熊仕義 張偉倫 于美玲 喬仲月

無機礦物聚合物基快速修補砂漿

熊仕義 張偉倫 于美玲 喬仲月

本文目的，探究影響無機礦物聚合物基快速修補砂漿抗壓強度和凝結(jié)時間的主要因素及其變化規(guī)律。探究方法，以礦碴和粉煤灰為主要原材料，加入纖維和減水劑作為輔助材料，在堿性激發(fā)劑作用下，常溫下制備無機礦物聚合物砂漿和凈漿。探究結(jié)果，水玻璃模數(shù)在0.76～0.93范圍內(nèi)，水玻璃摻量為0.34%，膠凝材料摻量為4時，無機礦物聚合物基快速修補砂漿可以兼顧早強和快硬；試件可在10～20min內(nèi)凝結(jié)硬化，3d抗壓強度達到33.9MPa；是一種早強快硬的新型修補材料。

無機礦物聚合物；快速修補砂漿；抗壓強度；凝結(jié)時間

無機礦物聚合物是一種以無機[SiO4][AlO4]四面體為主要組成，具有空間三維網(wǎng)絡狀鍵接結(jié)構(gòu)的新型無機硅鋁質(zhì)膠凝材料。本文以礦渣與粉煤灰為主要原材料，水玻璃為主要激發(fā)劑制備成無機礦物聚合物砂漿，以抗壓強度和凝結(jié)時間為考核指標，研究了影響無機礦物聚合物快速修補砂漿抗壓強度和凝結(jié)時間的主要因素及其變化規(guī)律，希望為應用和推廣這種新型修補材料提供理論依據(jù)。

一、試驗材料與方法

1、試驗材料

（1）試驗用粉煤灰是沈海熱電廠二級原狀灰，其化學成分見表1。

表1 粉煤灰的主要化學成分W%

（2）試驗用礦渣是鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的?；郀t礦渣，其化學成分見表2。

表2 礦渣的主要化學成分W%

（3）激發(fā)劑由水玻璃和氫氧化鈉制成。市售硅酸鈉水玻璃模數(shù)（Na2O與SiO2的摩爾比）為3.2，Na2O質(zhì)量分數(shù)為8%，SiO2的質(zhì)量分數(shù)為25%。通過加入分析純固體NaOH調(diào)整水玻璃模數(shù)，將加入固體NaOH的水玻璃稱為鈉水玻璃。

（4）纖維選用石棉纖維。

（5）減水劑為聚羧酸系減水劑。

2、試驗方法

將一定量的礦渣、粉煤灰和砂子加入攪拌鍋中混合，加入水玻璃激發(fā)劑溶液，攪拌均勻。將均勻的砂漿裝入40mm×40mm×120mm模具中，振動成型，在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護3天，得到固體樣品。測定樣品抗折強度和抗壓強度。將一定量的礦渣、粉煤灰加入攪拌鍋中混合，加入水玻璃減水劑溶液，攪拌均勻，將均勻的凈漿裝入維卡儀中，測定凈漿凝結(jié)時間。

二、試驗結(jié)果及討論

1、水玻璃模數(shù)的影響

水玻璃模數(shù)對無機礦物聚合物基快速修補砂漿試塊凝結(jié)時間和抗壓強度的影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出：在礦渣/粉煤灰為4,液固比為0.4的前提下,當水玻璃模數(shù)小于0.96時，樣品的凝結(jié)時間很低，如水玻璃摻量為0.63%，水玻璃模數(shù)為0.76時樣品的初凝時間為12min，終凝時間為14min；隨著水玻璃模數(shù)的增大，樣品的凝結(jié)時間顯著延長，當水玻璃模數(shù)達到1.17時，樣品的凝結(jié)時間最長，如水玻璃摻量為0.63，水玻璃模數(shù)為1.17時樣品的凝結(jié)時間達到36min；當水玻璃模數(shù)大于1.17時，樣品的凝結(jié)時間呈下降趨勢。

圖1水玻璃模數(shù)對凝結(jié)時間和抗壓強度的影響

圖1 (b)為水玻璃模數(shù)對樣品抗折強度和抗壓強度的影響。由圖中可以看出：隨著模數(shù)的降低，其中低聚合度硅氧四面體的含量增加，促進了粉煤灰中鋁硅玻璃相的解聚，促進膠體沉淀相的形成，提高無機礦物聚合物的強度。因此，在強度和凝結(jié)時間兩者兼顧的條件下,水玻璃模數(shù)在0.76～0.93范圍內(nèi)較為理想。

2、水玻璃摻量的影響

水玻璃摻量（水玻璃與液體總量的比值）變化對無機礦物聚合物基快速修補砂漿試塊抗壓強度和凝結(jié)時間的影響如圖2所示。

圖2 水玻璃摻量對凝結(jié)時間和抗壓強度的影響

從圖2(a)中可以看出，隨著水玻璃摻量的增加，漿體的凝結(jié)時間延長，當水玻璃摻量達到0.63%時,凝結(jié)時間達到最大,如水玻璃模數(shù)為1.6,摻量為0.63時漿體的凝結(jié)時間為22min；當摻量大于0.63%時，初凝時間開始縮短。

圖2(b)為水玻璃摻量對樣品抗壓強度的影響。試驗結(jié)果顯示，水玻璃摻量對無機礦物聚合物強度有很大影響[1]。試驗證明，水玻璃摻量0.34%為一個較適合的值。

3、膠凝材料摻量的影響

在水玻璃模數(shù)為0.96，水玻璃摻量為0.5%，液固比為0.4不變的前提下，單一改變礦渣/粉煤灰質(zhì)量比為1、1.5、2.3、4 和 9，隨著礦渣 /粉煤灰質(zhì)量比的變化，無機礦物聚合物基快速修補砂漿的凝結(jié)時間的變化如圖3所示。

試驗結(jié)果顯示，膠凝材料摻量對于無機礦物聚合物凝結(jié)時間有很大的影響。從圖3中可以看出，隨著礦渣/粉煤灰質(zhì)量比增大，樣品的凝結(jié)時間顯著降低，當?shù)V渣/粉煤灰質(zhì)量比達到4時，樣品的凝結(jié)時間達到最低，初凝時間和終凝時間分別為35.5min和56.5min；當?shù)V渣/粉煤灰質(zhì)量比大于4時，樣品的凝結(jié)時間卻呈上升趨勢。因此，配制無機礦物聚合物基快速修補砂漿時，礦渣/粉煤灰質(zhì)量比應在4左右。

4、纖維和減水劑摻量的影響

圖3 礦渣/粉煤灰對凝結(jié)時間的影響

表3 纖維和減水劑對強度的影響

纖維和減水劑的摻量對無機礦物聚合物基快速修補砂漿強度的影響見表3。由表可見，纖維和減水劑對無機礦物聚合物基快速修補砂漿強度的影響很大。纖維摻入量為0g時，在常溫下養(yǎng)護3d的抗壓強度和抗折強度為7MPa和33MPa，纖維摻量增加到3.6g，抗折強度和抗壓強度無明顯變化，當摻入量為7.2g時抗壓強度降低到18.5MPa，纖維摻入量的提高使得無機礦物聚合物基快速修補砂漿的強度降低。減水劑摻入量為0g是時，在常溫下養(yǎng)護3d的抗折強度和抗壓強度為8MPa和64.8MPa，摻量為3.6g時，抗折強度和抗壓強度下降至7MPa和33MPa，減水劑的加入，使得無機礦物聚合物基快速修補砂漿的強度降低。

三、結(jié)論

1、無機礦物聚合物基修補材料試件隨著水玻璃模數(shù)的增大凝結(jié)時間呈現(xiàn)先延長后縮短的趨勢，抗壓強度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；隨著水玻璃摻量的增加凝結(jié)時間呈現(xiàn)先延長后縮短的趨勢，抗折強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；隨著膠凝材料摻量的變化，凝結(jié)時間呈現(xiàn)先縮短后延長的趨勢。

2、當水玻璃模數(shù)在0.76～0.93范圍內(nèi)，水玻璃摻量為0.34%，膠凝材料摻量為4時，無機礦物聚合物基快速修補砂漿具有較大的抗壓強度和較快的凝結(jié)間，分別為抗壓強度達到33.9MPa，10～20min內(nèi)可凝結(jié)硬化。

3、纖維和減水劑的加入不能提高無機礦物聚合物基快速修補砂漿的強度。

[1]Duxson P,Fernandez-Jimenez A,Provis J L,et al.Geopolymer terchnology:the current state of the art [J].Journal of Materials Science,2007,42:2917-2933

[2]安吉 吉 吉,王福川.堿激發(fā)化學結(jié)合陶瓷的反應機理.稀有金屬材料與工程.2009,202-205

TQl72.6+88

B

1007-3922（2017）04-0029-04

熊仕義（1995-），男，貴州麻江縣人，苗族，沈陽建筑大學材料學院，研究方向：無機非金屬材料。張偉倫（1996-），男，遼寧省撫順市人，漢族，沈陽建筑大學材料學院，研究方向：無機非金屬材料。于美玲（1995-），女，遼寧省盤錦市人，漢族，沈陽建筑大學材料學院，研究方向：無機非金屬材料。喬仲月（1997-），女，甘肅省白銀市人，漢族，沈陽建筑大學材料學院，研究方向：無機非金屬材料。

（責任編輯：于飛）