本文是一篇土木工程论文，笔者认为地聚合物作为一种新型绿色可持续性的建筑材料，在利用固废的基础上获得了等同现浇的界面弯拉强度，界面过渡区致密而无裂缝。作为一种可控的无机胶凝材料，其力学性能、工作性能以及耐久性能都可以通过调整配方进行针对性改进，具有优秀的可控性能。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
2020年9月，我国向世界作出庄严承诺：我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。我国当前二氧化碳年排放量在100亿吨左右，约为全球总排放量的四分之一。约100亿吨二氧化碳的年总排放中，工业排放约占39亿吨。工业排放的四大领域是建材、钢铁、化工和有色，而建材行业的排放80%来自水泥。丁仲礼院士在中硅会固废分会（2022-09-01）上提到，建材行业低碳化应从三方面研发技术，其中第一条就是用电石渣、粉煤灰、钢渣、硅钙渣、各类矿渣代替石灰石作为煅烧水泥的原料，从原料利用上减少碳排放的可能性。《河北省“十四五”工业绿色发展规划》中也明确提到，引导建材行业向轻型化、集约化、制品化转型，鼓励粉煤灰、工业废渣、尾矿渣等利用，加强新型胶凝材料、低碳混凝土等低碳产品的研发应用，力争钢铁、水泥行业2025年前实现碳达峰。
作为全世界唯一拥有全部工业门类的国家，我国煤炭、矿物、钢铁等资源消耗量巨大，相应产生的固体废弃物（如粉煤灰、矿粉、钢渣等）越来越多。随着我国电力工业的快速发展及电力消耗的增加，燃煤发电厂烟气中粉煤灰的排放量逐年增加，粉煤灰主要是由SiO2、Al2O3和Fe2O3 等氧化物组成，其外观类似于水泥。目前我国粉煤灰等大宗固废累计堆存量约600亿吨，年新增堆存量近30亿吨，但综合利用率尚处于较低水平。《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》明确指出，到2025年，粉煤灰、煤矸石等新增大宗固废综合利用率应达到60%。矿渣是在炼铁过程中排出的工业废渣，经过水淬急冷处理之后形成的粒化高炉矿渣，具有玻璃体结构和潜在胶凝活性，是一种典型的火山灰质材料，目前被广泛应用于水泥和混凝土行业，以及作为碱激发胶凝材料的主要原料[1,2]。钢渣（SS）作为炼钢产生的大宗固体废弃物，在工业废渣中占有较大比重。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 混凝土界面粘结性能研究现状
新旧混凝土结合在混凝土结构中普遍存在，施工冷缝处理、后浇带浇筑、预制构件与现浇构件的粘结及增大截面法加固等情形都存在界面粘结问题。良好的界面粘结是保障结构正常使用的基础，一旦界面失效，结构的力学性能将显著下降，甚至危及生命安全。在结构的全生命周期中，外界自然环境、不合理使用导致的超载、以及不合理设计、施工等将会对新旧界面粘结的可靠性、耐久性提出更高要求。因此，良好的界面粘结性尤为重要[23]。
影响界面粘结性能的因素很多，但只有从材料层面出发，改善界面过度区的微观结构，才能彻底改变界面粘结性能不足的问题。首先对不同强度等级的普通混凝土（OPC）[24-26]进行了研究，基底混凝土与后浇混凝土强度的提高均能够不同程度的提高界面粘结性能，在粘结界面粗糙度保持一致的情况下，界面粘结性能随着混凝土抗压强度的增加而增加，但最终结果表明仅提高强度难以达到修补构建等同现浇的破坏模式。其次采用流动性较强的自密实混凝土或掺有纤维的纤维混凝土[27-28]等。通过添加剂改变自密实混凝土的和易性，使其在自重作用下发生流动，以达到良好的密实效果，但剪切裂纹大部分发生在粘结界面处[29]；纤维混凝土中乱向分布的纤维增强了界面咬合力，同时还能提高混凝土的力学性能以改善构件的裂缝开展[30]。将纤维加入到高强混凝土[31]、超高性能混凝土[32]中对其改性，发现纤维的加入能够在提高界面极限剪应力的同时提高了试块的延性，破坏前将发生明显的预兆。碳纤维和膨胀剂[33]的加入能够降低干燥收缩率，但破坏仍发生在了界面粘结处。另外对碱活化混凝土倾斜剪切试验表明，倾斜角度在45°时能够达到等同整体浇筑构建的压缩失效模式，界面的微观分析则证明了硅酸钙水合物（C-A-S-H）的生成，且界面之间没有发现可见的裂缝[34]。Xie[35]发现聚乙烯醇薄膜的覆盖作用影响了新型磷酸镁水泥砂浆水化反应的正常进行，但界面粘结性能的改善是有限的。综上考虑，从材料层面对界面粘结性能的改进势在必行。
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第2章 试验方案
2.1 原材料
2.1.1 粉煤灰
在试验研究中试验材料的组成成分及其活性对试验结果将产生较大影响，也正是由于地聚合物中固废原料的成分及活性存在地区性差异，对地聚合物的发展产生了不利影响。因此，本章将对试验中所应用的试验原材料及试验方法进行了详尽说明，保证试验的可复制性。其中试验材料主要包括材料种类、来源及基本性能；试验方法包括试件的成型方法、宏观试验的基本方法以及微观试样的准备方法，同时对试验设备相关参数进行了介绍。
粉煤灰采用了河北科旭建材有限公司的二级粉煤灰（F类）。原材料如图2-1-a)所示。利用SEM扫描电子显微镜测得微观形貌见图2-1-b)。经测定，其密度为2.08g/cm3，粉末pH值为6.7。通过XRF分析，其化学成分如表2-1所示。
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2.2 试验方法
2.2.1 基材的制备
基材的制备共分为两部分，一是GPM标准试块的制作，二是对砂浆试块的切割及开槽处理。 (1) 两种搅拌机制备OPM和GPM
① 混凝土搅拌机符合行业标准《混凝土试验用搅拌机》JG/T 244-2009。由于砂浆试件的需求量较大，前期使用了混凝土搅拌机，来保证同一配比砂浆同批次生产成型。但是，制作过程中出现了一定的泌水现象。考虑是因为混凝土搅拌机上残留了大量硬化混凝土导致。出于对结果的准确性考虑，后期改用砂浆搅拌机。
② 砂浆搅拌机：该砂浆搅拌的量程为5L，搅拌速度采用500r/min。进行砂浆搅拌之前，为了防止搅拌锅吸水，用湿抹布擦拭搅拌锅及搅拌叶，达到表面稍微湿润的效果。图2-6为试验所用砂浆搅拌机。
地聚合物试块制备的流程图如图2-7所示。
Ⅰ 原材料的准备及碱激发剂的配置。将材料提前置于试验室48小时，控制材料温度的影响，碱性激发剂提前24h在实验室制备完成，令其充分反应直至试验开始。
Ⅱ 按照比例先加入固体原材料，干搅60s混合均匀后，倒入提前准备好的碱激发剂，先慢速搅拌60s，然后快速搅拌120s获得新拌砂浆。
Ⅲ 将新拌好的砂浆分两层倒入40×40×160mm试模中，在振动台（图2-8-a)）上振实60s，排除试块中的气体
Ⅳ 将振实后的试件带模放入标准养护室中养护。
Ⅴ 标养1d后用脱模机（图2-8-b)）脱膜，然后放入常温试验室，养护至规定龄期。
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第3章 GPM界面弯拉强度影响因素分析 ······················ 23
3.1 试验设计································ 23
3.1.1 设计思路 ·························· 23
3.1.2 试验配合比 ························· 24
第4章 硫酸盐侵蚀下地聚合物界面弯拉强度分析 ······················ 49
4.1 硫酸盐侵蚀试验设计 ···························· 49
4.1.1 试验工况设计 ························ 49
4.1.2 试验流程 ························ 49
第5章 新旧材料界面粘结性能分析 ···························· 59
5.1 界面弯拉强度 ······························· 59
5.1.1 平均界面弯拉强度分析 ····················· 59
5.1.2 材料强度对界面粘结性能的影响分析 ·························· 60
第5章 新旧材料界面粘结性能分析
5.1 界面弯拉强度
5.1.1 平均界面弯拉强度分析
通过分析前两章界面弯拉强度值数据发现，在不同工况下，虽然界面弯拉强度值存在大小上的差异，但各种配比地聚合物材料粘结性能的变化趋势是相对固定的。为更加精确地确定GP材料界面粘结性能的主要影响因素，本文提出了界面弯拉强度增长率（????）这一量化指标。???? 的计算过程见公式5-1。
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图5-1-a）反映了六种工况下各配方后浇材料的平均界面弯拉强度值。显然，在数值大小上，平均界面弯拉强度已经失去了其实际工程中的意义。但由于采用了多种工况下的均值，且每种工况下，其界面弯拉强度的规律一致，数据将更好的表现出每种地聚合物配比对界面粘结性能的提升效果。界面弯拉强度值随着矿粉含量的增加、碱激发剂中OH-浓度的增加、钢渣粉替代率的增加而增加；在草木灰替代组，草木灰替代10%的粉煤灰的界面弯拉强度要高于草木灰替代10%的矿粉，这也间接说明了矿粉对界面弯拉强度增长的促进作用。以上规律也再次验证了本文第3章中规律的正确性。
图5-1-b）为界面弯拉强度增长率曲线。由图可知，所有地聚合物配比的界面弯拉强度增长率均为正值，这表明地聚合物材料作为后浇材料时，其界面粘结性能均高于普通水泥砂浆。其中第5组地聚合物配比的平均界面弯拉强度比普通水泥砂浆组高出173.29%，即为普通水泥砂浆的2.73倍，极大改善了新旧材料界面粘结强度不足的问题。
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结论与展望
结论
本文以粉煤灰-矿渣基地聚合物（FA/BFS-GP）为后浇粘结材料，用修补砂浆中界面弯拉强度表示界面粘结性能的强弱，重点探究了后浇材料配比，基材的种类、养护时间和开槽深度，以及不同浇筑方式等对新旧界面粘结强度的影响。在此基础上对硫酸盐侵蚀环境下的界面性能进行了探索。研究结果如下：
(1) 新旧界面的粘结性能随着胶凝材料中矿粉含量的增加、钢渣粉替代率的增加而增加；随着碱激发剂中OH-浓度的增加而增加；草木灰以及钢渣砂的少量掺入能够改善界面过渡区的致密程度，但影响不大，钢渣砂的掺入量过多也会导致界面弯拉强度的降低。
(2) 基材种类对界面弯拉强度不存在明显趋势，但在硫酸盐侵蚀环境下，GPM基材的界面弯拉强度耐蚀系数普遍高于OPM界面。对于后浇地聚合物材料，自然状态时，基材养护7天有利，而在硫酸盐侵蚀环境中，基材养护28天有利。对于后浇普通水泥基材料，在两种环境中均为基材养护28天有利。
(3) 基材的开槽深度不仅能够提高新旧界面弯拉强度，还能够提高粘结界面抵抗硫酸盐侵蚀的能力。基材的适宜开槽深度与后浇材料的性能有关，地聚合物的适宜开槽深度高于普通水泥基材料。
(4) 开发出了界面弯拉强度等于甚至优于基材整体抗折强度的地聚合物配方。通过对界面过渡区的宏观与微观研究发现，最优地聚合物配比能够做到将破坏面转移的效果，真正达到了期待的修复效果。经过SEM观察发现，普通水泥基材料新旧界面间有微裂缝的存在，间接导致了普通水泥基材之间界面弯拉强度耐蚀系数的迅速下降，与之相反地聚合物材料的界面之间界面联系紧密，未发现微裂缝的存在。
参考文献（略）