海水干湿循环下硅灰石-矿渣-偏高岭土地聚合物的性能与机理

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1224

摘要/Abstract

摘要：

为探究偏高岭土地聚合物砂浆在海洋环境中的服役性能，本文重点研究了硅灰石和矿渣复掺改性偏高岭土地聚合物砂浆在海水干湿循环与全浸泡两种侵蚀方式下的性能劣化规律与机理。以硅灰石与矿渣的质量比（1∶2、1∶1和2∶1）为变量，制备了硅灰石-矿渣-偏高岭土地聚合物砂浆及纯偏高岭土砂浆（MK），对比研究了在0~90个侵蚀周期内的表观形貌与物理性能、力学性能变化，并结合SEM、XRD等微观测试手段分析劣化机制。结果表明，干湿循环的破坏远大于全浸泡，这是因为干湿循环是一种由盐结晶压力和离子“泵吸”效应驱动的“物理-化学”耦合侵蚀。硅灰石和矿渣复掺能显著提升偏高岭土地聚合物砂浆的抗侵蚀耐久性，其中硅灰石和矿渣的质量比为1∶1（WSM15）时性能最佳。与基准MK相比，WSM15的抗压强度提升了59.3%，质量损失率降低了30.97%。复掺的增效作用源于硅灰石和矿渣的物理、化学协同效应。

关键词: 偏高岭土地聚合物, 硅灰石, 矿渣, 海水干湿循环, 侵蚀机理

Abstract:

To investigate the service performance of metakaolin geopolymer mortar in marine environments， this study focused on the degradation behavior and mechanisms of metakaolin geopolymer mortar modified with a wollastonite-slag composite admixture under two erosion modes： seawater wet-dry cycles and full immersion. Wollastonite-slag-metakaolin geopolymer mortars （WSM） with varying mass ratios of wollastonite to slag （1∶2， 1∶1， and 2∶1）， along with pure metakaolin mortar （MK）， were prepared. The evolution of their apparent morphology， physical properties， and mechanical performance over 0~90 erosion cycles was comparatively investigated， and the degradation mechanisms were analyzed using micro-testing methods such as SEM and XRD. The results indicate that the damage caused by wet-dry cycles is significantly more severe than that by full immersion. The former is identified as a “physical-chemical” coupled erosion process driven by salt crystallization pressure and an ion “pump” effect. The wollastonite-slag composite admixture significantly enhances erosion resistance and durability of metakaolin geopolymer mortar. Specifically， when the mass ratio of wollastonite to slag is 1∶1 （WSM15）， geopolymer mortar exhibits the optimal performance. Compared with the reference MK group， the compressive strength of WSM15 increases by 59.3%， while the mass loss rate is reduced by 30.97%. The enhanced performance originates from the physical and chemical synergistic effects of wollastonite and slag.

Key words: metakaolin geopolymer, wollastonite, slag, seawater wet-dry cycle, erosion mechanism

中图分类号:

TU57⁺8.12

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图/表 19

表1 原材料的主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of raw materials

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃
Metakaolin	54.00	43.00	0.40	0.09	0.04	0.30	0.03	—
Wollastonite	41.80	0.36	0.31	54.91	1.75	—	—	—
Slag	34.50	17.70	1.03	34.00	6.01	—	—	1.64

表2 Na2SiO3溶液的主要特征指标

Table 2 Main characteristic indicators of Na2SiO3 solution

Item	Density/（g·cm^-3）	Na₂O content/%	SiO₂content/%	H₂O content/%	Solid content/%	Modulus M_s	pH value
Value	1.36	8.54	26.98	64.48	35.50	3.30	10~13

表3 模拟海水溶液各溶质浓度

Table 3 Solute concentrations in simulated seawater

Ingredient	NaCl	MgCl₂	Na₂SO₄	CaCl₂	KCl	NaHCO₃
Concentration/（g·L^-1）	122.7	25.6	20.5	5.8	3.5	1.0

表4 地聚合物砂浆配合比

Table 4 Mix proportion of geopolymer mortar

Group	Metakaolin/B	Slag/B	Wollastonite/B	Sand/B	Added water/B	NaOH/B	Na₂SiO₃ solution/B
MK	1.000	0	0	2.500	0.209	0.088	0.453
WSM10	0.700	0.200	0.100	2.500	0.209	0.088	0.453
WSM15	0.700	0.150	0.150	2.500	0.209	0.088	0.453
WSM20	0.700	0.100	0.200	2.500	0.209	0.088	0.453

图1 两种海水侵蚀工况下试件表观形貌的变化

Fig.1 Apparent morphological changes of specimens under two seawater erosion conditions

图2 WSM15-60-N表面白色附着物XRD谱

Fig.2 XRD pattern of white precipitates on surface of WSM15-60-N

图3 海水侵蚀后试件吸水率的变化

Fig.3 Changes in water absorption of specimens after seawater erosion

图4 两种海水侵蚀工况下WSM15第90个周期折断截面图

Fig.4 Fractured cross-section images of WSM15 at the 90th cycle under two seawater erosion conditions

图5 海水侵蚀后试件质量损失率的变化

Fig.5 Changes in mass loss rate of specimens after seawater erosion

图6 海水侵蚀后试件抗压强度的变化

Fig.6 Changes in compressive strength of specimens after seawater erosion

图7 硅灰石“桥接”作用

Fig.7 “Bridging” effect of wollastonite

图8 离子“泵吸”效应与盐结晶压力作用示意图

Fig.8 Schematic diagram of ion "pump" effect and salt crystallization pressure

图9 相对动弹性模量随海水侵蚀周期的变化

Fig.9 Changes of relative dynamic elastic modulus with seawater erosion cycles

图10 RE、N和Rm的关系

Fig.10 Relationship between RE， N and Rm

表5 地聚合物砂浆相对动弹性模量试验值与拟合值

Table 5 Experimental and fitted values of relative dynamic elastic modulus of geopolymer mortar

Group	R_m	N	Experimental value/%	Fitted value/%	Absolute error	Relative error/%
WSM10	0.5	0	100.00	99.91	0.09	0.09
		15	84.74	87.75	3.01	3.55
		30	74.39	77.66	3.28	4.41
		60	65.12	63.72	1.40	2.16
		90	55.31	58.08	2.76	4.99
WSM15	1.0	0	100.00	99.93	0.07	0.07
		15	91.65	88.20	3.45	3.76
		30	81.84	78.56	3.28	4.01
		60	74.95	65.49	9.46	12.62
		90	70.56	60.72	9.84	13.95
WSM20	2.0	0	100.00	99.96	0.04	0.04
		15	91.21	89.11	2.10	2.31
		30	74.68	80.34	5.66	7.58
		60	65.63	69.02	3.39	5.17
		90	61.76	66.01	4.26	6.89

图11 WSM15-0、MK-60和WSM15-60的 XRD谱

Fig.11 XRD patterns of WSM15-0， MK-60， and WSM15-60

图12 MK-60的SEM照片和EDS谱

Fig.12 SEM image and EDS spectrum of MK-60

图13 WSM15-0的SEM照片和EDS谱

Fig.13 SEM image and EDS spectrum of WSM15-0

图14 WSM15-60的SEM照片和EDS谱

Fig.14 SEM image and EDS spectrum of WSM15-60

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