机制砂地聚合物的研究进展

机制砂地聚合物的研究进展

杨晓楠1,2,  ,李建华1,2   ,徐学勇1,2    ,李超1,2, ,陈捷1,2

1 湖州职业技术学院 建筑工程学院  浙江 湖州 313000   

2 湖州市绿色建筑技术重点实验室

摘要: 砂石作为建筑行业不可缺少的一种原材料，近些年来由于过度开采对生态环境造成了严重的破坏，而传统水泥在制造过程中会产生大量的二氧化碳等污染物，并且需要消耗大量的能源。采用机制砂地聚合物代替传统水泥砂浆可很好的解决上述问题，同时其还具有优异的力学性能及良好的耐久性。本文综述了机制砂、地聚合物和机制砂地聚合物的国内外研究现状，为国内机制砂地聚合物的研究提供参考。关键词: 机制砂；地聚合物；配合比；抗压强度

关键词：机制砂地聚合物；环保；建筑材料

1 引言

机制砂是一种人工非塑性材料材料，其优异的力学性能、耐久性和环境适应性已经被证明在结构工程、地基处理、海岸防护等领域有着广泛的应用前景。地聚合物是一种高分子材料，主要由石油等化石燃料经过聚合处理制成，具有高强度、耐腐蚀、防水阻气、耐磨损等优点。随着社会经济的不断发展和科技的不断进步，建筑材料市场变得更加多元化和竞争激烈，机制砂地聚合物的出现为建筑行业提供了一种新型的替代品，兼有机制砂与地聚合物的优点，此外，机制砂地聚合物还具有重量轻、环境友好等优势。因此，机制砂地聚合物在土木工程领域的研究意义重大，其应用不仅可推动建筑材料的创新和升级、解决环保问题，还可为土木工程行业的发展注入新的动力和活力，因此，本文综述了机制砂、地聚合物和机制砂地聚合物的国内外研究现状，为国内机制砂地聚合物的研究提供参考。

2 机制砂研究现状

机制砂是一种由天然石料或人工碎石制成的颗粒大小在0.075mm~4.75mm之间的非塑性颗粒，具有良好的强度、稳定性、均匀性和可控性。机制砂通常由破碎、筛分、洗涤等过程制成，其主要成分为石英、长石、云母等矿物质。机制砂的颜色和形状各异，可以满足不同工程的需求。近年来逐渐应用于工程。

国内，2014年，重庆大学的颜从进通过试验研究了机制砂特性对混凝土性能的影响，研究表明，机制砂中石粉含量在15%、10%和5%时，混凝土拌合物具有较高的抗压性能，当石粉含量在8%~10%时，混凝土的干缩增长速率较快，在等石粉含量条件下，石粉细度的增加会导致机制砂MB值的增大，同时混凝土的抗压性能会随之降低[1]。2023年陈怀成等研究了颗粒级配和减水剂对机制砂混凝土性能的影响，结果表明颗粒级配对机制砂混凝土抗压性能影响较大，自制SFS-H减水剂性能要优于自制Vc-H减水剂和市售RPC减水剂[2]。同年，陶俊等研究了机制砂石粉含量对新拌混凝土流动性的影响，发现机制砂最佳石粉含量为2%，当石粉含量从0%增加至2%时，新拌混凝土的流动性提升，当石粉含量超过2%并继续增加时，新拌混凝土的流动性降低[3]。

国外2019年，Schankoski等用辉绿岩和片麻岩作为机制砂原料，研究发现辉绿岩和片麻岩机制砂水泥砂浆具有与普通硅酸盐水泥砂浆相当的工作性能，前者的水化程度更高并且抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量要优于普通硅酸盐水泥砂浆，由此提出辉绿岩和片麻岩机制砂水泥砂浆可以作为普通硅酸盐水泥的替代料[4]。2020年Ramadji等研究了花岗岩粉的火山灰反应性及其对水泥浆体微观结构的影响。研究表明：花岗岩粉不表现出火山灰反应性，并能降低水化热；抗压强度随花岗岩粉含量的增加而降低，但从长期来看，10%的花岗岩粉替代对抗压强度没有影响；花岗岩粉在砂浆中的存在导致孔隙率的增加，从而导致流体扩散特性的增加[5]。

3 地聚合物研究现状

地聚合物也被称为“绿色水泥”，是一种由活性硅铝化合物制成的无机胶凝材料。地聚合物的制备方法主要分为碱激发法、酸激发法和堆积法三种。碱激发法在混合珍珠岩和硅酸盐时加入碱性激发剂，经过碱性条件下的水合反应后形成硅酸铝铁水合胶体，并形成一种高强的固体结构。酸激发法是在混合矿物原料的过程中加入酸性催化剂，使矿物质产生水合反应生成水合硅酸铝质胶体，然后形成硬化物。堆积法是将矿物质材料填充至金属模板中，再施加高压力使其密实，然后在一定温度范围内加入水合硅酸铝胶体进行固化。

国内，2021年，浙江理工大学的周恒宇对地聚合物代替水泥加固淤泥质软土进行了研究，结果表明不同钙系的聚合物固化土无侧限抗压强度要明显高于水泥固化土，且聚合物固化土的干湿循环性能也优于水泥固化土[6]。2022年，重庆交通大学的蒋正施以环氧乳液为例，通过试验研究了聚合物对水泥砂浆水化反应的动力学及热力学阻滞作用机理，研究发现环氧乳液降低了水泥砂浆水化反应的放热速率，延缓了钙巩石生成、铝酸盐水化及硅酸盐水化反应的过程[7]。

国外，2019年，Rios等用粉煤灰地聚合物代替波兰特水泥研究其力学性能及耐久性，研究发现粉煤灰地聚合物在养护28天后的强度和刚度变化明显，短期强度满足现行规范要求，且粉煤灰地聚合物抗浸水等耐久性优于波兰特水泥，验证了粉煤灰地聚合物代替波兰特水泥具有可行性

[8]。2020年，Murmu等研究了粉煤灰地聚合物稳定黑棉土的可行性，通过将粉煤灰掺量从5%逐步增加至20%进行了试验研究，研究结果表明，粉煤灰地聚合物可用于提升公路路基和底基层中黑棉土的稳定性，地聚合物作用的固化土无侧限抗压强度提高[9]。同年，Khadka等对偏高岭土和粉煤灰地聚合物对高膨胀硫酸盐土的稳定性进行了研究，用石灰和石膏对地聚合物进行改性提高其作为含硫酸盐土壤稳定剂的效果，结果表明地聚合物可以有效的改善高膨胀硫酸盐土的收缩-膨胀行为，并通过试验确定了达到最小膨胀所需的改性地聚合物的最佳浓度[10]。

4 机制砂地聚合物研究现状

我国部分地区天然河沙资源紧缺，传统水泥在生产过程中会产生大量的二氧化碳等环境污染物。机制砂地聚合物是一种由石英砂和聚合物混合而成的复合材料，用机制砂代替天然河沙来制作机制砂地聚合物砂浆可以很好地解决上述问题。同时地聚合物具有许多优良的材料性能，如高温稳定性、耐化学腐蚀性、气密性、防见光性、防火性以及较好的力学和物理性能等。

国内，2018年，佀传铭在机制砂混凝土中掺入少量的聚合物，发现聚合物会增强机制砂混凝土的和易性，改善机制砂混凝土的内部结构，使其韧性增强、耐久性提高、整体性增强，同时提出聚丙烯酸酯乳液和羟基丁苯胶乳的最佳含量分别为3%和5%[11]。2019年，郭敬业等用两种聚合物分别掺杂机制砂水泥混凝土，在低掺杂量的条件下研究其力学性能及耐磨性，结果表明聚合物的掺加降低了机制砂水泥混凝土的抗压强度，但提高了机制砂混凝土的抗弯拉强度及耐磨性[12]。同年，吴文庆通过试验分析了聚合物机制砂改性水泥混凝土的路用性能，结果表明随着聚合物掺量的增加试件的抗压强度先减小后增大、试件的抗弯拉强度增大、混凝土的渗透性和干缩率减小，同时聚合物可以有效地减小混凝土的磨损量[13]。同年，杨彤通过试验研究发现聚合物可以提高机制砂混凝土的抗折及耐磨性能，但是会在一定程度上降低机制砂混凝土的抗压强度[14]。2020年，郑腰华在机制砂混凝土中加入聚合物聚丙烯酸酯乳液研究不同聚灰比下机制砂混凝土的力学性能，结果表明聚合物的添加可以有效提高机制砂混凝土的粘聚性与保水性，不同的聚灰比对水泥混凝土的抗折、及抗压强度影响不同，同时通过计算得出最佳聚合物掺杂量[15]。同年，郑州大学的张彪用机制砂代替天然砂研究机制砂地聚合物砂浆的材料性能，通过试验探讨了粉煤灰掺量、水玻璃模数、液固比、骨胶比等参数对其强度特性、弹性模量和抗渗性的影响，结果表明粉煤灰掺量对机制砂地聚合物砂浆的材料性能具有正向影响，水玻璃模数和液固比对机制砂地聚合物砂浆的材料性能具有先正向后负向的影响，骨胶比对机制砂地聚合物砂浆的材料性能具有负向影响[16]。

国外，2014年，Bashar等用粉煤灰-棕榈油燃料灰作为粘合剂与机制砂混合代替传统混凝土材料，结果表明粉煤灰-棕榈油燃料灰与机制砂聚合物砂浆的强度发展速率要优于传统混凝土材料，3d龄期即可达到传统混凝土材料28d龄期抗压强度的76%，粉煤灰-棕榈油燃料灰与机制砂聚合物砂浆标准抗压强度与传统混凝土标准抗压强度相当，作为传统混凝土的替代品具有可行性[17]。2020年，Indhumathi等研究了疏浚海砂与机制砂地聚合物混凝土的力学性能和微观结构，基于压缩、劈裂拉伸、弯曲试验和微观结构评估，结果表明疏浚海砂与机制砂可以很好地替代河沙作为混凝土细骨料[18]。

4.结论

(1)机制砂地聚合物可以解决传统混凝土砂浆制作过程中对环境的破坏，且其具有强度较高、耐久性和抗渗性能好、耐化学腐蚀性能强等优点，应推广其在不同工程中的应用。

(2)国内学者已对机制砂、地聚合物和机制砂地聚合物开展了一定研究，并且国内对机制砂聚合物的性能研究成果多于国外。

(3)应加强机制砂地聚合物的研究，将我国更多的具有区域性特点的材料融入到机制砂聚合的研发中，为实现双碳目标奠定科学基础。

本文系2021年度浙江省教育厅一般科研项目“机制砂对地聚合物混凝土力学性能影响研究(Y202146243)”的研究成果。

参考文献:

[1]颜从进.机制砂特性对混凝土性能的影响研究[D].重庆大学,2014.

[2]陈怀成,冯恩娟,秦尤敏等.颗粒级配和减水剂对机制砂混凝土性能的影响研究[J].四川水泥,2023,No.320(04):14-16.

[3]陶俊,罗小东,彭丙杰等.机制砂石粉含量对新拌混凝土流动性能的影响[J].混凝土世界,2023,No.166(04):47-51.

[4]Schankoski R A, Pilar R, de Matos P R, et al. Fresh and hardened properties of self-compacting concretes produced with diabase and gneiss quarry by-product powders as alternative fillers[J]. Construction and Building Materials, 2019, 224: 659-670.

[5]Ramadji C, Messan A, Prud’Homme E. Influence of granite powder on physico-mechanical and durability properties of mortar[J]. Materials, 2020, 13(23): 5406.

[6]周恒宇.不同钙系地聚合物固化淤泥质软土力学特性及耐久性研究[D].浙江理工大学,2021.

[7]蒋正施,李鹏飞,汪承志,杜三林,冯冬颖.环氧乳液改性水泥基材水化过程的硬化机理[J].硅酸盐通报,2022,41(04):1229-1236.

[8]Rios S, Ramos C, Viana da Fonseca A, et al. Mechanical and durability properties of a soil stabilised with an alkali-activated cement[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2019, 23(2): 245-267.

[9]Murmu A L, Dhole N, Patel A. Stabilisation of black cotton soil for subgrade application using fly ash geopolymer[J]. Road Materials and Pavement Design, 2020, 21(3): 867-885.

[10]Khadka S D, Jayawickrama P W, Senadheera S, et al. Stabilization of highly expansive soils containing sulfate using metakaolin and fly ash based geopolymer modified with lime and gypsum[J]. Transportation Geotechnics, 2020, 23: 100327.

[11]佀传铭.聚合物机制砂水泥混凝土路用性能研究[J].河南科学,2018,36(10):1594-1598.

[12]郭敬业,贾海洋.基于聚合物机制砂水泥混凝土路面路用性能研究[J].河南科学,2019, 37(07): 1104-1109.

[13]吴文庆.聚合物机制砂改性水泥混凝土路用性能分析[J].粉煤灰综合利用,2019(02):72-74+78.

[14]杨彤.聚合物机制砂改性水泥混凝土公路性能研究[J].粉煤灰综合利用,2019(06):46-50.

[15]郑腰华.聚合物机制砂水泥混凝土力学性能的研究[J].铁道建筑技术,2020(09):12-16.

[16]张彪.机制砂地聚合物砂浆材料性能研究[D].郑州大学,2020.

[17]Bashar I I,Alengaram U J,Jumaat M Z,, et al. The development of sustainable geopolymer mortar from fly ash-palm oil fuel ash based binder and manufactured sand[J]. Stand Alone, 2014, 65,114-121.

[18]Indhumathi A,Nagan S. Investigation of mechanical and micro structural properties of geopolymer concrete blended by dredged marine sand and manufactured sand under ambient curing conditions[J]. Structural Concrete,2020,21(3):992-1003.