談志平，王龍生，徐展

（蘇州微觀世界新材料有限公司，江蘇 蘇州 215100）

0 前言

隨著環(huán)境保護(hù)要求的進(jìn)一步加強(qiáng)，各種工業(yè)廢棄物的綜合利用得到了廣泛的關(guān)注。粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢渣因排放量大受到格外關(guān)注，其綜合利用率不斷提高，目前礦渣的綜合利用率已達(dá) 100%，粉煤灰和鋼渣的綜合利用率也穩(wěn)步提升[1-3]。而一些非主流的工業(yè)廢渣因產(chǎn)量相對(duì)較低，對(duì)其綜合利用研究較少，其排放對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。

水玻璃堿渣是在水玻璃生產(chǎn)過(guò)程中固相溶解后生產(chǎn)的沉淀物，沉淀物主要由晶態(tài)二氧化硅和硅酸鈉水合物組成，還有部分硅酸鈣及氫氧化鈣。由于硅酸鈉水合物對(duì)熟料礦物的水化進(jìn)程影響較大，水玻璃堿渣不適宜作為摻合料應(yīng)用于水泥混凝土中。由于水玻璃堿渣中含有的高堿物質(zhì)是制備地聚合物的關(guān)鍵組分[4,5]，本文嘗試將水玻璃堿渣作為高堿組分與偏高嶺土及粉煤灰配制耐久性能優(yōu)良的地聚合物，以期尋求一個(gè)可以批量處置水玻璃堿渣的有效途徑。

各氧化物組成范圍的變化會(huì)導(dǎo)致地聚合物結(jié)構(gòu)類型的差異，地聚合物有 PS、PSS、PSDS 三種結(jié)構(gòu)類型，其中 PSS 型地聚合物的劈裂抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度最高、抗?jié)B性能最佳，因而應(yīng)用最為廣泛（PSS 型地聚合物中 SiO2/ Al2O3的摩爾比為 4±1）[5]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

（1）水玻璃堿渣：蘇州某水玻璃企業(yè)，具體化學(xué)成分及 XRD 參見表1 和圖1。

表1 水玻璃堿渣、偏高嶺土和粉煤灰的化學(xué)成分 %

圖1 水玻璃堿渣的 XRD 分析

（2）偏高嶺土：山西金誠(chéng)，比表面積 403m2/kg。

（3）粉煤灰：國(guó)華Ⅱ級(jí)灰，45μm 篩余 14%，流動(dòng)度比 103%。

（4）水泥：鶴林 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，28d 強(qiáng)度為 51.7MPa。

（5）細(xì)集料：河砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，含泥量為1.5%。

（6）粗集料：石灰石質(zhì)碎石，5～25mm 連續(xù)粒級(jí)，含泥量 0.1%。

（7）外加劑：蘇博特產(chǎn) PCA-1 減水劑，減水率為23%。

（8）氫氧化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

將水玻璃堿渣粉磨至比表面積為 400～450m2/kg，按照地聚合物的配比原則，調(diào)節(jié)水玻璃堿渣、偏高嶺土及粉煤灰的比例，使得各氧化物的摩爾比符合 PSS 型地聚合物的理論值，在一定范圍內(nèi)調(diào)整偏高嶺土與粉煤灰的比例、水玻璃堿渣與氫氧化鈉的比例及水灰比，以期在保證地聚合物力學(xué)性能的前提下盡可能提高水玻璃堿渣的用量。在力學(xué)性能試驗(yàn)中，將地聚合物凈漿制成 (40×40×160)mm3的試塊，檢驗(yàn)方法參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 偏高嶺土與粉煤灰的比例對(duì)地聚合物力學(xué)性能的影響

由于偏高嶺土中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 2.5，粉煤灰中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 2.3，兩者較為接近，要得到 PSS 結(jié)構(gòu)的地聚合物，必須加入硅質(zhì)校正原料。水玻璃堿渣中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 250，可以用作硅質(zhì)校正原料，當(dāng)水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質(zhì)量的 0.6%～0.7% 時(shí)，即可保證混合物的 SiO2/Al2O3摩爾比接近 4，不足的高堿物質(zhì)由氫氧化鈉補(bǔ)充，補(bǔ)充后混合物的 Na2O/Al2O3為 0.3。為保證地聚合物的工作性能，固定水灰比為 0.4，調(diào)整粉煤灰與偏高嶺土的質(zhì)量比，以純偏高嶺土為基準(zhǔn)，粉煤灰的質(zhì)量取代率從0～50%，測(cè)試地聚合物凈漿的力學(xué)性能（見表2 和圖2）。

表2 粉煤灰取代率對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 粉煤灰取代率對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明，隨著粉煤灰取代率的提高，地聚合物的 1d 和 3d 抗壓強(qiáng)度有較大幅度的下降，但 7d 和 28d抗壓強(qiáng)度的下降幅度不大。盡管粉煤灰與偏高嶺土的SiO2/Al2O3摩爾比接近，但兩者的反應(yīng)活性相差較大，偏高嶺土中的 Si-O 和 Al-O 發(fā)生斷裂—重組反應(yīng)，最終水化產(chǎn)物以離子鍵和共價(jià)鍵為主，其結(jié)構(gòu)類似于陶瓷材料，因此表現(xiàn)出良好的早期活性，而粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)的速度較慢，因此早期強(qiáng)度有著明顯的下降。粉煤灰還具有良好的微集料效應(yīng)，可優(yōu)化材料體系的顆粒級(jí)配，當(dāng)粉煤灰用量較多時(shí)，微集料效應(yīng)弱化，水化活性不足，因此，當(dāng)粉煤灰取代率超過(guò) 30% 時(shí)，地聚合物的 28d 強(qiáng)度亦明顯下降?？紤]到粉煤灰與偏高嶺土的價(jià)格差異，在地聚合物中，粉煤灰與偏高嶺土的質(zhì)量比為3:7 較為合適。

2.2 氫氧化鈉的用量對(duì)地聚合物性能的影響

基于粉煤灰和偏高嶺土的性能價(jià)格對(duì)比，選定地聚合物中粉煤灰與偏高嶺土的質(zhì)量比為 3:7，當(dāng)水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質(zhì)量的 0.62% 時(shí)，即可保證混合物的 SiO2/Al2O3摩爾比為 4。固定水玻璃堿渣的用量，調(diào)整氫氧化鈉的用量（外摻，占混合物質(zhì)量的 1.4%～5.7%），改變混合物中 Na2O/Al2O3的摩爾比（波動(dòng)范圍為 0.1～0.4），測(cè)試地聚合物凈漿的力學(xué)性能（見表3 和圖3）。為保證地聚合物的工作性能，固定水灰比為 0.4。

表3 氫氧化鈉用量對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 氫氧化鈉用量對(duì)地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明，地聚合物的抗壓強(qiáng)度隨著氫氧化鈉的用量先提高后降低，在氫氧化鈉用量占混合物質(zhì)量的4%時(shí)達(dá)到峰值（此時(shí) Na2O/Al2O3的摩爾比接近 0.3），這說(shuō)明適量的堿是地聚合物產(chǎn)生良好力學(xué)性能的前提，堿量過(guò)低，Al、Si 溶出率低，聚合反應(yīng)的產(chǎn)物減少；堿量過(guò)高，多余的 Na2SiO3作為無(wú)定形的硅酸析出，影響地聚合物的穩(wěn)定性，對(duì)地聚合物的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。在將水玻璃堿渣應(yīng)用于地聚合物的制備過(guò)程中，氫氧化鈉的用量為地聚合物質(zhì)量的 4% 為宜。

2.3 水灰比對(duì)地聚合物性能的影響

至今為止，由于尚未發(fā)現(xiàn)可以有效調(diào)節(jié)地聚合物拌合物工作性能的減水劑，地聚合物拌合物的工作性能主要依賴于用水量的調(diào)節(jié)，水灰比已成為權(quán)衡工作性能與力學(xué)性能的關(guān)鍵點(diǎn)，此次試驗(yàn)中，選定地聚合物中粉煤灰與偏高嶺土的質(zhì)量比為 3:7，水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質(zhì)量的 0.62%，氫氧化鈉用量占混合物質(zhì)量的 4%，水灰比調(diào)節(jié)范圍為 0.3～0.5，測(cè)試水灰比對(duì)地聚合物力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表4 和圖4。

表4 水灰比對(duì)地聚合物力學(xué)性能的影響

圖4 水灰比對(duì)地聚合物力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水灰比的增大，地聚合物的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)水灰比低于 0.4 時(shí)，地聚合物抗壓強(qiáng)度的下降幅度相對(duì)較小，當(dāng)水灰比大于 0.4 時(shí)，地聚合物抗壓強(qiáng)度的下降幅度明顯增大。由于過(guò)小的水灰比影響地聚合物的工作性能，水灰比低于 0.3 時(shí)，地聚合物的成型都較為困難。水灰比增大時(shí)，顆粒之間的聚合作用下降，地聚合物拌合物的孔隙率增加，這些都導(dǎo)致地聚合物的力學(xué)性能下降。權(quán)衡工作性能與力學(xué)性能之間的關(guān)系，地聚合物的水灰比為 0.4 較為適宜。在此水灰比下，地聚合物有著良好的工作性能，且有著相對(duì)較高的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）水玻璃堿渣中含有晶態(tài)二氧化硅和硅酸鈉水合物，可用作硅質(zhì)調(diào)節(jié)材料，提高地聚合物中 SiO2/Al2O3的摩爾比，為批量處置水玻璃堿渣提供了一個(gè)有效的可行途徑。

（2）粉煤灰與偏高嶺土的質(zhì)量比為 3:7，水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質(zhì)量的 0.62%，氫氧化鈉用量占混合物質(zhì)量的 4%，水灰比為 0.4，可制備出力學(xué)性能優(yōu)良的地聚合物。