劉云輝

（中國(guó)人民解放軍92829部隊(duì) 廣東省湛江市 524000）

引言

近年，我國(guó)以史無(wú)前例的速度和規(guī)模在南海諸島礁相繼建成了一大批民用和軍用建筑，在國(guó)家維護(hù)南海主權(quán)大力開(kāi)發(fā)南海的環(huán)境下，作為捍衛(wèi)主權(quán)重要一環(huán)的戰(zhàn)備工程必然將處于大規(guī)模建設(shè)階段。從目前建設(shè)情況來(lái)看，島礁戰(zhàn)備工程所采用的絕大部分為普通混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)水泥需求量大，對(duì)于遠(yuǎn)離內(nèi)陸的南海諸島礁而言，主要存在兩方面弊端，一是從內(nèi)陸運(yùn)輸水泥，海運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，成本高，受潮損耗大，二是戰(zhàn)備儲(chǔ)藏時(shí)間短。IPC作為應(yīng)用前景廣闊的新型材料，可長(zhǎng)期儲(chǔ)備，且工作性能相較普通混凝土更有優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必將取代普通混凝土成為未來(lái)島礁建設(shè)的主流材料。

1 無(wú)機(jī)聚合物材料研究應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料又稱(chēng)為地質(zhì)聚合物膠凝材料，是以硅鋁質(zhì)材料作為膠凝材料，通過(guò)堿激發(fā)形成的具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)膠凝材料。其具有早強(qiáng)、快硬、抗壓強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕及優(yōu)良的耐久性等特性，在建筑工程、固核、固廢及搶修搶建等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。其研究最早可見(jiàn)1930年P(guān)urdon提出的“堿激活”理論，即加入少量的NaOH可以加快硅酸鹽水泥的硬化速度。20世紀(jì)50年代以Glukhovski為代表的前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并提出了堿激發(fā)膠凝系統(tǒng)理論。20世紀(jì)80年代，Dr.Bengt Fross和J.Davidovits分別利用火山灰和粘土作為膠凝材料制備無(wú)機(jī)聚合物，并獲得專(zhuān)利，此后涌現(xiàn)出了大量關(guān)于無(wú)機(jī)聚合物的研究和專(zhuān)利。

1960年無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料開(kāi)始應(yīng)用于建筑工程[1]，烏克蘭馬里烏波爾市利用礦渣基IPC生產(chǎn)砌塊并用來(lái)建造住宅、圍墻等。前蘇聯(lián)利用IPC修筑路基斜坡、防沖墻等構(gòu)筑物。1986年在利佩茲克建成了世界上第一幢現(xiàn)澆IPC高層居住建筑。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)末開(kāi)始對(duì)無(wú)機(jī)聚合物材料開(kāi)展研究，以武漢理工大學(xué)、空軍工程大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)結(jié)合無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料的優(yōu)良特性開(kāi)發(fā)出一系列搶修搶建專(zhuān)利產(chǎn)品，并已應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面、路面等工程，相關(guān)的施工工法也被評(píng)為軍隊(duì)級(jí)工法。例如2013年空軍某工程處將IPC運(yùn)用于新疆武警某直升機(jī)機(jī)場(chǎng)道面搶修搶建工程中，起降坪搶建3d，部分道面搶建4h候后直升機(jī)便可起降，僅用時(shí)10d完成本次搶建任務(wù)，縮短工期18d。但無(wú)機(jī)聚合物材料在遠(yuǎn)海島礁環(huán)境下的研究應(yīng)用成果甚少。

圖1 新疆武警某直升機(jī)場(chǎng)施工圖

2 無(wú)機(jī)聚合物混凝土的優(yōu)越性能

IPC是將富含硅鋁酸鹽礦物的工業(yè)固體廢渣（如粉煤灰、礦渣）、骨料、水等原料混合，在堿基化學(xué)催化劑的作用下發(fā)生堿激發(fā)反應(yīng)，Al-O鍵、Si-O鍵斷裂，水解分離出Si、Al并重新縮聚合成具有-Si-O-Al-OSi-或-Si-O-Si-復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)狀體聚合物，最終固化形成硅鋁質(zhì)膠凝材料，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為硅氧四面體和鋁氧四面體。IPC施工工藝及力學(xué)性能與當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的硅酸鹽水泥混凝土類(lèi)似，并具有多種性能上的優(yōu)勢(shì)。

2.1 早期強(qiáng)度高，凝結(jié)速度快

硅酸鹽水泥水化反應(yīng)后形成的膠凝材料以范德華力和氫鍵為主，而無(wú)機(jī)聚合物堿激發(fā)反應(yīng)最終產(chǎn)物是鍵能更高的離子鍵和共價(jià)鍵，且其形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又具有有機(jī)高聚物的鍵接結(jié)構(gòu)，從原子和分子的連接方式上決定了無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料有更優(yōu)越的強(qiáng)度性能。

根據(jù)研究，在凝結(jié)固化的過(guò)程中，隨著溫度的升高，IPC抗壓強(qiáng)度在1～2h可達(dá)到30～50MPa[2]。同強(qiáng)度等級(jí)條件下IPC的軸心抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比均要優(yōu)于普通混凝土。在常溫下，IPC的凝結(jié)速度同樣要高于普通混凝土，根據(jù)武漢理工大學(xué)對(duì)以S95礦粉和S75礦粉為主要配方的IPC進(jìn)行的研究表明[2]，IPC的不同配比凝結(jié)速度差異很大，具有較強(qiáng)的靈活調(diào)控性，終凝最短僅為25min（具體詳表1）。

表1 S95礦粉和S75礦粉制備無(wú)機(jī)聚合物凝結(jié)時(shí)間

由此可見(jiàn)，IPC是優(yōu)越的戰(zhàn)時(shí)搶修搶建材料，其早強(qiáng)和凝結(jié)速度快的特性，在戰(zhàn)時(shí)能短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備設(shè)施實(shí)現(xiàn)工作性能。

2.2 高溫強(qiáng)化性

當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)受打擊后，彈落點(diǎn)附近未損建筑將被大火包圍，受到高溫侵蝕，耐高溫性能差的建筑材料必然削弱戰(zhàn)備工程的工作能力。IPC相比于普通混凝土不僅耐高溫性能更好，而且還具有高溫強(qiáng)化性。一方面，IPC不會(huì)出現(xiàn)普通混凝土在高溫下常見(jiàn)的高溫爆裂現(xiàn)象，經(jīng)試驗(yàn)研究相同工況高溫作用后，IPC梁、柱構(gòu)件的承載力損失均明顯小于普通混凝土試件[3]；另一方面，隨著溫度升高，IPC表面裂縫（紋）更為密集，寬度更寬，空氣中的水分通過(guò)表面密布的裂縫（紋）與內(nèi)部未反應(yīng)的膠凝材料接觸，進(jìn)一步發(fā)生堿激發(fā)反應(yīng)，能夠填補(bǔ)IPC內(nèi)部的孔隙和微裂縫，增強(qiáng)了其強(qiáng)度。經(jīng)試驗(yàn)研究，IPC試塊在T=400 C時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別增長(zhǎng)14%和9%[3]，表現(xiàn)出明顯的高溫強(qiáng)化效應(yīng)。

2.3 穩(wěn)定性強(qiáng)

當(dāng)前常用的硅酸鹽水泥安定性差，一般自生產(chǎn)后儲(chǔ)藏時(shí)間不超過(guò)3個(gè)月，且易受潮，不適宜作為島礁戰(zhàn)備搶修搶建長(zhǎng)期儲(chǔ)備材料。無(wú)機(jī)聚合物穩(wěn)定性強(qiáng)，其貯存壽命可達(dá)10年以上而膠凝性無(wú)變化。

2.4 具有可逆性

無(wú)機(jī)聚合物堿激發(fā)反應(yīng)的核心是硅鋁酸之間的脫水反應(yīng)，經(jīng)研究，其在強(qiáng)堿條件下是可逆的[4]，因此IPC粉碎后經(jīng)處理還可以作為原料再利用，符合全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。在戰(zhàn)時(shí)，大面積設(shè)施受損的情況下，若維修材料儲(chǔ)備不足或運(yùn)輸出現(xiàn)困難時(shí)，通過(guò)IPC“可逆”的特性，可將破碎的材料重新投入生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化為維修戰(zhàn)備設(shè)施的原料。對(duì)于需要緊急搶建的設(shè)施，也可以將一些次要的IPC結(jié)構(gòu)破碎后再生產(chǎn)，既在最短時(shí)間內(nèi)完成了搶修搶建任務(wù)，又實(shí)現(xiàn)了材料的最大化價(jià)值。

2.5 綠色節(jié)能

現(xiàn)用的硅酸鹽水泥生產(chǎn)能耗大，廢氣排放多，且生產(chǎn)水泥所需的高品位石灰石資源日漸枯竭，水泥發(fā)展受限，不適應(yīng)建筑材料綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料取材于工業(yè)廢料，一般為粉煤灰、冶金渣（礦渣、鋼渣）等，實(shí)現(xiàn)固體廢物源頭利用，生產(chǎn)過(guò)程基本不需要煅燒，且堿激發(fā)反應(yīng)在150℃以下即可發(fā)生，耗能少，CO2、NOx等廢氣排放量低，不產(chǎn)生任何毒氣，是一種“綠色材料”。

3 島礁環(huán)境下性能試驗(yàn)分析

在西沙某海島對(duì)IPC的性能進(jìn)行了試驗(yàn)，主要研究了IPC在遠(yuǎn)洋海島環(huán)境下的部分施工性能及力學(xué)性能。

3.1 IPC的制備

以礦粉和粉煤灰作為膠凝材料，水玻璃作為激發(fā)劑制備IPC：

（1）礦粉：活性等級(jí) S95，密度 2.90g/cm3，比表面積 470m2/kg；

（2）粉煤灰：F類(lèi)II級(jí)；

（3）水玻璃：密度1.305g/ml，模數(shù)3.13，根據(jù)試驗(yàn)用NaOH調(diào)整模數(shù)；

（4）氫氧化鈉：采用工業(yè)氫氧化鈉，純度為98%；

（5）骨料：粗骨料為粒徑5～25mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，由海南本島開(kāi)采運(yùn)輸至海島，細(xì)集料為中粗河砂，由廣西運(yùn)輸至海島；

（6）水：采用海水淡化水。

試驗(yàn)采用1m3小型滾筒攪拌機(jī)攪拌混凝土，計(jì)劃制備強(qiáng)度C30混凝土，配合比見(jiàn)表2，具體制備流程見(jiàn)圖2。

表2 IPC配合比（C30）

圖2 IPC制備流程圖

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

將不同模數(shù)水玻璃制備的IPC各制作5組試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并用施工性最佳的配比現(xiàn)澆一段IPC擋墻。

3.2.1 準(zhǔn)備工作

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)地點(diǎn)為西沙某海島一臨海堆場(chǎng)，試驗(yàn)地氣溫最高40℃，最低30℃，屬于高溫高濕高鹽環(huán)境，試驗(yàn)澆筑實(shí)測(cè)氣溫為35℃。

（2）材料準(zhǔn)備

按照配合比準(zhǔn)備各項(xiàng)原料，根據(jù)試驗(yàn)需求制備模數(shù)為1.4-1.8的水玻璃，區(qū)間間隔為0.1，共5組。

（3）擋墻支模

利用14mm厚木模板支設(shè)一段長(zhǎng)1.5m，寬0.3m，高1.7m的墻模。

3.2.2 澆筑及試驗(yàn)

（1）澆筑混凝土。按照3.1IPC的制備方案制備混凝土，經(jīng)攪拌機(jī)攪拌后，人工鏟料入模，制作立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊。人工澆筑已支好木模的擋墻（詳圖 3～4）。

圖3 IPC制備圖

圖4 現(xiàn)澆擋墻成型圖

（2）試驗(yàn)。將制作的試塊放置于島上實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)，3h、3d、7d、28d試件各一組采用混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。現(xiàn)澆擋墻拆模后采用回彈儀測(cè)定其 3h、3d、7d、28d 強(qiáng)度。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論分析

（1）施工和易性分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拌合觀察，水玻璃模數(shù)在1.4～1.8之間變化時(shí)，模數(shù)越低，凝結(jié)速度越快。在現(xiàn)場(chǎng)35℃條件下，水玻璃模數(shù)為1.4時(shí)，初凝時(shí)間約為10min，終凝時(shí)間約為1h，凝結(jié)速度過(guò)快，不適宜一般情況下的施工作業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，水玻璃模數(shù)為1.8時(shí)，膠凝材料和易性較好，可以滿(mǎn)足該現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的施工作業(yè)要求。

（2）強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)各組標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及現(xiàn)澆擋土墻的回彈試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)IPC強(qiáng)度發(fā)展迅速，3h即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，3d即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%。

水玻璃模數(shù)在1.4～1.8之間變化時(shí)對(duì)IPC早期強(qiáng)度有所影響，模數(shù)越小，早強(qiáng)性能越好，當(dāng)模數(shù)從1.4變化至1.8時(shí)，其早強(qiáng)系數(shù)平均值由48%降至33%，但對(duì)28d抗壓強(qiáng)度影響不明顯。

4 結(jié)論

IPC早期強(qiáng)度高、凝結(jié)速度快、耐腐蝕性好、儲(chǔ)藏時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是遠(yuǎn)洋島礁未來(lái)?yè)屝迵尳üこ汤硐氲膽?zhàn)備建筑材料。通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)分析，證明在島礁實(shí)際環(huán)境下IPC具有可行的施工操作性和早強(qiáng)等優(yōu)良性能，能夠適用于島礁的基本建設(shè)。但由其澆筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能受海島環(huán)境和材料組分影響還需進(jìn)一步研究。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)對(duì)于海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土已取得了一定的成果，若是能將IPC和海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土結(jié)合研究，研制以珊瑚砂石為骨料的無(wú)機(jī)聚合物混凝土，將對(duì)我國(guó)的南海戰(zhàn)備工程建設(shè)具有重大的意義。