蔣達飛 張 璐 范滿意 朱林輝 方曉東 謝子令

(溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

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受激材料對地質聚合物砂漿強度的影響★

蔣達飛 張 璐 范滿意 朱林輝 方曉東 謝子令

(溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

介紹了一種新型無機膠凝材料——地質聚合物砂漿，以立方體抗壓強度為指標，探討了不同受激材料復摻體系對地質聚合物砂漿強度的影響，結果表明，粉煤灰基地質聚合物砂漿的強度隨偏高嶺土摻量的增加而降低，而隨礦渣摻量的增加而提高，礦渣基地質聚合物砂漿的強度隨偏高嶺土摻量的增加也呈現降低的趨勢。

地質聚合物砂漿，受激材料，抗壓強度，摻量

近年來，地質聚合物作為一種新型無機膠凝材料已經較為廣泛地應用于水泥制品、砂漿、功能材料等方面，正在逐步取代傳統(tǒng)水泥。在性能上，由于地質聚合物不存在硅酸鈣的水化反應，相對于水泥而言，與砂石骨料連接更為緊密，具備界面結合能力強的特點?？紤]以上特點，我們結合地質聚合物和工業(yè)廢料(礦渣、粉煤灰等)制成新型地質聚合物再生混凝土，并主要對其力學性能進行研究。地質聚合物的概念最早由法國化學家J.Davidovits[1]于1979年提出。地質聚合物是一種堅硬的人造石材，由地球化學作用或人工模仿地質合成作用而制造出來的。這種人造石材具有天然巖石般的堅硬度、耐久性、抗腐蝕性以及熱穩(wěn)定性[2,3]。與普通硅酸鹽水泥相比，地質聚合物具有能耗低、環(huán)境友好等技術上的優(yōu)勢，被譽為21世紀最具前景的綠色膠凝材料。目前由于地質聚合物主要采用高嶺土，水玻璃以及NaOH或KOH為原料，加上一般生產規(guī)模較小，與水泥的價格優(yōu)勢不明顯且傳統(tǒng)的利用水泥的觀念也需要一定時間才能轉變，因此地質聚合物不可能在短時間內大量取代水泥，但隨著其不斷成熟的制備方法和應用技術，有希望在更多場合取代水泥。但是地質聚合物的硬化和強度產生過程與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥水化硬化有本質區(qū)別[4]。

礦渣作為冶煉生鐵而產生的副產物。據不完全統(tǒng)計,每生產1 t生鐵，將產生礦渣0.3 t～1 t。而我國鋼鐵廠年均產生礦渣量高達8 000萬t以上。大量的人力、物力和財力被消耗在這些礦渣的排放、堆積,然而環(huán)境污染的問題還是沒能有效解決。因此,利用礦渣來制備地質聚合物,可達到事半功倍的效果。

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體顆粒。據不完全統(tǒng)計我國粉煤灰產量高達638 000 000 t，綜合利用量為435 000 000 t，利用率僅為68.18%。每年我國大量土地被用于堆存逐年遞增的粉煤灰，因此利用粉煤灰進行地質聚合物的制備也將變廢為寶。

由于以上兩種工業(yè)廢棄物的主要化學成分與高嶺土化學成分類似，均以CaO,SiO2,Al2O3為主，因此可以探究三種受激材料在鈉水玻璃激發(fā)劑作用下單摻或者兩兩雙摻對地質聚合物試塊強度的影響。

1 實驗原材料及方法

1.1 原材料

粉煤灰：購于溫州某電廠，其主要化學成分及質量分數如表1所示，礦渣如表2所示。偏高嶺土：購于福建某高嶺土廠，其成分主要為質量分數為55.3%的SiO2及42.6%的Al2O3等。細骨料砂子采用ISO標準砂。

1.2 地聚合物制備

表1 粉煤灰主要化學成分及質量分數

表2 礦渣主要化學成分及質量分數

首先將純NaOH片堿(純度大于98%)溶解于水中，制成一定摩爾濃度的氫氧化鈉溶液，再將配置的堿溶液與市售水玻璃(比重1.35，模數3.3，各成分的質量含量：Na2O,7.9%,SiO2,27.9%，水64.2%)按一定的質量比配置成堿激發(fā)劑溶液，并將激發(fā)劑溶液密封后放置在室內陳化24 h。堿激發(fā)劑中氫氧化鈉的摩爾濃度以及氫氧化鈉溶液與水玻璃的質量比對地質聚合物混凝土的強度影響顯著，根據前期的配合比設計實驗結果，本文采用的堿溶液摩爾濃度為18 mol/L，將氫氧化鈉溶液與水玻璃按質量比1∶3混合，配置成堿激發(fā)劑。

其次將稱量好的干粉料(不同摻量的粉煤灰與礦渣、粉煤灰與高嶺土、礦渣與高嶺土、標準砂)放入砂漿攪拌機中攪拌3 min，再加入堿激發(fā)劑(堿激發(fā)劑的量為干粉料質量的0.4倍)攪拌3 min，取出裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模中，振動60 s成型。將裝模后的制品放入設定好溫度(溫度60 ℃)的烘箱中進行養(yǎng)護，24 h后取出脫模，待試樣冷卻至室溫。

最后采用液壓伺服萬能試驗機(WAW-600，上海華龍)進行抗壓強度測試，每組測試3塊試樣，以3塊試樣的平均值作為該組試樣的抗壓強度值。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰—偏高嶺土受激材料體系

圖1給出的是偏高嶺土的摻量對粉煤灰/偏高嶺土復摻地質聚合物砂漿強度的影響，可以看出地質聚合物砂漿的強度隨偏高嶺土摻量的增加而降低，當摻量為10%時，地質聚合物砂漿強度為37.3 MPa，較摻量為0%的純粉煤灰基地質聚合物砂漿(空白對比樣)的39.5 MPa減小了近6%；進一步增加偏高嶺土用量至總受激材料的30%時，地質聚合物砂漿的強度降低至30.1 MPa，較空白對比樣降低了23.8%；從中可知偏高嶺土的摻量對粉煤灰/偏高嶺土復摻地質聚合物砂漿強度不利，其強度影響曲線可用一次函數y=-0.314x+39.6(R=0.98)近似擬合，相似度高達0.98。

2.2 粉煤灰—礦渣受激材料體系

圖2給出的是礦渣的摻量對粉煤灰/礦渣復摻地質聚合物砂漿強度的影響，可以看出地質聚合物砂漿的強度隨礦渣摻量的增加而增加，當摻量為50%時，地質聚合物砂漿強度為82.064 MPa，較摻量為0%的純粉煤灰基地質聚合物砂漿(空白對比樣)的37.251 MPa增加了近120%；進一步增加偏高嶺土用量至總受激材料的100%時，地質聚合物砂漿的強度增長至106.371 MPa，較空白對比樣增加了近186%；從中可知礦渣的摻量對粉煤灰/礦渣復摻地質聚合物砂漿強度有明顯優(yōu)勢，其強度影響曲線可用一次函數y=0.59x+48.8(R=0.93)近似擬合，其相似度達到0.93。

2.3 礦渣—偏高嶺土受激材料體系

圖3給出的是偏高嶺土的摻量對礦渣/偏高嶺土復摻地質聚合物砂漿強度的影響，可以看出地質聚合物砂漿的強度隨偏高嶺土摻量的增加而降低，當摻量為10%時，地質聚合物砂漿強度為83.23 MPa，較摻量為0%的純礦渣基地質聚合物砂漿(空白對比樣)的106.371 MPa減小了近22%；進一步增加偏高嶺土用量至總受激材料的30%時，地質聚合物砂漿的強度降低至68.627 MPa，較空白對比樣降低了35%；從中可知偏高嶺土的摻量對粉煤灰/偏高嶺土復摻地質聚合物砂漿強度不利，其強度影響曲線可用一次函數y=-1.19x+101.7(R=0.86)近似擬合，其相似度為0.86。

3 結語

以砂、石為骨料，粉煤灰、礦渣、偏高嶺土為受激材料，水玻璃、氫氧化鈉為激發(fā)劑制備了地質聚合物試塊，研究了不同配比及摻量下地質聚合物試塊的抗壓強度。結果表明：

粉煤灰/偏高嶺土體系中，兩者的摻量對地質聚合物強度影響呈線性，隨著偏高嶺土摻量的增加，攪拌體流動性下降，試件強度下降，強度下降趨勢可用函數y=-0.314x+39.6(R=0.98)近似表示，其相似度較高。

礦渣的摻入對地質聚合物強度有利，隨著礦渣摻量的增加，體系(礦渣/粉煤灰)中CaO含量升高，試塊抗壓強度逐漸升高，趨勢可用一次函數y=0.59x+48.8(R=0.93)近似表示。純礦渣與純粉煤灰地質聚合物試塊相比強度提高186%。

礦渣/偏高嶺土砂漿體系中，兩者的摻量對地質聚合物強度的影響大致呈線性，隨著偏高嶺土摻量的增加，強度下降趨勢可用函數y=-1.19x+101.7(R=0.86)近似表示。與礦渣—粉煤灰體系相比，在粉煤灰與偏高嶺土摻量為0%～30%時，礦高體系使強度下降35.5%，而礦粉體系僅使強度下降12.8%，可見偏高嶺土對地質聚合物強度提升更不利。

[1] DAVIDOVITS J. 30 years of successes and failures ingeopolymer application, market trends and potentialbreakthroughs[A].Geopolymer 2002 Conference[C]. Australia: Melbourne,2002：28-29.

[2] 馬鴻文,楊 靜,任玉峰,等.礦物聚合物材料，研究現狀與發(fā)展前景[J].地學前沿,2009,9(4):398-407.

[3] 倪 文,王 恩,周 佳.地質聚合物21世紀的綠色膠凝材料[J].產業(yè)論壇新材料產業(yè),2003(8):6.

[4] Davidovits J. Synthetic mineral polymer compound of thesilicoaluminates family and preparation process[P]. US: Pat4472199,1984.9.18.

[5] Van Jaarsveld JGS, Lukey GC, van Deventer JSJ, et al. The stabilization of mine tailings by reactive geopolymerization[J].Publ Australas Inst Min Metall,2000(5):363-371.

[6] DAVIDOVITS J. Geopolymer: inorganic polymeric newmaterials[J]. J Materials Education,1994(16):91-138.

[7] PHAIR J W, Van DEVENTER J S J. Effect of silicateactivator PH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers[J].Miner Eng,2001(14):289-304.

[8] 羅新春,汪長安.鈣含量對偏高嶺土/礦渣基地聚合物結構和性能的影響[J].硅酸鹽學報,2015,43(12):1800-1805.

[9] LEE W K W, DEVENTER J S J V. The effect of ioniccontam inants on the early-age properties of alkali-activated fly ash-based cements[J]. Cement and Concrete Research,2002(32):577-584.

The influence of stimulated materials on the strength of geopolymer mortar★

Jiang Dafei Zhang Lu Fan Manyi Zhu Linhui Fang Xiaodong Xie Ziling

(College of Architecture and Civil Engineering, University of Wenzhou, Wenzhou 325035, China)

Introduced a new kind of inorganic cementitions material-geopolymer mortas. Consider cubic compressive strength as index, we have discussed the affects of geopolymer mortars strength by different kinds of double mixing system.The experimental results show that fly ash geopolymer mortars strength reduces along with metakaolin growth,and fly ash geopolymer mortars strength growth along with slag growth; slag geopolymer mortars strength reduces also along with metakaolin growth.

geopolymer mortars, stimulated materials, compressive strength, dosage

1009-6825(2017)16-0119-02

2017-03-14★:大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目(JWDC2015081)；溫州市科技計劃項目(S20140010)

蔣達飛(1996- )，男，在讀本科生； 張 璐(1996- )，男，在讀本科生； 范滿意(1993- )，男，在讀本科生； 朱林輝(1996- )，男，在讀本科生； 方曉東(1994- )，男，在讀本科生； 謝子令(1978- )，男，講師

TU502

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