李克亮 杜曉蒙 陶業(yè)成

華北水利水電大學(xué)（450045）

堿激發(fā)劑對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響分析

李克亮 杜曉蒙 陶業(yè)成

華北水利水電大學(xué)（450045）

使用粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、NaOH、水玻璃和水制備地聚合物，研究Na2O用量和水玻璃模數(shù)對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而提高地聚合物抗壓強(qiáng)度。

地聚合物；堿激發(fā)劑；抗壓強(qiáng)度

硅酸鹽水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但是硅酸鹽水泥本身也存在不足，能源與資源消耗大，在熟料煅燒過程中，因石灰石分解和燃料燃燒釋放出大量有害氣體，導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染[1].與硅酸鹽水泥相比，地聚合物強(qiáng)度高，干縮小，具有獨(dú)特的抗火、耐高溫、抗酸侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等性能，且能耗小，污染物排放量低[2]。堿激發(fā)劑對(duì)地聚合物性能有重要影響，本文通過試驗(yàn)分析堿激發(fā)劑濃度和水玻璃的模數(shù)對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。

1 地聚合物原材料與配合比

1.1 原材料

1）粉煤灰

粉煤灰是從煤粉爐煙道中收集的粉塵，化學(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，通常含有60%～90%的玻璃體。本試驗(yàn)用于制備地聚合物的粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分見表1，其中，SiO2和Al2O3兩者總量達(dá)到82.02%。

表1 粉煤灰化學(xué)組成（%）

2）?；郀t礦渣粉

高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的一種廢渣，是一種具有玻璃體結(jié)構(gòu)的硅鋁質(zhì)材料，具有很高的潛在活性。本試驗(yàn)用于制備地聚合物的?；郀t礦渣粉為S95級(jí)礦渣粉，其化學(xué)成分見表2。

表2 粒化高爐礦渣粉化學(xué)成分（%）

3）堿激發(fā)劑

地聚合物中使用堿激發(fā)劑的主要作用是使鋁硅質(zhì)材料玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生解體、縮聚，最終形成地聚合物結(jié)構(gòu)。地聚合物的堿激發(fā)劑主要是苛性堿[3]和堿金屬硅酸鹽。本項(xiàng)目使用的苛性堿為NaOH。堿金屬硅酸鹽為水玻璃，與苛性堿配合使用。本試驗(yàn)中使用的水玻璃的模數(shù)為2.8，固含量50.5%。

1.2 配合比

本試驗(yàn)使用粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、NaOH、水玻璃和水制備地聚合物，配合比見表3。其中，礦渣與粉煤灰質(zhì)量比為1∶1,水與礦渣、粉煤灰質(zhì)量和的比為0.29,此處水包含了水玻璃中所含有的水。堿激發(fā)劑中Na2O用量（占礦渣與粉煤灰質(zhì)量和的百分?jǐn)?shù)）取5%、7%以及10%，在每種Na2O用量下，改變NaOH與水玻璃的比例，分別為5∶5，4∶6和3∶7，調(diào)整水玻璃模數(shù)為1.4、1.68和1.96。

表3 地聚合物配合比

2 地聚合物抗壓強(qiáng)度影響因素

2.1 水玻璃模數(shù)對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

Na2O在一定用量（分別為5%、7%、10%）下，水玻璃模數(shù)為1.4、1.68和1.96時(shí)，地聚合物3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。圖1、圖2和圖3分別為Na2O用量分別為5%、7%、10%時(shí)，不同水玻璃模數(shù)下地聚合物的抗壓強(qiáng)度。

由表4、圖1、圖2和圖3可知,隨著齡期增長,地聚合物抗壓強(qiáng)度均有較大幅度增長。在Na2O用量為5%時(shí)，水玻璃模數(shù)從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度從76.9 MPa降低至52.4 MPa。在Na2O用量為7%時(shí)，水玻璃模數(shù)從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度則從76.3 MPa降低至49.5 MPa。在Na2O用量為10%時(shí)，水玻璃模數(shù)從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度則從70.2 MPa降低至34.8 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：在Na2O用量不變的情況下，地聚合物的強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)的減小而增加。

表4 地聚合物抗壓強(qiáng)度

圖1 Na2O用量為5%時(shí)不同水玻璃模數(shù)下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

圖2 Na2O用量為7%時(shí)不同水玻璃模數(shù)下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

圖3 Na2O用量為10%時(shí)不同水玻璃模數(shù)下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

鋁硅質(zhì)材料中的鋁硅玻璃相在激發(fā)劑的作用下發(fā)生解聚作用形成低聚的SiO4和AlO4[4]。隨后低聚態(tài)的SiO4和AlO4產(chǎn)生縮聚作用形成膠體。因此，礦物聚合物強(qiáng)度的大小主要取決于膠體相的形成量。對(duì)水玻璃的研究表明，水玻璃的模數(shù)對(duì)其中硅氧四面體的結(jié)構(gòu)有較大影響。在水玻璃中，存在著多種聚合度的硅氧四面體基團(tuán)，且隨著水玻璃溶液中SiO2濃度的降低，即隨著模數(shù)的降低，溶液中低聚（如單聚、雙聚、三聚）硅氧四面體的含量增加，高聚硅氧四面體的含量減少。當(dāng)模數(shù)小于1.6時(shí)，水玻璃溶液中開始出現(xiàn)單聚結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，其比例隨著模數(shù)的減少而增加。研究表明，水玻璃的模數(shù)降低，低聚合度硅氧四面體的含量增加，促進(jìn)了鋁硅玻璃相的解聚及膠體沉淀相的形成，從而提高了地聚合物強(qiáng)度。

2.2 Na2O用量對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

在水玻璃同一模數(shù)（分別為1.4、1.68和1.96）下改變Na2O的用量為5%、7%以及10%，比較水玻璃同一模數(shù)下不同Na2O用量對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表4。圖4、圖5和圖6為水玻璃模數(shù)分別為1.4、1.68、1.96時(shí)，不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強(qiáng)度。

圖4 模數(shù)為1.4時(shí)不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

圖5 模數(shù)為1.68時(shí)不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

圖6 模數(shù)為1.96時(shí)不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強(qiáng)度

由圖4、圖5和圖6可知，在水玻璃模數(shù)為1.4的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時(shí)，地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度是3 d抗壓強(qiáng)度的2.33倍、2.15倍和2.62倍。在水玻璃模數(shù)為1.68的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時(shí),地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度是3 d抗壓強(qiáng)度的1.89倍、1.68倍和2.06倍。在水玻璃模數(shù)為1.96的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時(shí)，地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度是3 d抗壓強(qiáng)度的2.15倍、2.01倍和1.82倍。試驗(yàn)結(jié)果說明：在水玻璃模數(shù)較低的情況下,在Na2O用量比較大時(shí)具有較大的強(qiáng)度增進(jìn)率；在水玻璃模數(shù)較高的情況下，在Na2O用量比較低時(shí)具有較大的強(qiáng)度增進(jìn)率。

3 結(jié)論

Na2O用量不變時(shí)，地聚合物的抗壓強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)的減小而增加。

水玻璃模數(shù)較低時(shí)，Na2O用量大，則地聚合物強(qiáng)度增進(jìn)率大；水玻璃模數(shù)較高時(shí)，Na2O用量低，則地聚合物強(qiáng)度增進(jìn)率大。

水玻璃模數(shù)降低，低聚合度硅氧四面體的含量增加,促進(jìn)了玻璃相的解聚和膠體沉淀相的形成，從而提高了地聚合物抗壓強(qiáng)度。

[1]袁鴻昌,江堯忠.地聚合物材料的發(fā)展及其在我國的應(yīng)用前景[J].硅酸鹽通報(bào),1998,23(2)：46-51.

[2]徐建忠,唐肖然.用粉煤灰和制革廢水污泥等制備地聚合物材料[J].建筑材料學(xué)報(bào),2007,10(1)：105-109.

[3]王聰.堿激發(fā)膠凝材料的性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[4]鄭娟榮,覃維祖.地聚物材料的研究進(jìn)展[J].新型建筑材料, 2002,23(4)：11-12.

項(xiàng)目資助：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目

項(xiàng)目編號(hào)：152102210118.