42.5普通硅酸盐水泥、碱性激发剂、集料、聚丙烯纤维等，其中碱性激发剂由Na₂Si O₃溶液和纯度98%的分析纯片状NaOH配制而成，Na₂Si O₃溶液化学成分为Na₂O,Si O₂,H₂O，各成分质量分数分别为12.5%,30.3%,57.2%。粗集料最大公称粒径12.5mm，细集料采用天然河砂，最大公称粒径4.74mm。聚丙烯纤维长6mm，直径20μm，密度0.9g/cm³，抗拉强度300～400MPa，断裂伸长率100%～600%，熔点175℃，导热系数0.12，具有耐腐蚀、强度高的优点。采用X射线衍射技术对稻壳灰化学成分进行分析，由分析结果可知，稻壳灰化学成分包括Si O₂,Fe₂O₃,Al₂O₃,CaO,SO₃,K₂O,Na₂O,MgO，各成分质量分数分别为91.15%,0.41%,0.21%,0.41%,0.62%,6.25%,0.05%,0.45%，其中SiO₂为主要成分，烧失量为0.45%。图1所示为稻壳灰微观结构，由图1可知，稻壳灰表面多孔，比表面积大，结构较疏松，且部分颗粒呈团聚现象。

　　图1 稻壳灰微观结构  

　　1.2 试件制备

　　共设计10组不同配合比稻壳灰基地质聚合物混凝土试件，每组3个，配合比如表1所示。稻壳灰基地质聚合物分别以50%,60%,70%,80%,100%的取代率代替水泥，聚丙烯纤维掺量分别为0.3%,0.5%，水灰比(碱性激发剂溶液中自由水含量与水泥含量之比)为0.45,Na₂Si O₃溶液含量和NaOH溶液含量之比为0.4，纳米Al₂O₃掺量固定为20%。试件制备时，首先将粗、细集料和水泥倒入搅拌机中搅拌1～2min，然后加入稻壳灰继续搅拌2～3min，同时将碱性激发剂和纳米Al₂O₃倒入，混合均匀。充分搅拌后，将混合物倒入100mm×200mm，100mm×800mm圆柱体钢模中，在振动台上振捣密实，试件浇筑后盖塑料薄膜静置24h后脱模，置于(20±2)℃水中养护。

　　1.3 测试内容

　　分别对养护28,90d的稻壳灰基地质聚合物混凝土试件抗压强度进行测试，试件尺寸为100mm×200mm，并对养护90d的试件抗折强度和劈裂抗拉强度进行测试，抗折强度测试试件尺寸为100mm×800mm，劈裂抗拉强度测试试件尺寸为100mm×200mm，取每组3个试件强度平均值作为试验结果。对养护90d的试件吸水率进行测试，试件尺寸为100mm×200mm。通过扫描电镜对试件微观结构进行观察。

　　2 试验结果分析

　　2.1 力学性能

　　2.1.1 抗压强度

　　试件抗压强度如图2所示，由图2可知，随着地质聚合物取代率的增加，试件抗压强度逐渐增大。这是由于稻壳灰中Si-O-Si键在碱性激发剂的作用下发生断裂，进而形成水化硅铝酸钙凝胶结构，该凝胶结构紧密黏附于粗、细集料与其他材料表面，改善结构稳定性，从而提高混凝土抗压强度。随着稻壳灰掺量的增加，试件抗压强度逐渐增大。这是因为部分未发生反应或残留的稻壳灰填充了混凝土微小孔隙，使混凝土更加密实、均匀，从而提高混凝土抗压强度。当聚丙烯纤维掺量为0.3%、地质聚合物取代率为100%时，试件抗压强度相比地质聚合物取代率为80%时有所减小，这是因为随着稻壳灰的增多，水化反应早期形成大量且延展性较差的铝硅酸盐沉淀，同时悬浮大量未反应的稻壳灰，反而降低混凝土骨架密度，从而降低混凝土抗压强度。

　　对比不同纤维掺量试件抗压强度可知，在相同地质聚合物取代率和养护龄期下，纤维掺量为0.5%的试件抗压强度略高于纤维掺量为0.3%的试件。这是因为聚丙烯纤维能有效黏结混凝土内部微裂缝，并分担部分外部荷载，从而提高混凝土抗压强度。另外，养护龄期为90d的试件抗压强度显著高于养护龄期为28d的试件，这是因为随着养护时间的延长，混凝土内部物理化学反应更充分。

　　表1 配合比设计 

　　表1 配合比设计

　　图2 试件抗压强度  

　　综上所述，稻壳灰基地质聚合物混凝土抗压强度为45.1～65.8MPa，强度等级为C45～C65，可在不同强度需求的混凝土工程中进行应用。

　　2.1.2 抗折强度

　　试件抗折强度如图3所示，由图3可知，地质聚合物取代率和聚丙烯纤维掺量对试件抗折强度均有影响。当地质聚合物取代率为50%时，聚丙烯纤维掺量为0.3%,0.5%对应的试件抗折强度分别为6.8,7.1MPa;当地质聚合物取代率增至80%时，聚丙烯纤维掺量为0.3%,0.5%对应的试件抗折强度分别为8.2,8.8MPa;当地质聚合物完全取代水泥时，试件抗折强度反而降低，这表明过量的稻壳灰不能合理分散于混凝土中，因而不能形成稳定的凝胶结构，从而减小混凝土抗折强度。

　　图3 试件抗折强度  

　　当聚丙烯纤维掺量由0.3%增至0.5%时，试件抗折强度有所提高，这是因为聚丙烯纤维具有桥接裂缝能力，从而有效缓解混凝土开裂，纤维还起加筋补强作用，使内部浆体与纤维间形成稳固黏结，加强界面间的稳定性。

　　2.1.3 劈裂抗拉强度

　　试件劈裂抗拉强度如图4所示，由图4可知，试件劈裂抗拉强度与抗折强度变化规律类似，劈裂抗拉强度基本随着地质聚合物取代率的增加而增大。应注意，当地质聚合物取代率达100%时，试件劈裂抗拉强度同样发生小幅度降低。王爱国等认为混凝土内部Si,Al的物质的量比过大时，将降低混凝土中铝硅酸盐形成速率，使混凝土强度不再增长。而稻壳灰中含有大量硅元素，当地质聚合物取代率过高时，混凝土中Si,Al的物质的量比显著增大，从而使劈裂抗拉强度降低。当聚丙烯纤维掺量由0.3%增至0.5%时，试件劈裂抗拉强度有所提高。

　　图4 试件劈裂抗拉强度  

　　2.1.4 强度相关性

　　为进一步了解稻壳灰基地质聚合物混凝土抗压强度、抗折强度与劈裂抗拉强度之间的关系，进行相关性分析，如图5所示。由图5可知，混凝土抗压强度与抗折强度之间的相关系数为0.870 1，抗压强度与劈裂抗拉强度之间的相关系数为0.868 6，可知3种强度之间呈正相关关系，且相关性较好，这表明随着地质聚合物取代率的增加，3种强度变化趋势相同。

　　图5 相关性分析结果  

　　2.2 抗渗性能

　　试件吸水率如图6所示，由图6可知，随着地质聚合物取代率的增加，试件吸水率呈逐渐减小的趋势。当纤维掺量为0.3%时，50%,60%,70%,80%,100%取代率对应的试件吸水率分别为7.23%,7.10%,6.86%,6.15%,5.03%;当纤维掺量为0.5%时，50%,60%,70%,80%,100%取代率对应的试件吸水率分别为7.48%,7.20%,6.91%,6.63%,6.49%，可知当纤维掺量为0.5%时，混凝土吸水率变化幅度较小。

　　随着地质聚合物取代率的增加，水化反应进一步加快，且稻壳灰颗粒可填充内部微孔隙，改善浆体内部孔结构，降低孔隙率，从而提高混凝土抗渗性能。

　　2.3 微观结构

　　试件微观结构如图7所示，由图7a,7b可知，当地质聚合物取代率为50%时，混凝土中纤维与浆体结构黏结较松散，相互作用较弱，周围裂隙结构明显;当地质聚合物取代率增加时，由于混凝土内部孔隙得到填充，密实度增大，纤维与浆体结构黏结紧密，从而使纤维增强作用得到体现，混凝土强度得到改善。

　　图6 试件吸水率  

　　图7 试件微观结构  

　　由图7c,7d可知，当地质聚合物取代率较小时，混凝土内部浆体结构存在大量空洞，对强度和耐久性造成影响。随着养护龄期的延长，混凝土水化反应程度加深，生成的凝胶结构使内部结构更密实，从而减少空洞数量，但仍存在大量尚未填充的微孔隙结构。

　　由图7e,7f可知，随着地质聚合物取代率的增加，稻壳灰颗粒均匀分布于混凝土中，对空洞及微孔隙结构起良好的填充作用，使混凝土界面过渡区空洞及孔隙结构数量减少，提高地质聚合物与集料、纤维之间界面黏结强度。同时水化反应生成的凝胶结构能较好地对不同界面进行黏结和裹覆，从而提高混凝土密实度，并降低孔隙的进一步形成，提高混凝土强度，改善混凝土耐久性。由图7f可知，随着养护龄期的延长，混凝土微孔隙结构基本消失。

　　2.4 CO₂排放量

　　对不同地质聚合物取代率下的混凝土CO₂排放量进行定量计算，结果表明，当地质聚合物取代率为50%,60%,70%,80%,100%时混凝土CO₂排放量分别为232.5,202.3,172.1,141.9,80.8kg/m³，可知随着取代率的增加，CO₂排放量显著降低，这表明将地质聚合物代替水泥可显著降低混凝土生产过程中CO₂的排放，有效减少环境污染。

　　3 结语

　　1)混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度基本随着地质聚合物取代率的增加有所提高，力学性能得到改善。聚丙烯纤维可与混凝土浆体结构有效黏结，起加筋补强作用，有利于改善混凝土强度、提高混凝土耐久性。

　　2)随着地质聚合物取代率的增加，混凝土密实度逐渐提高，抗渗性能得到改善。不同聚丙烯纤维掺量下，混凝土吸水率差异较小。

　　3)稻壳灰基地质聚合物混凝土通过水化反应生成的凝胶结构包裹浆体，并由稻壳灰颗粒对孔隙结构进行填充，从而提高混凝土密实度，改善混凝土力学性能和抗渗性能。

　　4)将地质聚合物代替水泥制备混凝土可有效降低混凝土生产过程中CO₂排放量，当地质聚合物取代率达100%时，CO₂排放量为80.8kg/m³，环保效果显著。