郭曉潞，施惠生，夏 明

(1. 同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境材料研究所，上海 201804)

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不同納米材料對(duì)粉煤灰基地聚合物的改性作用*

郭曉潞1,2，施惠生1,2，夏 明2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境材料研究所，上海 201804)

系統(tǒng)研究了不同種類納米材料對(duì)CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能的影響，并結(jié)合FT-IR研究了其納米改性作用機(jī)制。結(jié)果表明，納米Al2O3對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響不大，納米SiO2、硅灰與稻殼灰均能夠縮短體系的凝結(jié)時(shí)間，且摻量越大影響越明顯。化學(xué)合成納米材料和天然納米材料均能提高CFA基地聚合物早期抗壓強(qiáng)度，其中硅灰的適宜摻量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，稻殼灰為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。納米SiO2和硅灰的摻入提高了CFA基地聚合物體系無(wú)定型凝膠相的聚合度；納米Al2O3和稻殼灰對(duì)凝膠相的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。納米材料通過(guò)化學(xué)作用、顆粒填充作用和晶種成核作用提高了CFA基地聚合物的抗壓強(qiáng)度。

地聚合物；粉煤灰；納米材料；改性

0 引 言

納米材料由于尺寸小(1～100 nm)，使其在結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)方面具有特殊的性能。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，有學(xué)者開(kāi)始將納米材料引入到傳統(tǒng)膠凝材料中，并展開(kāi)了相關(guān)研究。納米材料的加入不僅可以填充空隙，還可促進(jìn)水化，改善界面微結(jié)構(gòu)，使得材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性以及耐久性都得到了提高。

粉煤灰基地聚合物作為一種新型高性能的綠色膠凝材料，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和固封重金屬特性。但在常溫條件下，粉煤灰原料中的硅、鋁相溶出較少，導(dǎo)致地聚合物中的Si—O—Al鍵聚合度較低，后期強(qiáng)度較低。近年來(lái)，Khater[1]和Riahi等[2]發(fā)現(xiàn)，粉煤灰基地聚合物的抗壓強(qiáng)度與原材料中的微細(xì)顆粒密切相關(guān)。納米顆粒在地聚合反應(yīng)過(guò)程中不僅可起到填充的作用，而且會(huì)提高硅、鋁相在堿性環(huán)境中的溶出速率，從而提高地聚合物的力學(xué)性能。因此，本文擬研究化學(xué)合成的納米SiO2與納米Al2O3以及天然納米材料硅灰與稻殼灰等不同種類納米材料對(duì)粉煤灰基地聚合物的影響作用，探索納米材料對(duì)粉煤灰基地聚合物的改性機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用原材料

實(shí)驗(yàn)采用的高鈣粉煤灰(CFA)來(lái)自于上海吳涇電廠(Ⅱ級(jí)灰)，比表面積410 m2/kg，其化學(xué)組成見(jiàn)表1所示。本文用納米SiO2與納米Al2O3來(lái)自美國(guó)Aladdin公司，其物理性質(zhì)見(jiàn)表2所示。

表1 高鈣粉煤灰(CFA)的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 納米SiO2與納米Al2O3的基本物理性質(zhì)

本文實(shí)驗(yàn)用硅灰來(lái)自上海某建筑材料公司，比表面積為29 m2/g；稻殼灰來(lái)自安徽某隔熱材料廠，其比表面積為800 m2/kg；硅灰和稻殼灰的化學(xué)組成見(jiàn)表3所示。硅灰中沒(méi)有任何結(jié)晶相存在，在2θ為10～30°的范圍內(nèi)的彌散峰為無(wú)定型SiO2的特征峰；稻殼灰中主要的結(jié)晶相為方石英和鱗石英，此外在2θ為20～35°的范圍內(nèi)的彌散峰為無(wú)定型SiO2的特征峰，見(jiàn)圖1所示。本文采用模數(shù)為1.5的水玻璃為化學(xué)激發(fā)劑。

表3 硅灰和稻殼灰的化學(xué)組成 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 原材料的XRD圖譜

Fig 1 XRD patterns of raw materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

摻納米材料的粉煤灰基地聚合物各試樣的配比組成見(jiàn)表4所示。

試樣凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定參照水泥凝結(jié)時(shí)間測(cè)定方法進(jìn)行；強(qiáng)度試件為20 mm×20 mm×20 mm，在(20±1) ℃，相對(duì)濕度為(95±1)%下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。

FT-IR分析用樣品與抗壓強(qiáng)度試件相同，并按FT-IR制備所需試樣。采用美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)的FT-IR 380型的紅外光譜儀。測(cè)試參數(shù)掃描范圍為4 000～400 cm-1，3次掃描，分辨率4 cm-1。

2 化學(xué)合成納米材料對(duì)CFA基地聚合物性能的影響

2.1 化學(xué)合成納米材料對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖2(a)為納米SiO2和納米Al2O3對(duì)CFA基地聚合物初凝和終凝時(shí)間的影響。對(duì)于摻入化學(xué)合成納米材料的CFA基地聚合物，凝結(jié)時(shí)間比空白樣減少，這是因?yàn)榧{米SiO2和納米Al2O3的高比表面能使其周圍的游離相富集于納米材料表面，形成“晶種成核”效應(yīng)，加速反應(yīng)的進(jìn)行。摻入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米Al2O3(樣品N 0-3)對(duì)CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間影響較??；摻入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米SiO2時(shí)，初、終凝時(shí)間較空白樣分別縮短了23%和16%。

表4 摻納米材料的粉煤灰基地聚合物試樣配比/g

當(dāng)納米顆粒的總摻量一定時(shí)，隨著納米Al2O3摻量的減少與納米SiO2摻量的增加(樣品N 1-2、N 2-1和N 3-0)，凝結(jié)時(shí)間明顯下降。這可能是由于摻入納米SiO2后，體系中-OSi(OH)3、-OSi(OH)2O-等硅的單聚體濃度迅速上升。這些硅的單聚體會(huì)與液相中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)形成C-S-H凝膠，從而縮短了CFA基地聚合物凝結(jié)時(shí)間。與此同時(shí)，硅的單聚體還進(jìn)一步會(huì)促進(jìn)體系中多聚體的形成，從而加快Si-O-Al網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成速率，縮短了凝結(jié)時(shí)間[3]。

2.2 化學(xué)合成納米材料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2(b)為納米SiO2和納米Al2O3對(duì)CFA基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。納米SiO2和納米Al2O3對(duì)CFA基地聚合物7，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提升。摻入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米Al2O3(樣品N 0-3)，7和28 d抗壓強(qiáng)度分別提高18%和11%；摻入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米SiO2(樣品N 3-0)，其7和28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了44%和21%?？梢?jiàn)，化學(xué)合成納米材料對(duì)提高CFA基地聚合物的早期抗壓強(qiáng)度具有顯著的作用，并且納米SiO2對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用大于納米Al2O3，這與Riahi等[2]的研究結(jié)果一致。納米SiO2對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用，一方面是由于在CFA基地聚合物體系中摻入納米SiO2后，體系中硅的單聚體濃度迅速上升。這些硅的單聚體與液相中的Ca2+反應(yīng)形成的C-S-H凝膠填充在體系的微細(xì)孔中，進(jìn)一步提高了基體相的密實(shí)度，從而提高體系的抗壓強(qiáng)度[4-6]；另一方面，隨著體系中硅的單聚體的濃度上升，硅、鋁單體之間的聚合反應(yīng)速率加快，促進(jìn)了體系中N-A-S-H凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成[7-8]。

圖2 化學(xué)合成納米材料對(duì)CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響

Fig 2 Effects of chemical synthesized nano-materials on the setting time and compressive strength of CFA-based geopolymer

2.3 化學(xué)合成納米材料改性作用的FT-IR分析

圖3為FT-IR測(cè)試結(jié)果。

圖3 摻化學(xué)合成納米材料的CFA基地聚合物的FT-IR圖譜

Fig 3 FT-IR spectra of CFA-based geopolymer with chemical synthesized nano-materials

與空白樣相比，摻化學(xué)合成納米材料CFA基地聚合物的FT-IR在波數(shù)4 000～1 400 cm-1范圍內(nèi)區(qū)別不大，而在波數(shù)1 400～400 cm-1范圍內(nèi)有顯著的區(qū)別。通常，無(wú)定型N-A-S-H凝膠中的Si-O-T的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰一般位于1 030 cm-1附近[9]；而C-S-H凝膠中的Si-O-T的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰一般位于960 cm-1附近[10]。在不摻納米顆粒的CFA基地聚合物中，Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率為1 003 cm-1，介于上述兩種凝膠的特征頻率之間。這表明CFA基地聚合物中的Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮峰為兩種凝膠特征峰的疊加，同時(shí)在一定程度上說(shuō)明CFA基地聚合物中同時(shí)存在N-A-S-H凝膠與C-S-H凝膠。

在摻3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米Al2O3的樣品中，Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰、對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和Si—O—Si鍵的彎曲振動(dòng)峰沒(méi)有任何變化。由于這3種特征峰與粉煤灰基地聚合物中凝膠相的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[11-13]，說(shuō)明納米Al2O3的摻入對(duì)CFA基地聚合物中無(wú)定型凝膠相的結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響。

由圖3還可知，當(dāng)納米顆粒的總摻量一定時(shí)，隨著納米SiO2摻量的增加，Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰、對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和Si—O—Si鍵的彎曲振動(dòng)峰向著高波數(shù)方向移動(dòng)。Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率較空白樣分別移動(dòng)了1，3和7 cm-1，這說(shuō)明納米SiO2提高了CFA基地聚合物體系無(wú)定型凝膠相的聚合度[14]。由于CFA基地聚合物中的凝膠相為N-A-S-H凝膠與C-S-H凝膠，納米SiO2主要作用于何種凝膠尚有待研究。

3 天然納米材料對(duì)CFA基地聚合物性能的影響

3.1 硅灰對(duì)CFA基地聚合物性能的影響

圖4(a)為不同摻量的硅灰對(duì)CFA基地聚合物初凝和終凝時(shí)間的影響。隨著硅灰摻量的增加，CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間出現(xiàn)了明顯的下降。當(dāng)硅灰的摻量為5%，10%和15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，體系的初凝時(shí)間分別縮短了15%，27%和48%，終凝時(shí)間分別縮短了15%，23%和31%。這是由于硅灰中大量的活性SiO2會(huì)使體系中-OSi(OH)3、-OSi(OH)2O-等硅的單聚體濃度迅速上升。在地聚合反應(yīng)初期，這些硅的單聚體一方面會(huì)促進(jìn)體系中多聚體的形成，從而加快了地聚合反應(yīng)速率；另一方面還會(huì)與液相中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)形成C-S-H凝膠，從而縮短了CFA基地聚合物凝結(jié)時(shí)間。

圖4(b)為不同摻量的硅灰對(duì)CFA基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。硅灰對(duì)CFA基地聚合物7和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提升。從整體上看，隨著體系中硅灰摻量的增大，CFA基地聚合物的7和28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)硅灰摻量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，與空白樣相比分別提高了37%和27%。從抗壓強(qiáng)度結(jié)果來(lái)看，CFA基地聚合物中硅灰的適宜摻量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。硅灰中大量的活性SiO2會(huì)使體系中硅的單聚體濃度迅速上升。這些硅的單聚體一方面與液相中的Ca2+反應(yīng)形成C-S-H凝膠，并填充在體系的微細(xì)孔中，進(jìn)一步提高了基體相的密實(shí)度；另一方面，隨著體系中硅的單聚體的濃度上升，硅、鋁單體之間的聚合反應(yīng)速率加快，促進(jìn)了體系中N-A-S-H凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。此外，硅灰中還存在一些細(xì)小的惰性微粒，這些微粒的填充作用也使得地聚合物體系更加致密[15-17]。

圖4 硅灰對(duì)CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響

Fig 4 Effect of silica fume on the setting time and compressive strength of CFA-based geopolymer

圖5(a)為不同摻量的硅灰對(duì)CFA基地聚合物改性作用的FT-IR分析結(jié)果。隨著硅灰摻量的增加，CFA基地聚合物中的Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰、對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和Si—O—Si鍵的彎曲振動(dòng)峰向著高波數(shù)方向移動(dòng)。Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率較空白樣分別移動(dòng)了10，12和14 cm-1，Si—O—T鍵在700～780 cm-1范圍內(nèi)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率較空白樣移動(dòng)了34，44和45 cm-1。這說(shuō)明硅灰對(duì)CFA基地聚合物體系無(wú)定型凝膠相的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，提高了凝膠相的聚合度。當(dāng)硅灰摻量為10%和15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Si—O—T鍵的伸縮振動(dòng)頻率變化不大，說(shuō)明高摻量的硅灰對(duì)CFA基地聚合物無(wú)定型凝膠相的結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，這與抗壓強(qiáng)度的變化情況一致。

圖5(b)為不同摻量的稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物改性作用的FT-IR分析結(jié)果。隨著稻殼灰摻量的增加，CFA基地聚合物中的Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰向著高波數(shù)方向移動(dòng)，Si—O—T鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率較空白樣分別移動(dòng)了4，10和16 cm-1；而Si—O—T鍵在700～730 cm-1范圍內(nèi)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率卻向著低波數(shù)方向移動(dòng)，較空白樣分別移動(dòng)了5，8和15 cm-1，說(shuō)明稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物體系無(wú)定型凝膠相的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響。此外，在波數(shù)為1 100 cm-1處(圖中虛線)，還存在一較弱的小峰。此峰為稻殼灰原料中SiO2的Si—O—Si的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)的特征峰。由此可知，在3種摻稻殼灰的CFA基地聚合物中存在未反應(yīng)的稻殼灰，其含量隨著稻殼灰摻量的增加而增加，這也是當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?0%和15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)抗壓強(qiáng)度下降的原因。

圖5 摻量硅灰(SF)和稻殼灰的CFA基地聚合物的FT-IR圖譜

Fig 5 FT-IR spectra of CFA-based geopolymer with silica fume/rice husk ash

3.2 稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物性能的影響

圖6(a)為不同摻量的稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物初凝和終凝時(shí)間的影響。隨著稻殼灰摻量的增加，CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間出現(xiàn)了明顯的下降。當(dāng)?shù)練せ业膿搅繛?%，10%和15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，體系的初凝時(shí)間分別縮短了5%，18%和26%，終凝時(shí)間分別縮短了5%，11%和14%。與硅灰相似，稻殼灰對(duì)凝結(jié)時(shí)間的縮短作用也是由稻殼灰中的活性SiO2所致。當(dāng)摻量相同時(shí)，硅灰對(duì)凝結(jié)時(shí)間的縮短作用大于稻殼灰，這與兩種原料中無(wú)定型態(tài)的SiO2含量有關(guān)。

圖6(b)為不同摻量的稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。稻殼灰對(duì)CFA基地聚合物7和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的影響。從整體上看，隨著體系中稻殼灰摻量的增大，CFA基地聚合物的7和28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，與空白樣相比分別提高了41%和24%。當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d抗壓強(qiáng)度略低于空白樣。研究表明，CFA基地聚合物中稻殼灰的適宜摻量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，與摻10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硅灰時(shí)的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。

由圖6(b)可知，當(dāng)?shù)練せ覔搅砍^(guò)5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，CFA基地聚合物的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d抗壓強(qiáng)度略低于空白樣。與硅灰不同，稻殼灰為一種多孔性的物質(zhì)，在其內(nèi)部含有許多由細(xì)微顆粒構(gòu)成的薄片，且顆粒之間存在大量的孔隙。因此，當(dāng)?shù)練せ翌w粒被潤(rùn)濕時(shí)，內(nèi)部的多孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)吸收大量的水分，同時(shí)稻殼灰顆粒的表面也會(huì)吸附1層層間水，這種“吸水作用”使得液相中的水分減少，降低了體系中各個(gè)離子相的溶出和擴(kuò)散速率，進(jìn)而減緩了地聚合反應(yīng)速率。

圖6 稻殼灰(RHA)對(duì)CFA基地聚合物的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響

Fig 6 Effect of rice husk ash on the setting time and compressive strength of CFA-based geopolymer

4 粉煤灰基地聚合物的納米改性機(jī)理及耐久性

一般認(rèn)為，納米材料對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用主要是化學(xué)作用、顆粒填充作用和晶種成核作用[18-20]。(1) 在地聚合物中，本文的納米材料中含有納米SiO2或納米Al2O3，提高了硅相或鋁相的單聚體濃度，從而提升了地聚合物的反應(yīng)速度；(2) 由于納米材料的尺寸微小，地聚合物體系中也存在一些孔隙，此時(shí)納米材料可以作為填充顆粒進(jìn)入到孔隙中，使體系更為致密。其中納米SiO2還可與Ca2+形成C-S-H凝膠后進(jìn)行填充；(3) 納米材料具有很大的比表面積和很高的比表能，能夠吸附其周圍環(huán)境的游離相，所以在地聚合物早期反應(yīng)階段，極易形成“晶核效應(yīng)”，在其周圍形成一層離子富集區(qū)域。由于本文摻加的納米材料含量較少，其化學(xué)作用和顆粒填充作用對(duì)CFA基地聚合物的影響有限，并不能主導(dǎo)CFA基地聚合物早期強(qiáng)度的發(fā)展，因此，納米材料晶種成核作用將可能在地聚合物早期反應(yīng)過(guò)程中起主要作用。

前期研究表明[21]，納米材料對(duì)地聚合物的干縮性能、抗化學(xué)侵蝕性能和耐高溫性能均有較好的改善作用，且納米SiO2對(duì)地聚合物的改善作用優(yōu)于納米Al2O3。納米材料能夠有效改善地聚合物的微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，使地聚合物大孔體積減少，體系結(jié)構(gòu)更為致密，增強(qiáng)了地聚合物的耐久性。

5 結(jié) 論

(1) 在粉煤灰基地聚合物體系中摻加3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的化學(xué)合成納米材料，隨納米SiO2摻量的增加，體系的凝結(jié)時(shí)間明顯下降；化學(xué)合成納米材料顯著提高了地聚合物的早期抗壓強(qiáng)度；納米Al2O3對(duì)地聚合物中凝膠相的結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響，納米SiO2能夠提高無(wú)定型凝膠相的聚合度。

(2) 摻入硅灰與稻殼灰縮短了地聚合物體系的凝結(jié)時(shí)間，提高其抗壓強(qiáng)度；硅灰的適宜摻量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，稻殼灰的適宜摻量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；硅灰可以提高粉煤灰基地聚合物體系中無(wú)定型凝膠相的聚合度，稻殼灰對(duì)無(wú)定型凝膠相的結(jié)構(gòu)的影響不大。

(3) 納米材料在CFA基地聚合物中起到化學(xué)作用，顆粒填充作用和晶種成核作用，可增強(qiáng)地聚合物的耐久性。

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Modification of fly ash based geopolymer by different types of nano-materials

GUO Xiaolu1,2，SHI Huisheng1,2， XIA Ming2

(1. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of the Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 201804,China;2. School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China)

The effects of different nano-materials on the setting time and mechanical performances of CFA-based geopolymer were studied. Combined with FT-IR, the modification effect and mechanism were researched. The results showed that nano-SiO2, silica fume and rice husk ash as additives resulted in the decrease of the setting time, while the addition of nano-Al2O3resulted in only a slight reduction in setting time. Adding chemical synthesized nano-particles could improve the compressive strength at early ages, as well as the natural nano-materials. The optimum dosage of silica fume and rice husk ash is 10% and 5wt% respectively. Geopolymerization degree of amorphous gel in CFA-based geopolymeric system could be improved by nano-SiO2and silica fume, and it has no evident effects by nano-Al2O3and rice husk ash. Nano-materials improved the compressive strength of CFA-based geopolymer by chemical action, grain filling and seeding nucleation.

geopolymer; fly ash; nano-materials; modification

1001-9731(2016)11-11001-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478328)

2015-09-19

2016-03-07 通訊作者：施惠生，E-mail: shs@#edu.cn

郭曉潞 (1980-)，女，副教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)土木工程材料、固體廢棄物資源化。

TB383

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.001