盐腐蚀与冻融耦合作用下地质聚合物的劣化规律及机理分析

Fly ash based geopolymers are being poromoted as a potential green substitute for ordinary Portland cements, due to their high strength and less CO2 emissions. Their degradation in terms of physical-chemical and micstructural changes under salt and freeze-thaw has not been well studied.In this project, degradation mechanisms of geopolymers are investigated under this environment. Degradation behaviors including changes in mechanical properties, mass, porosity and micro-cracks is studied. These behaviors are then correlated with microstructure and nano-structure characterization resulting from SEM, NMR,TEM and FTIR. This correlation, if estiblished, will provide insights into the degradation mechanisms, and thus pave the way towards geopolymer applications in construction, especially in cold areas.

粉煤灰地质聚合物由于其高强和低二氧化碳排放，正推广为一种绿色波特兰水泥的潜在替代材料。该材料在寒冷地区盐腐蚀与冻融作用下会引起材料物理化学性质、微结构的劣化，然而在盐腐蚀与冻融耦合作用下，地质聚合物的劣化性能及机理分析研究缺乏，影响了工程的应用。本项目针对耦合环境因素和实际环境作用下粉煤灰地质聚合物的劣化规律进行研究。研究在该环境下的劣化性能主要包括力学性能，质量，孔隙率，微裂纹结构等。利用扫描电镜、核磁共振、透射电镜和红外光谱等从微观层次和纳米层次分析微米结构和纳米结构，宏观性能与微观结构和纳米结构关系的建立将为劣化机理的分析提供有力的科学数据，为推广地质聚合物在建筑工程中的应用奠定基础。尤其在寒区，该项目的研究具有重要的理论和实际意义。

本课题针对寒冷地区环境下粉煤灰地质聚合物砂浆的劣化规律进行了研究。利用粉煤灰为主，矿渣、窑灰等为辅的工业废料，变化配合比参数来进行配合比设计，建立了强度与参数之间的关系，获得了在配合比参数与抗冻性，耐氯盐腐蚀性和耐硫酸镁腐蚀性的关系。通过力学性能、质量、孔隙率、微裂纹结构等研究粉煤灰地质聚合物在盐腐蚀与冻融循环单一和双因素耦合、实际环境作用下的性能劣化规律。利用微观测试分析其结构、产物及孔结构等变化规律，建立环境、性能、微观结构、产物之间的联系，揭示实验室和实际环境下地质聚合物的劣化机理。课题中发现粉煤灰地质聚合物的性能对环境温度非常敏感，为最重要的外界影响因素，环境温度直接影响凝结速度和凝结时间。砂率也是另一个影响强度，耐久性和凝结速度的另一个重要因素。寒冷环境对材料的损伤具有可变性，有些配合比可以抵抗冻融。地质聚合物的微观结构观察发现，与水泥石结构比较，粉煤灰地质聚合物孔隙结构多集中在小孔范围，随着龄期的延长，孔隙也在变化。冻融和盐腐蚀都对孔隙结构产生影响。下一步的研究可以适当集中在砂子或者硅质材料以及温度对地质聚合物的影响研究。