基于不同MPCM的GPC和PCC力学性能研究

赵 骁

南阳市鸭河口灌区管理局，河南 南阳 473002

将废弃材料回收成新的建筑材料有助于保护环境和节约资源。地聚合物是硅酸盐水泥的替代品，与硅酸盐水泥相比，它能显著减少温室气体排放，降低能耗。地聚合物可以由富含铝硅酸盐或高岭石的工业废料与碱性溶液结合制备而得。此外，与胶凝材料相比，地聚合物组分具有优异的力学性能，凝结时间更短。然而，对微胶囊相变材料（MPCM）在冻融条件下引起的地聚合物混凝土（GPC）和硅酸盐水泥混凝土（PCC）抗压强度变化的影响、抗侵蚀强度和微观结构的影响鲜有报道。文章目的是基于混凝土的微观结构，探讨MPCM在解冻条件下对两种地聚合物混凝土宏观的力学性能的影响；此外，在霜冻条件下，研究了MPCM对GPC和PCC的早期性能的影响，有助于进一步理解相变材料在兼具室内保温作用的同时对力学性能的影响。

1 材料和方法

1.1 材料

使用两种不同的带有疏水壳的MPCM：一种是PE-EVAPCM，具有50%低密度聚乙烯（LDPE）和50%乙烯基乙酸乙酯（EVA）共聚物的壳；另一种是St-DVB-PCM，是由50%苯乙烯（St）和50%二乙烯基苯（DVB）共聚物组成的壳。使用石蜡作为两种微胶囊的核心。由所用微胶囊的电子显微镜（SEM）图像可知，PE-EVA-PCM呈非球形几何形状，含有大量团聚体，而St-DVB-PCM呈球形。

采用F级粉煤灰（FA）、磨细高炉矿渣（GGBFS）、砂、碎石等碱性激发剂配制地聚合物混凝土，用于制备碱性溶液的氢氧化钠和硅酸钠溶液。由GGBFS和F级粉煤灰的X射线荧光（XRF）测定的化学成分如表1所示。将硅酸盐水泥与FA混合，为了在不添加大量水的情况下获得更好的和易性，使用高效减水剂。

表1 X射线荧光法分析FA和GGBFS

用于地聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土的碎石和砂的筛分情况如图1所示。

图1 骨料筛分情况

1.2 混合浇筑

对于所有的地聚合物，选择硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液（14g/mol）的比例为1.5、总的SiO2与Na2O比为0.7的碱性溶液。配置的混合溶液中不含砂子，将微胶囊作为额外添加剂添加。对于混凝土配合比，用微胶囊取代相应体积的砂子。

地聚合物膏体由碱性溶液与地聚合物组成，两者之比为0.4，低聚物是由再生废料FA和磨细的高炉矿渣组成。地聚合物膏体拌和过程中，是先将地聚合物和碱性溶液混合90s，然后加入微胶囊并混合90s，以获得均匀的糊状物。对于硅酸盐水泥浆体，拌和时先将水灰比为0.35的水与泥混合90s，获得与地聚合物浆体相同的稠度；加入MPCM后，继续混合90s。对于地聚合物和硅酸盐水泥浆体，将MPCM作为另外20%体积的粉末材料加入。

为了获得GPC和PCC的可靠数据，地聚合物的液体总量（碱性溶液+水）和水灰比保持在0.5的混凝土的量均不变。此外，对于不含微胶囊的混凝土，其碎石和砂的总量与地聚合物混凝土和硅酸盐水泥混凝土几乎相同。

为了减少混合过程对微胶囊的潜在损害，最后添加MPCM。地聚合物和硅酸盐水泥浆体以及混凝土的组成如表2、表3所示。对于混凝土，微胶囊的百分比对应于用MPCM代替的砂的体积。

表2 地聚合物膏体与混凝土的配合比设计 单位：kg

表3 硅酸盐膏体与混凝土的配合比设计 单位：kg

GPC和PCC样品中，0%和20%的砂被St-DVB-PCM或PEEVA-PCM代替，在20℃时，由于GPC的凝固时间较短，使用振动机去除试样内的空气，而对于PCC试样，则使用钢杵压实模具。将GPC和PCC浇铸到10cm×10cm×10cm的模具中，预固化24h，然后对样品进行脱模，脱模后的试样在自来水中固化28d。在开始冻融循环之前，将固化后的样品置于露天环境1h并称重。在每个冻融循环中，首先将样品浸泡在温度为（3±1）℃的冷却室中的自来水中6h，然后将样品放置在温度为（-20±1）℃的冰箱中18h。分别对样品进行0次、7次、14次和28次冻融循环。

1.3 试验方法

采用日立S3500N型电镜（SEM）扫描，在15kV的加速电压下，对0%和20%微胶囊的GPC和PCC进行矿物学表征研究。采用背散射电子（BSE）探测器对未抛光样品进行成像，测量前在溅射镀膜机上镀铂。

用Skyscan1172型CT扫描仪对含0%和20%微胶囊的PCC和GPC在0次和28次冻融循环后的内部微观结构进行了X射线断层扫描，入射辐射为85kV，每帧曝光时间为800ms，旋转步长为0.3°。最后一组垂直堆叠切片（像素大小为6μm）使用FDK算法重建。使用Skyscan1172对从样品中钻取的圆柱形样品（直径为1cm，高度为1cm）进行测量。

2 试验结果

用扫描电镜（SEM）和X射线断层成像对冻融循环0次和28次后含St-DVB-PCM和PE-EVA-PCM的GPC和PCC进行显微结构表征。由28次冻融循环后样品的扫描电镜图像可知，MPCM和混凝土基质之间的过渡区取决于微胶囊壳，疏水材料通常表现出与胶凝基质的不良黏附性，导致PCC和GPC微胶囊和混凝土基质之间存在可见间隙，说明混凝土和MPCM之间的结合不良。这可能会造成混凝土在反复冻融循环后的质量损失并导致强度降低。

在冻融循环过程中，PCC中形成的晶体是水化产物之一。在微胶囊的存在下，会在微胶囊和混凝土材料之间的间隙中形成晶体。形成的晶体会通过膨胀和固体体积的增加降低PCC的抗压强度。

对于GPC，冻融循环后形成微裂纹。此外，含有PCM的所有样品（GPC和PCC）在冻融循环后均出现微裂纹，而在没有微胶囊的PCC的SEM图像中看不到微裂纹。这可能是由于广泛的晶体形成隐藏了在晶体下形成的微裂纹，预计微裂纹的形成会导致混凝土的劣化。

由无MPCMs的GPC和PCC的二维X射线显微断层切片图像可知，明亮的颜色与具有高X射线衰减的组件相关，而具有低X射线衰减或无X射线衰减的组件则以深色显示，视野约为1cm。冻融循环后，PCC基质和地聚合物膏体与碎石之间的界面过渡区出现明显的微裂纹，这表明冻融循环引起的微裂纹是导致PCC和GPC损伤和劣化的主要原因。冻融循环后，在MPCM存在的情况下，PCC糊料和骨料之间未观察到微裂纹。

3 结束语

文章研究了冻融循环对两种不同MPCM复合材料GPC和PCC物理力学性能的影响。微观结构研究表明，冻融循环过程中，由于毛细水的膨胀，GPC和PCC的界面均出现了微裂纹，而晶体则在暴露于冻融循环后的PCC中形成，这可能隐藏了晶体下形成的微裂纹，这些微裂纹可能导致混凝土的劣化。