陳金梅 高明 謝政專 黎碧云

摘要：文章探究了摻加普通硅酸鹽水泥對(duì)粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響。結(jié)果表明：（1）隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，地聚物砂漿擴(kuò)展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律，當(dāng)水泥摻量為2%和3%時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度相同，均為210 mm;（2）隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗折強(qiáng)度變大，地聚物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強(qiáng)度，為5.1 MPa，當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿28 d具有最大抗壓強(qiáng)度，為38.3 MPa;（3）綜合地聚物砂漿的擴(kuò)展度、3 d抗折和抗壓強(qiáng)度，水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;礦粉;地質(zhì)聚合物;水泥;擴(kuò)展度;強(qiáng)度

0 引言

水泥生產(chǎn)需要經(jīng)過(guò)“兩磨一燒”的工藝步驟，需要消耗天然資源，產(chǎn)生大量污染物，對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。地質(zhì)聚合物是由激發(fā)劑激發(fā)活性質(zhì)材料生成的膠結(jié)材料，其性能的影響因素很多，例如水玻璃模數(shù)、水膠比、Si/Al等[1-3]。原材料不同，制備出的地質(zhì)聚合物性能不同。研究表明，在體系中加入礦渣可以縮短凝結(jié)時(shí)間，提高強(qiáng)度[4-7]。尚建麗[8]以礦渣和粉煤灰為原料制備地質(zhì)聚合物，礦渣/粉煤灰比例分別為2、1和0.5，發(fā)現(xiàn)隨著礦渣摻量增大，地質(zhì)聚合物強(qiáng)度增加。賈屹海[9]研究粉煤灰/礦渣基地質(zhì)聚合物，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V渣/粉煤灰>1∶9時(shí)，地質(zhì)聚合物7 d強(qiáng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到80.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到103.1 MPa。但Nath[10]等研究發(fā)現(xiàn)礦渣只能在一定范圍內(nèi)增加地質(zhì)聚合物強(qiáng)度，當(dāng)?shù)V渣摻量超過(guò)膠凝材料總量的40%時(shí)，地質(zhì)聚合物強(qiáng)度反而下降。同時(shí)，礦渣的加入也會(huì)縮短地質(zhì)聚合物反應(yīng)的時(shí)間[11]。本文以水泥作為外摻劑，以粉煤灰和礦粉為膠凝材料，天然河砂為骨料，水泥分別占到膠材質(zhì)量的0、1%、2%、3%、4%，制備地質(zhì)聚合物，探究水泥對(duì)地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

采用華新水泥廠生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥，比表面積為4 320 cm2/g，物理性能見表1，化學(xué)成分見表2。普通Ⅱ級(jí)粉煤灰（Ⅱ FA）和礦渣（BFS）的化學(xué)組成見表2。

1.2 試驗(yàn)配比

本實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)A/BFS配比按照5∶5，模數(shù)統(tǒng)一為1.4，水膠比為0.5。具體配合比見表3。

1.3 試驗(yàn)方法

將粉煤灰、礦粉、砂子和水泥預(yù)先混合作為固體組分，硅酸鈉和NaOH溶液混合作為液體組分，NaOH溶液用于調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，將固體組分和液體組分混合攪拌90 s后，澆筑入模（4 cm×4 cm×16 cm）成型，在室溫下養(yǎng)護(hù)1 d后，拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至3 d測(cè)試強(qiáng)度，砂漿擴(kuò)展度和強(qiáng)度分別參照《水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)方法》（GB/T2419-2005）和《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T17671-1999）進(jìn)行。綜合考慮砂漿擴(kuò)展度和強(qiáng)度，選用較優(yōu)配比進(jìn)行微觀表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿擴(kuò)展度和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果繪制出不同水泥摻量下地聚物砂漿擴(kuò)展度、砂漿抗折強(qiáng)度以及砂漿抗壓強(qiáng)度，如圖1、圖2所示。

圖1是不同配合比砂漿的擴(kuò)展度圖。由圖可知，對(duì)于上述不同水泥摻量，地聚物砂漿擴(kuò)展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律。水泥摻量為0時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度最大，為220 mm;水泥摻量為2%時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度開始變小，為205 mm;水泥摻量為3%～4%時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度變大并且具有相同擴(kuò)展度，為215 mm;水泥摻量為4%時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度最小，為190 mm。綜上，水泥摻量在0～4%范圍時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度在190～220 mm范圍，最大擴(kuò)展度與最小擴(kuò)展度相差30 mm。

圖2為不同水泥摻量下地聚物砂漿的28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度圖。由圖2（a）可知，地聚物砂漿28 d抗折強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強(qiáng)度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。對(duì)于圖2（a），當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強(qiáng)度，為5.1 MPa;未摻水泥時(shí)，地聚物砂漿28 d抗折強(qiáng)度最小，為3.0 MPa。對(duì)于圖2（b），水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強(qiáng)度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時(shí)，地聚物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度最小為29.4 MPa，最大抗壓強(qiáng)度與最小抗壓強(qiáng)度兩者相差8.9 MPa。水泥摻量為4%時(shí)，地聚物28 d抗壓強(qiáng)度小于水泥摻量為3%時(shí)地聚物砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度。綜合地聚物砂漿的擴(kuò)展度、28 d抗折和抗壓強(qiáng)度，水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

2.2 配比4號(hào)地聚物砂漿的掃描電鏡圖分析及礦物分析

圖3為水泥摻量為3%時(shí)（配比4號(hào)）的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，樣品基體生成相比較明顯，整體結(jié)構(gòu)致密，說(shuō)明內(nèi)部有大量無(wú)定形地質(zhì)聚合物凝膠相生成，水泥的加入可以和礦渣同時(shí)為體系提供大量Ca2+，加速反應(yīng)的進(jìn)行，生成大量“C-S-H”以及“C-A-S-H”無(wú)定型凝膠產(chǎn)物，對(duì)整個(gè)體系強(qiáng)度也起到了增強(qiáng)作用[12-13]，同時(shí)基體中有少量裂縫出現(xiàn)，推測(cè)原因可能是摻加礦渣，前期水化熱變大，水化速率加快導(dǎo)致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

2.3 XRD

圖4為用X射線測(cè)定的水泥摻量為3%時(shí)（配比4號(hào)）的礦物分析圖。從圖中可以看出，其在20o～40o范圍有明顯的峰包出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”無(wú)定形凝膠產(chǎn)物生成，進(jìn)一步驗(yàn)證了掃描電鏡圖中觀察到大量無(wú)定形地質(zhì)聚合物凝膠相的現(xiàn)象。水泥和礦渣為整個(gè)體系提供了大量的Ca2+，還可看出有“C-S-H”凝膠產(chǎn)物和Ca（OH）2晶體的形成，“C-S-H”的形成能促進(jìn)體系中Si和Al的溶出，加速地聚反應(yīng)的進(jìn)行，生成大量的“N-A-S-H”，使基體結(jié)構(gòu)更致密[14]。Ca2+對(duì)地質(zhì)聚合物早期強(qiáng)度的提高起到了至關(guān)重要的作用。圖4中沸石相的出現(xiàn)可能是由“N-A-S-H”轉(zhuǎn)化生成。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）從砂漿擴(kuò)展度可以得出，隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿擴(kuò)展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律。水泥摻量在0～4%范圍時(shí)，地聚物砂漿擴(kuò)展度在190～220 mm范圍，最大擴(kuò)展度與最小擴(kuò)展度相差30 mm。

（2）從砂漿強(qiáng)度可以得出地聚物砂漿28 d抗折強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強(qiáng)度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強(qiáng)度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時(shí)，地聚物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度最小為29.4 MPa，最大抗壓強(qiáng)度與最小抗壓強(qiáng)度兩者相差8.9 MPa。綜合地聚物砂漿的擴(kuò)展度、3 d抗折和抗壓強(qiáng)度，水泥摻量為3%時(shí)，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

（3）通過(guò)X射線衍射圖譜和掃描電鏡觀察可得試塊基體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”凝膠生成，但同時(shí)出現(xiàn)了裂縫，推測(cè)原因可能是摻加礦渣，水化速率加快。同時(shí)水化熱變大導(dǎo)致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

參考文獻(xiàn)：

[1]Somna K，Jaturapitakkul C，Kajitvichyanukul P，et al. NaOH-activated ground fly ash geopolymer cured at ambient temperature[J]. Fuel，2011，90（6）：2 118-2 124.

[2]Sathonsaowaphak A，Chindaprasirt P，Pimraksa K. Workability and strength of lignite bottom ash geopolymer mortar[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，168（1）：44-50.

[3]王 峰，張耀君，宋 強(qiáng)，等.NaOH堿激發(fā)礦渣地質(zhì)聚合物的研究[C].第七屆中國(guó)粉煤灰礦渣（鋼渣）及煤矸石加工與應(yīng)用技術(shù)交流大會(huì)論文集，2009.

[4]李海宏，張耀君，李 輝，等.堿激發(fā)不同活性粉煤灰地質(zhì)聚合物的研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（3）：89-91.

[5]宋學(xué)鋒，朱娟娟，鄧倩倩.粉煤灰-礦渣基礦物聚物的強(qiáng)度影響因素及機(jī)理分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2016，（3）：943-947.

[6]鄧 新，徐 方，胡毓浩，等.粉煤灰基地聚合物砂漿組成設(shè)計(jì)與性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（20）：85-89

[7]Lee B，Kim G，Kim R，et al.Strength development properties of geopolymer paste and mortar with respect to amorphous Si/Al ratio of fly ash[J].Construction & Building Materials，2017，151：512-519.

[8]尚建麗，劉 琳.礦渣-粉煤灰地質(zhì)聚合物制備及力學(xué)性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2011，30（3）：741-744.

[9]賈屹海.Na-粉煤灰地質(zhì)聚合物制備與性能研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[10]Nath，S.K.，S.Kumar.Influence of iron making slags on strength and microstructure of fly ash geopolymer[J].Construction and Building Materials，2013（38）：924-930.

[11]Oh JE，Monteiro PJM，Jun SS，et al.The evolution of strength and crystalline phases for alkali-activated ground blast furnace slag and y ash-based geopolymers[J].Cement and Concrete Research，2011，40（2）：189-196.

[12]Puertas F，Palacios M，Manzano H，Dolado JS，et al.A model for the C-A-S-H gel formed in alkali-activated slag cements[J].Journal of the European Ceramic Society，2011，31（12）：2043-2056.

[13]Richardson IG，Brough AR，Groves GW，et al.The characterization ofhardened alkali-activated blast-furnace slag pastes and the nature of the calcium silicate hydrate（C-S-H）phase[J].Cement and Concrete Research，1994，24（5）：813-829.

[14]Brough AR，Atkinson A.Sodium silicate-based，alkali-activated slag mortars：Part I.Strength，hydration and microstructure[J].Cement and Concrete Research，2002，32（6）：865-879.