基于多分散尺度的固液悬浮体系可知,粉煤灰-矿粉基地质聚合物混凝土由以下两部分组成:①砂石骨料等惰性填料;②硅铝酸盐/化学激发剂所构成的新拌浆体。作为混凝土流变特性的决定性因素之一,新拌浆体各项性能易受碱性激发剂组成、水胶比等配合比而改变。因此,本项目探索不同激发剂种类、掺量以及水胶比等因素对地质聚合物新拌浆体流变特性的影响规律,揭示流变特性宏观调控与优化机制;采用G3光学显微镜探索激发剂种类与掺量对新拌浆体反应初期团簇结构与颗粒形貌等微观结构的影响,揭示其微结构与流变特性的关系;通过光学微流变仪对颗粒运动进行无扰动的原位研究,揭示新拌浆体粘弹性的转变历程。结合新拌浆体流变特随时间的变化规律,阐明颗粒运动、“笼”效应与流变特性变化历程的必然联系。最终从颗粒间表面作用力的角度出发,探索不同碱性激发剂体系的颗粒间表面作用力转变过程,建立颗粒表面作用力—微结构—粘弹性—流变特性间的内在关系,提出宏观与微观的优化调控机理,为地质聚合物新拌浆体工作性的优化与调控提供理论基础,为大规模商品化地质聚合物混凝土材料研发奠定基础。本论文研究得到以下结论:(1)初始流变特性—微结构的关系1)初始流变特性:随氢氧化钠掺量的增加,新拌浆体初始流动度先呈现线性增加,在临界掺量(NA-5#)时达到最大值后保持不变,其屈服应力与塑性黏度随氢氧化钠掺量的增加而降低;随水玻璃模数和水玻璃掺量的增加,初始屈服应力与塑性黏度增加,新拌浆体初始流动度显著降低。2)微结构:地质聚合物新拌浆体中固体颗粒易团聚成50-200μm轮廓模糊的团状和长链状团簇结构。随氢氧化钠掺量的增加,新拌浆体的团状团簇结构逐渐被高长宽比的的长链状团簇结构取代,当量直径(CE diameter)和面积降低,延伸率(Elongtion)增加,圆度(Hs circularity)降低,紧密性降低,稳定性较差。与氢氧化钠体系相似,水玻璃模数降低以及掺量的降低也存在上述现象。基于上述结果可知,地质聚合物新拌浆体中大量存在80-200μm的团状和长链状团簇结构单元,增加了颗粒间运动的内摩擦力与阻力,颗粒分散性降低,塑性黏度与屈服应力增加,是其流动性变差的主要原因。随氢氧化钠掺量的增加以及水玻璃模数的降低(NA-2#-NA-8#和Ms=2.5-Ms=1.5),新拌浆体中团状团簇结构逐渐不稳定的长链状团簇结构取代,附着颗粒掉落,直径降低,颗粒分散性提高,内摩擦降低,流动性增加。地质聚合物新拌浆体中团簇结构的形成导致其流变特性降低;结构不稳定长链状团簇结构有利于颗粒分散性和浆体流动性提高;氢氧化钠掺量的增加与水玻璃的降低均促进了长链装团簇结构的形成,利于流动度的提高。(2)颗粒运动—粘弹性—流变特性的联系本文采用光学微流变仪测定颗粒运动轨迹,基于浆体的弹性因子(EI)、宏观黏度因子(MVI)、存储模量(G’)以及损耗模量(G’’)等粘弹性指数随时间的变化规律,探索新拌浆体粘弹性以及“笼”结构的转变历程。反应初期,新拌浆体中颗粒自由运动,“笼”效应较弱,阻力与摩擦力较小,分散性良好,浆体以液体粘性行为为主;随时间延长,颗粒间的“笼”效应增加,运动受阻,运动空间减小颗粒间相互接触增多,“笼”结构形成,运动阻力与内摩擦力增加,塑性黏度与屈服应力增加,流动度逐渐降低。同时,氢氧化钠掺量、水玻璃模数以及掺量的增加导致新拌浆体颗粒间的“笼”效应迅速增加,颗粒间的运动阻力与摩擦力增加,加快了新拌浆体由粘性到弹性的转变过程以及经时流动度损失速率。(3)颗粒表面作用力—微结构—粘弹性—流变特性的内在联系反应初期,高掺量的氢氧化钠促进了新拌浆体颗粒活性组分的溶出,增加了溶液的|ζ|电位,导致了颗粒间的相互间排斥力的提高,有效的降低了颗粒与分散介质间水合作用力。同时,原位傅立叶衰减全反射红外光谱(In suit ATR FTIR)、扫描电镜(SEM)以及选择性酸溶法的实验结果表明,反应初期颗粒表面附着少量N-A-S-H与C-A-S-H凝胶随氢氧化钠掺量提高而增加,颗粒间的桥键作用增加。然而,反应初期颗粒间静电斥力占据主导地位。因此,随氢氧化钠掺量的增加,新拌浆体静电作用力提高,颗粒间易形成结构松散的高延伸率的小长链状团簇结构,其包裹的自由水降低,颗粒运动范围增加,“笼”结构效应较弱,凝胶的束缚作用较弱,颗粒分散性提高。然而,随时间的延长和氢氧化钠掺量的增加,溶液中活性硅铝酸根与阳离子结合在颗粒表面形成大量C-A-S-H凝胶,颗粒间桥键作用增强,“笼”结构明显增强,颗粒运动受阻,摩擦力与阻力增加,颗粒的分散性降低,流动度降低。与氢氧化钠激发体系相似,Ms=1.5水玻璃激发体系促进Al酸根离子的溶出,同时线形与支链的聚合硅酸根基团可能吸附颗粒表面,大幅提高了颗粒间的静电斥力,形成了长链装团簇结构,颗粒运动活跃,分散性良好,流动性增加。从上述结论可知,颗粒的运动以及颗粒间表面作用力是新拌浆体流变体系微观调控的关键因素。碱性激发剂作用的条件下,新拌浆体中大量的活性硅铝酸溶出,一方面导致了颗粒的|ζ|电位增加,静电斥力增加,颗粒运动轨迹区域增加,笼结构效应的增加;另一方面,活性硅铝酸盐形成的聚合反应产物(C-A-S-H与N-A-S-H凝胶)为颗粒间的连接提供桥键作用,颗粒运动空间被束缚,“笼”效应增加,颗粒间的运动阻力增加,流动度降低。因此,控制C-A-S-H与N-A-S-H凝胶的形成速率以及颗粒的静电斥力是地质聚合物新拌浆体流变性调控的关键。