鄧新，徐方，朱新平，陳倩，倪明亮

（中國地質大學工程學院，武漢430074）

粉煤灰基地聚合物修補材料的組成設計與性能

鄧新，徐方，朱新平，陳倩，倪明亮

（中國地質大學工程學院，武漢430074）

以粉煤灰、礦粉兩種工業(yè)廢料為主要原材料，模數(shù)為1.2～1.8的水玻璃作為激發(fā)劑制備地聚合物。采用五因素四水平的正交試驗組成設計方案，測試了水膠比（W）、堿激發(fā)劑摻量（S）、礦粉取代率（B）和水玻璃模數(shù)（M）在不同水平下試樣的流動度、凝結時間、抗壓強度和拉伸粘結強度。通過對結果進行極差分析和因素指標分析，得出這種綠色環(huán)保型修補材料的組成設計與性能指標之間的關聯(lián)。綜合分析得出，當水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時，制備出的地聚合物性能良好，達到綠色環(huán)保型建筑修補材料的要求。

地聚合物；粉煤灰；礦粉；水玻璃；修補

地聚合物最早由法國科學家Joseph Davidovits于1978年提出。地聚合物具有耐久性好、抗?jié)B性強、早強等優(yōu)越的性能［1-4］，其生產(chǎn)過程不需經(jīng)過傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的“兩磨一燒”工藝，能源消耗和CO2的排放極低，是一種綠色環(huán)保型材料［5］。近年來，國際上地聚合物研究的主要合成材料由傳統(tǒng)的高嶺土轉向粉煤灰［5-8］。2014年，中國粉煤灰產(chǎn)量高達5.78億噸，綜合利用量為4.05億噸，利用率僅為70.07%。并且，中國粉煤灰的堆存量逐年遞增，大量土地被占用。粉煤灰對資源與環(huán)境的負面作用亟待解決［9］。

當前，地聚合物在國際上是研究最為熱門的工程材料之一。然而，影響地聚合物材料性能的因素是多方面的［10-12］。Tchakoute等［13］研究了Al2O3／Na2O的摩爾比對地聚合物凝結時間、線性收縮和抗壓強度的影響。Wang等［6］研究了礦粉取代粉煤灰合成的地聚合物的力學性能，結果表明，礦粉取代部分粉煤灰，合成的地聚合物力學性能得到明顯改善。Vance等［7］研究了堿激發(fā)劑種類和濃度對粉煤灰基地聚合物流變性能的影響。

盡管對地聚合物的性能及其影響因素已經(jīng)有了一定的研究，但對地聚合物的組成設計卻少有研究，尤其是綜合考慮粉煤灰基地聚合物性能與組成設計之間的關聯(lián)研究不多［8］。筆者以粉煤灰為主要原材料，對水膠比、堿激發(fā)劑摻量、礦粉取代率和水玻璃模數(shù)4個影響因素進行正交試驗方案設計，測試了地聚合物作為修補材料的工作性能和早期力學性能。制備出適用于工程修補的地聚合物建筑修補材料，將對建筑修補和綠色建造領域的研究和工程應用提供參考意義。

1 原材料與試驗過程

1.1 原材料

試驗原材料為粉煤灰、礦粉、水玻璃、分析純、水泥、水和標準砂。粉煤灰為國家I級低鈣粉煤灰，細度為0.045 mm篩篩余量10.7%，主要成分為Al2O3和SiO2，具體成分見表1。礦粉為S95粒化高爐礦渣粉，比表面積424 m2／kg，主要成分為Al2O3、SiO2和CaO，具體成分見表1。建筑用水玻璃，具體參數(shù)見表2，分析純中NaOH含量高于96%，水泥為P.O 32.5。

表1 粉煤灰與礦粉的化學組成Table 1 The chemical composition of fly ash and blast furnace slag%

表2 水玻璃主要參數(shù)Table 2 Main parameters of sodium silicate

1.2 正交試驗方案

選取水膠比（W）、堿激發(fā)劑摻量（S）、礦粉取代率（B）以及水玻璃模數(shù)（M）作為四因素。Keun-Hyeok等［14］的研究結果表明水灰比小于0.3時，合成的堿激發(fā)劑材料的抗壓性能較優(yōu)。在本試驗中，水灰比的范圍為0.26～0.32，梯度為0.02。彭小芹等［15］和Deb等［16］的研究表明水玻璃模數(shù)在1.4左右能夠合成性能較好的地聚合物材料。在本試驗中，水玻璃模數(shù)為1.2～1.8，梯度為0.2。對于堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率這兩個因素，前人的研究少有涉及。對于礦粉摻量，在現(xiàn)有一些研究中［15-16］，參數(shù)設置差異較大。本試驗在前期試驗的基礎上將堿激發(fā)劑摻量設置在8%～17%之間，梯度為3%，礦粉取代率設置在10%～40%之間，梯度為10%。采用五因素四水平正交試驗設計方案，其中因素五為空白列。正交試驗因素水平表見表3。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 The factors and levels of orthogonal test

1.3 試驗制備與養(yǎng)護

地聚合物試樣的合成過程如圖1所示。用分析純調配水玻璃模數(shù)，NaOH顆粒溶于水玻璃時會放出大量熱量，此過程會損失一部分水，待溶液冷卻后補償損失水量，得到復合堿激發(fā)劑。

根據(jù)正交試驗設計方案，一共進行16組試驗，抗壓強度試樣尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，拉伸粘結強度試樣尺寸為22.2 mm×22.5 mm× 78 mm?！?”字模一邊放置半個用P.O 32.5水泥配制的砂漿試件，配合比為水灰比0.5，灰砂比1∶3。

混合料在凈漿攪拌機中慢攪120 s，靜置20 s后快攪120 s，攪拌后裝模成型，再將試模置于振實臺上振搗120次，振搗頻率為60次／min，振搗完成后將試樣放入養(yǎng)護箱中，在標準條件下養(yǎng)護到齡期。

圖1 地聚合物制備過程Fig.1 Preparation process of geopolymers

1.4 性能測試

流動度測試方法按照GB／T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》第13條進行，凝結時間測試方法按照GB／T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性》中第8條進行，抗壓強度測試方法按照GB／T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行，拉伸粘結強度按照DL／T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》第6.3條進行。

2 試驗結果和討論

流動度、凝結時間、抗壓強度和拉伸粘結強度測試結果如表4所示。

表4 正交試驗性能測試結果Table 4 The performance results of orthogonal experiment

2.1 流動度試驗結果討論

對16組試樣流動度結果進行極差分析，分析結果如表5所示。由表5的結果知，影響地聚合物流動度的因素主次順序為W＞S＞B＞M，水玻璃模數(shù)的極差值僅為0.85，遠小于其他3個因素的極差值，表明水玻璃模數(shù)對流動度的影響極小。對流動度結果進行因素指標分析，分析結果如圖2（圖中W1、W2、W3、W4分別代表水膠比水平在1、2、3、4時的取值，其他3個因素依此類推，圖3～5和圖2標注一致，不再贅述）。由圖2可知，流動度隨水膠比和礦粉取代率的增加而增加。水玻璃模數(shù)在1.2～1.8之間變化對流動度幾乎沒有影響。堿激發(fā)劑摻量水平在0.14左右，流動度較好。研究結果表明，實際工程中，可以通過調節(jié)水膠比和礦粉取代率來調整流動度，而堿激發(fā)劑摻量根據(jù)工程要求，需定在合理水平。

表5 流動度的極差分析Table 5 Range analysis of fluidity

2.2 凝結時間結果討論

對16組試樣的初凝時間和終凝時間結果進行極差分析，分析結果如表6所示。由表6可知，影響初凝時間和終凝時間因素主次順序均為：S＞B＞W(wǎng)＞M。堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率的極差值遠大于水膠比和水玻璃模數(shù)的極差值，表明堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率是影響凝結時間的主控因素。由凝結時間因素指標分析圖7知，各因素對初凝時間和終凝時間的影響趨勢一致，隨著水膠比和堿激發(fā)劑摻量的增加而增加，隨著礦粉取代率和水玻璃模數(shù)的增加而減小?？梢酝ㄟ^調節(jié)堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率這兩個易控的主控因素來調節(jié)凝結時間。

表6 凝結時間的極差分析Table 6 Range analysis of setting time

2.3 抗壓強度結果討論

對16組試樣的3 d和7 d抗壓強度結果進行極差分析，分析結果如表7所示。由表7可知，影響抗壓強度的因素主次順序為B＞S＞W(wǎng)＞M。礦粉取代率的3 d抗壓強度的影響極差是31.2，分別是水膠比、堿激發(fā)劑摻量和水玻璃模數(shù)極差值的3.5、3.2和4.7倍；礦粉取代率的7 d抗壓強度的影響極差是31.23，分別是水膠比、堿激發(fā)劑摻量和水玻璃模數(shù)極差的3.1、3.3和7倍?？梢姡V粉取代率是影響抗壓強度的主控因素，并且，礦粉對粉煤灰基地聚合物抗壓強度的影響較大，摻加礦粉可以顯著提高粉煤灰基地聚合物的抗壓強度。3 d和7 d抗壓強度的因素指標分析結果如圖4所示，可知，隨著礦粉取代率的增加，抗壓強度有大幅增加的趨勢。隨著水膠比的增加，抗壓強度有較大幅度的減小趨勢。水玻璃模數(shù)在1.2～1.8時，水玻璃模數(shù)對抗壓強度幾乎沒有影響。堿激發(fā)劑摻量在0.11和0.14時，抗壓強度取得較大值，表明堿激發(fā)劑摻量為0.11～0.14時，抗壓強度較大。

表7 抗壓強度的極差分析Table 7 Range analysis of compressive strength

2.4 拉伸粘結強度結果討論

對3和7 d拉伸粘結強度結果進行極差分析，分析結果如表8所示。由表8可知，影響3 d拉伸粘結強度因素的主次順序為B＞S＞W(wǎng)＞M，影響7 d拉伸粘結強度因素的主次順序為M＞S＞B＞W(wǎng)。與抗壓強度不同點在于，各因素對拉伸粘結強度的影響區(qū)別不大。通過圖5的因素指標分析可知，隨著水膠比和水玻璃模數(shù)的增加，拉伸粘結強度減?。浑S著堿激發(fā)劑的增加，拉伸粘結強度也增加。隨著礦粉取代率的增加，拉伸粘結強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當?shù)V粉取代率在0.3時，拉伸粘結強度取得較大值。該研究結果表明，礦粉雖可以顯著改善粉煤灰基地聚合物的抗壓強度，但是對拉伸粘結強度的貢獻卻較少，隨著礦粉取代率的增加，抗壓強度會隨之增加，但在這個摻量水平范圍內，拉伸粘結強度會出現(xiàn)降低。這表明，礦粉在一定程度上使粉煤灰基地聚合物的脆性增強，實際工程中，應合理添加礦粉。

表8 拉伸粘結強度的極差分析Table 8 Range analysis of tensile bond strength

圖3 凝結時間因素指標分析Fig.3 Factor analysis of setting time

圖4 抗壓強度因素指標分析Fig.4 Factor analysis of compressive strength

圖5 拉伸粘結強度因素指標分析Fig.5 Factor analysis of tensile bond strength

2.5 綜合應用分析

正交試驗方案中，當水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時，制備出的地聚合物性能指標如表9所示。由表9可知，該配比的地聚合物膠凝材料具備工作性能良好和快硬高強的性能，滿足建筑快速修補的要求，可以應用到實際工程修補中。

表9 優(yōu)化配比性能Table 9 Performance of the optimal proportion

3 結 論

1）水膠比增加，粉煤灰基地聚合物的流動度和凝結時間會增加，但抗壓強度和粘結強度呈現(xiàn)下降的趨勢；堿性激發(fā)劑摻量增加，粉煤灰基地聚合物的流動度、凝結時間和早期強度均有增加的趨勢，可以通過調節(jié)堿性激發(fā)劑摻量來調控粉煤灰地聚合物的工作性能和早期力學性能。

2）當?shù)V粉取代率為0.1～0.4時，礦粉對粉煤灰地聚合物的強度起到促進作用，可以通過礦粉取代粉煤灰制備早期強度高的地聚合物，從而應用于工程修補。

3）水玻璃模數(shù)在1.2～1.8時，模數(shù)對粉煤灰基地聚合物的工作性能和在早期力學性能影響較小，從控制成本的角度出發(fā)，可以將水玻璃模數(shù)定為1.8。

4）在配比設計范圍內，當水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時，制備出的地聚合物性能良好，適用于建筑修補，是一種綠色環(huán)保型的建筑修補材料。

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（編輯 王秀玲）

Mix design and performance analysis on the fly ash based geopolymer material for repair

Deng Xin，Xu Fang，Zhu Xinping，Chen Qian，Ni Mingliang

（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，P.R.China）

We used two kinds of industrial waste of Fly ash and blast furnace slag as major raw materials，and modules of sodium silicate ranging from 1.2 to 1.8 as the activator to manufacture geopolymer.We conducted the orthogonal experiment in five-factor and four-level form，and studied water to binder ratio（W），alkali-activator proportion（S），blast furnace slag replacement ratio（B）and the module of sodium silicate（M）on the four essential properties including the fluidity，setting time，compressive strength and tensile bond strength of the geopolymer used in green materials for construction mending.The relation between mix design and performance index of the green repair material were investigated by range analysis and factor analysis.By synthetic analysis，an excellent geopolymer-based green material for construction mending could be manufactured when W，S，B and M were 0.28，0.14，0.4，1.2，respectively.

geopolymer；fly ash；blast furnace slag；sodium silicate；repairing

2015-11-10

Natural Science Foundation of China（No.51308518）；Fundamental Research Funds for the Central Universities，China University of Geosciences（No.CUGL150412）

TU528.041

A

1674-4764（2016）01-0054-00

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.008

2015-11-10

國家自然科學基金（51308518）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（CUGL150412）

鄧新（1991-），男，主要從事路基路面結構與材料研究，（E-mail）1847092062＠qq.com。

徐方（通信作者），男，副教授，（E-mail）xufang＠cug.edu.cn。

Author brief：Deng Xin（1991-），main research interests：subgrade and pavement structure and material，（E-mail）1847092062＠qq.com.

Xu Fang（corresponding author），associate professor，（E-mail）xufang＠cug.edu.cn.