本文是一篇结构工程论文，本文对地聚物混凝土配合比优化设计进行了研究，研究了4组不同因素对地聚物混凝土凝结时间和抗压强度的影响。对两组（C40和C50）地聚物混凝土高温下热工性能进行了试验研究，得到两组地聚物混凝土在常温到600℃下的体积比热、导热系数和热扩散系数。
第1章 绪论
1.1课题研究背景
钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成且钢管及其核心混凝土共同承受外荷载作用的结构构件，因适应当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和工业化生产施工的需要而得到广泛应用[1]。目前钢管混凝土柱内填充的混凝土通常为硅酸盐水泥混凝土，然而水泥的生产消耗大量的能源并释放大量的温室气体，每生产1吨水泥就会释放出1吨左右的CO2[2]。中国是世界上水泥产量最大的国家，当前国家大力倡导节能减排、发展绿色建筑，寻找一种绿色环保的水泥替代品势在必行。使用地聚物替代硅酸盐水泥用于建筑结构的制作被认为是建筑可持续发展的一条新的途径[2-4]。
地聚物（Geopolymer）最早于1978年由法国学者Davidovits提出[5]，其反应机理是具有活性的硅铝氧化物的物质通过碱性激发溶液激发，使氧化物内部的硅（铝）氧键断裂，并发生聚合反应形成硅铝四面体三维网状结构聚合物。与传统的硅酸盐水泥相比，地聚物生产能耗和CO2排放量分别为水泥的41%和20%[6]。此外当地聚物原料采用粉煤灰、高炉矿渣等工业废料时，可将工业废弃物重复循环利用，能够一定程度上缓解我国由于火电行业快速发展，粉煤灰排放量急剧增多的形势。使用地聚物代替硅酸盐水泥可形成地聚物混凝土(Geopolymer concrete，简称GPC)。
除了节能环保，GPC具有比普通混凝土更好的材料性能，如早期强度更高[7]、收缩徐变更小[8]、耐久性更好[9]、黏结力更高[10]，尤其是耐火性能更强[11-20]。众所周知，建筑钢结构在火灾中极易遭到破坏，钢管混凝土柱的耐火性能虽较纯钢管柱有所提高，但是无防火保护的钢管混凝土柱通常仍然无法满足耐火极限的要求，需要进行耐火验算与防火保护设计[21]。为了提高钢管混凝土柱的耐火性能，各国学者提出在核心混凝土中配置专门考虑防火的钢筋或钢纤维[22-23]、加入型钢[24]或采用中空夹层截面[25]等。鉴于地聚物混凝土在高温下具有比普通混凝土更低的热导率和更小的强度损失[12,26]，在钢管内填充地聚物混凝土可以显著提高其耐火性能，而且较其他措施更为经济便捷。
1.2地聚物混凝土研究现状
1.2.1影响地聚物混凝土性能的主要因素
地质聚合物是一种新型环保胶凝材料，开发地聚物可以减少水泥工业发展带来的二氧化碳排放。地质聚合物材料不仅具有优良的力学性能，还具有良好的耐久性，耐高温性，耐氯离子渗透性，耐冻融循环等优良性能。可作为修复材料，耐火耐高温材料，海洋建筑，绝缘材料，路基路面材料，重金属吸收材料。大部分工业固体废物和垃圾焚烧底灰随意堆放，不仅占用土地资源，而且对环境造成不良影响。回收它们可作为制备地质聚合物的原料。地质聚合物材料可有效吸附重质金属、染料等放射性污染，对社会的未来发展非常有利。
地质聚合物混凝土的粘聚性比较强，对于施工有一定困难，如何制备高强度自流动性地质聚合物混凝土成为一个研究方向。研究表明粉煤灰的粒度较小，提高了粉煤灰的细度和工作性能[27]，而矿渣地质聚合物不规则，工作性能较差，矿渣的加入在一定程度上会降低工作性。加入体积分数为2.5%的硅灰可以使得地聚物混凝土在低水灰比下具有良好的工作性能[28]。钠水玻璃作为碱激发剂具有更好的流动性。氢氧化钠的增加有利于粉煤灰基地质聚合物工作性能的改善。含有氢氧化钠和硅酸钠的砂浆凝结时间更短[29]。
影响地聚物混凝土抗压强度的因素较多，并且地聚物混凝土凝结时间较短[30-31]，对地聚物混凝土的工程应用影响较大。很多学者针对地聚物混凝土进行了大量研究，但对不同参数对地聚物混凝土性能（抗压强度和工作性能）的影响仍未达成共识[32]。影响地聚物混凝土性能的主要参数包括硅酸铝来源、水胶比、碱胶比、碱的种类、水玻璃的模数、碱性激发剂的组合和浓度以及养护条件 [33]。这些参数对地聚物混凝土强度的确切影响仍不完全清楚。普遍接受的观点有[35-37]: 碱性液体与胶凝材料的比率或水胶比的增加会对地聚物混凝土的抗压强度产生不利影响；
第2章 矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土配合比优化设计
2.2试验原材料及物理性质
2.2.1矿渣
矿渣是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝 等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物，即为高炉矿渣，简称矿渣。
使用材料为S95级矿渣粉，来自巩义市泷泽净水材料有限公司，比表面积为429m3/kg，密度为3100kg/m3，实物图如图1所示，通过XRF测试测得矿渣化学成分如表1所示。通过XRD图谱可得到粉煤灰的主要成分为石英和莫来石，如图1所示。
2.3 地聚物混凝土配合比优化设计
2.3.1 基于单纯型重心设计法确定砂石骨料配比
单纯型重心设计法是由 Scheffe[73]提出的混料设计方法演变而来，能够通过较少试验量定量评价多组分混合物的性能。其设计原则如下：如果有 n 个组分，那么所需要进行 2n –1 组试验得到相应的等值线图和对应的函数公式，以 3 组分为例，则需进行 7 组试验；首先根据约束条件确定各分量的范围，然后分别选取三角形顶点、三边中点和中心点作为试验数据点，得到每个数据点的性能参数，最后采用软件在三角形坐标体系内得到三角形等值线图[58]。骨料的堆积密度和骨料与胶凝材料的体积比对混凝土配合比的性能有很大影响，为了在骨料堆积密度、浆体体积含量和抗压强度之间取得平衡，基于单纯型重心设计法和紧密堆积原理设计7组试验，确定砂石骨料最佳配比。骨料的紧密堆积密度测试方法按照JGJ 52-2019《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，图9为两组不同粒径下骨料紧密堆积试验，试验方案见表4，利用试验所得数据按照单纯型重心设计法绘制图10，根据图形和数学模型预测得出最密实情况下骨料的组成，并确定最佳砂率。
用正交试验设计法设计了9组4因素3水平的配合比试验，正交试验设计的因素和水平如表5所示，试验方案见表6，试验参数包括水胶比（W/B）、碱胶比(N/B)、水玻璃模数(Ms)、粉煤灰掺量（F/B）等，其中水胶比为添加天然水和水玻璃中含水量之和与胶凝材料之比，碱胶比为氧化钠与胶凝材料用量之比，水玻璃模数为二氧化硅与氧化钠的物质的量之比。
第3章 矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土热工性能研究 ........................ 23
3.1引言 ................................. 23
3.2 Hot Disk TPS 2500S热常数分析仪测量原理 ........................ 23
3.3试验测试样品 ...................................... 24
第4章 高温下钢管矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土短柱力学性能试验研究 .......... 35
4.1引言 .................................. 35
4.2 试验概况................................. 35
第5章 钢管矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土短柱数值分析 ................ 46
5.1引言 ............................... 46
5.2高温下短柱温度场有限元模型................. 46
第5章 钢管矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土短柱数值分析
5.2高温下短柱温度场有限元模型
本章通过模拟第3章和第4章的试验数据，运用ABAQUS有限元软件来建立模型。有限元模拟中，模型尺寸与试件尺寸相同，模拟中模型的主要参数如下：一组钢管地聚物混凝土短柱外径为102mm，钢管壁厚为4mm，高度为306mm，另一组钢管地聚物混凝土短柱外径为95mm，钢管壁厚为3mm，高度为285mm，钢管采用Q235和Q355钢材，地聚物混凝土的28天的抗压强度为52MPa和64MPa。本模拟分为两个阶段：首先使构件在规定时间内持续升温至指定的试验温度，然后控制温度恒定并最终得到其温度分布数据 。
火灾下钢管地聚物混凝土柱热量由构件受火面向柱体截面内部传递，为简化计算，假设构件组成材料均为各向同性材料，每个方向热传导系数均相同，并忽略钢管和混凝土之间接触热阻的影响。
第6章 结论与展望
6.1结论
本文对地聚物混凝土配合比优化设计进行了研究，研究了4组不同因素对地聚物混凝土凝结时间和抗压强度的影响。对两组（C40和C50）地聚物混凝土高温下热工性能进行了试验研究，得到两组地聚物混凝土在常温到600℃下的体积比热、导热系数和热扩散系数。对20个钢管地聚物混凝土短柱高温下力学性能进行了试验研究，得到了在高温下试件的温度场变化和荷载-位移曲线。基于本文试验数据建立了钢管地聚物混凝土短柱升温过程温度场分析模型和常温下的力学分析模型。主要得到以下结论：
（1）确定了影响矿渣粉-煤灰地聚物混凝土凝结时间和抗压强度的主要因素，对于矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土，影响初凝时间的因素由大到小依次为水胶比、硅酸钠模量、粉煤灰掺量和碱胶比；影响终凝时间的因素由大到小依次为水胶比、粉煤灰掺量、水玻璃模量和碱胶比。影响 28 天抗压强度的因素由大到小依次为碱胶比、水胶比、硅酸钠模量和粉煤灰掺量。基于目标强度配置了两组和易性
