激發劑模數及活性對偏高嶺土基地聚物強度的影響研究*

陳治坤，崔潮，趙建偉，肖斌，彭暉，2

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.長沙理工大學橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，湖南長沙 410004）

激發劑模數及活性對偏高嶺土基地聚物強度的影響研究*

陳治坤1，崔潮1，趙建偉1，肖斌1，彭暉1，2

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.長沙理工大學橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，湖南長沙 410004）

地聚物的強度是由激發劑外部影響因素及其原料內在礦物組成共同作用的結果。文中采用煅燒后的6種偏高嶺土及4種不同激發劑模數水平制備地聚物，分別研究激發劑模數及偏高嶺土活性對地聚物強度的影響，并建立強度與激發劑模數及偏高嶺土活性的相關性數學模型。結果表明，激發劑模數增大，同類型地聚物強度降低；激發劑模數相同的條件下，偏高嶺土活性增大，地聚物強度提高。

公路；地聚物；激發劑模數；偏高嶺土活性；抗壓強度

地聚物是指含大量活性氧化鋁和氧化硅的天然礦物在激發劑作用下發生地質聚合反應所生成的硬質高強的聚合物。地質聚合物最早是由偏高嶺土和堿性激發劑為主要原料，在溫度環境為20～120℃的條件下硬化成型，經過一系列復雜的物理化學反應所生成的與陶瓷性能類似的新型材料，其擁有和普通水泥共同的性質，也擁有比普通水泥更加優異的性能，在未來有可能在公路及橋梁建設中部分取代水泥，是一種綠色環保的膠凝材料。

現有研究表明，地聚物力學性能的差異主要是由激發外部因素及其內在活性因素共同作用的結果。在地質聚合反應過程中，不同的激發劑模數會對地聚物的物相組成和微觀結構等產生較大影響，進而使地聚物的力學性能表現出較大差異。Gao Kang、Lyu Syuan-Jhih等認為激發劑濃度及激發劑模數（SiO2／Na2O）是地聚物性能的關鍵影響因素。Gao Kang等通過試驗發現，提高激發劑濃度會使偏高嶺土基地聚物的凝結時間延長，但孔隙率會相應降低；Lyu Syuan-Jhih等認為地聚物的強度會隨著改性水玻璃模數的減小而持續增大。上述學者對于激發劑模數對地聚物力學性能影響的研究結論并不統一，關鍵在于硅鋁酸鹽礦物本身的來源不同導致地聚物在相同激發劑條件下也表現出較大差異。而硅鋁酸鹽自身的活性即Al2O3的百分含量是影響其強度的最重要因素，因而尋求不同硅鋁酸鹽礦物自身的差異與固化溫度之間的關系，并找到通用的關聯模型尤為重要。

針對現有研究的不足，為了保證內部其他因素不為變量，該文以2種高嶺土煅燒后得到的6種偏高嶺土為原料，采用4種不同激發劑模數水平制備地聚物，通過抗壓強度測試分別研究激發劑模數及偏高嶺土活性對地聚物強度的影響，并建立強度與激發劑模數及偏高嶺土活性間的數學模型用于地聚物強度快速定量判斷。

1 試驗方案

1.1 試驗原料

原狀高嶺土并不能被強堿性激發劑激發而發生地質聚合反應，但經過適當高溫煅燒后的高嶺土可打破其層間結構而具備火山灰活性，能被強堿性激發劑激發而制備出地質聚合物。因此，將Shan Xi和Devolite兩種高嶺土分別置于馬弗爐中，分別在600、700、800℃條件下煅燒12 h，得到Shan Xi-600、Shan Xi-700、Shan Xi-800和Devolite-600、Devolite-700、Devolite-800 6種偏高嶺土。其中Shan Xi高嶺土產自山西省大同市，Devolite高嶺土由法國Imerys公司提供。采用X衍射光譜儀（XRF）分析確定偏高嶺土的礦物組成，結果見表1。

強堿性激發劑由水玻璃（模數M=3.0）、工業片狀氫氧化鈉（純度98%）及去離子水組成。

表1 偏高嶺土的礦物組成

1.2 偏高嶺土活性測定方法

采用日本理學株式會社D／MAX2550VB+對6種偏高嶺土分別進行掃描，掃描范圍為5°～95°，轟擊金屬Cu靶，結果見圖1。由圖1可看出偏高嶺土含有大量極具活性的無定型物質。

圖1 不同偏高嶺土的XRD圖

采用文獻［11］中的“滴定絡合法”對6種偏高嶺土進行活性分析，按式（1）計算其Al2O3溶出率，結果見表1。試驗證明，偏高嶺土的活性與其所合成地聚物的力學性能有較高的吻合性，但僅適于定性表征，不適于定量分析。

式中：W1為偏高嶺土Al2O3溶出率；V0為空白試驗消耗的氯化鋅標準滴定溶液的體積（m L）；V為測定試樣消耗的氯化鋅標準滴定溶液的體積（m L）；c為氯化鋅標準滴定溶液的實際濃度（mol／L）；M為氧化鋁的摩爾質量數值（g／mol），M=101.96 g／mol；m為材料的質量（g）。

1.3 地聚物的制備及強度測試方法

試驗原材料所采用的水玻璃模數M=3.0，根據式（2）加入固體氫氧化鈉，將水玻璃模數調整為M =1.2、1.4、1.6、1.8，并攪拌后完成水玻璃的改性。然后以改性水玻璃濃度C=70%與去離子水混合，制備成強堿性激發劑。

式中：m為每克水玻璃需加入的氫氧化鈉的質量（g）；M為硅酸鈉出廠時的模數；Ma為改性后的水玻璃模數。

將偏高嶺土與強堿性激發劑以最佳固液比充分混合，使合成的地聚物漿體具有一定流動性以滿足澆筑需要，然后緩慢注入到r=25 mm、h=50 mm的圓柱形模具中，在振動臺上振動3 min后成型。在40℃固化溫度條件下固化12 h，拆模后在常溫下養護7 d，利用CMT-5105萬能試驗機測定其抗壓強度（見圖2），結果見表2。

圖2 地聚物抗壓強度測試

2 試驗結果分析

2.1 激發劑模數對地聚物強度的影響規律

如圖3所示，地聚物強度隨激發劑模數的增大而降低。水玻璃本身是由不同聚合度的氧化硅和氧化鈉所組成，水玻璃的模數即SiO2／Na2O是反映水玻璃性能的重要參數，在地質聚合反應過程中，水玻璃模數起著生成前驅體及縮聚形成最終產物的重要作用。激發劑模數增大，則NaOH含量減少，過少的NaOH無法提供足夠的強堿性環境，偏高嶺土中的Si-O、Al-O鍵很難斷裂，溶解產物較少。少量的溶解產物形成帶有羥基的膠凝體后也很難發生縮聚反應，生成高強度的N-A-S-H大分子聚合結構較少，故試件強度較低。隨著氫氧化鈉加入量的增大，水玻璃模數降低，粘結性能下降，但此時的地質聚合物強度并不依靠于硅酸鈉的粘結性能，而是依靠其強堿性環境實現偏高嶺土共價鍵的斷裂和重組，堿性濃度越高，組成的地質聚合物的有序程度越好，強度也就越高。

表2 激發劑模數對偏高嶺土力學性能的影響

圖3 激發劑模數對地聚物強度的影響

2.2 偏高嶺土活性對地聚物強度的影響規律

如圖4所示，在相同激發劑模數條件下，地聚物強度隨著偏高嶺土活性的增加而增大。高嶺土是由范德華鍵緊密結合在一起的層狀結構礦物，高溫煅燒會破壞其結晶狀態，改變層狀結構，形成層間錯位的偏高嶺土。高嶺土經過煅燒后，原子排列不規則，變成了具有高活性的無定形的物質，成為一種結晶度很差的過渡相。煅燒過程中偏高嶺土Al的配位數發生巨大變化，煅燒前的高嶺土中只存在高度有序、單一、且活性很低的六配位的鋁，隨著煅燒溫度的升高，鋁在羥基脫去后變成五配位的鋁氧結構。五配位的Al具有很高的活性，有且僅有五配位的Al可參與到地質聚合反應中，偏高嶺土的活性即活性Al的百分含量。因此，偏高嶺土的活性越高，參與到地質聚合反應中的Al越多，生成物含量增加，強度增大。

圖4 偏高嶺土活性對地聚物強度的影響

2.3 地聚物強度與激發劑模數及偏高嶺土活性間的數學模型

如圖5所示，地聚物強度與激發劑模數和偏高嶺土活性均呈線性關系，可采用一次多項式進行擬合，得到地聚物強度z與激發劑模數X及偏高嶺土活性Y的相關性模型為：

式中：p00=74.3；p10=-58.05；p01=0.485 4。

根據該數學模型，激發劑模數和偏高嶺土活性對地聚物強度的組合影響效果與其單獨作用影響效果之和基本相同。該模型的相關性較高，可用于地聚物強度預測。

圖5 地聚物強度與激發劑模數及偏高嶺土活性的關系

3 結論

（1）地聚物的力學性能受激發劑模數和偏高嶺土活性的顯著影響，其抗壓強度隨激發劑模數的增大而降低，隨偏高嶺土活性的增加而提高。

（2）激發劑模數和偏高嶺土活性對地聚物力學性能的影響耦合效應不明顯，兩因素共同作用的影響效果與單個因素單獨作用的影響效果之和基本相當。

（3）基于試驗結果擬合得到地聚物強度z與激發劑模數X及活性Y的相關性模型為Z=74.3-58.05X+0.485 4Y，該模型可為進一步的研究和地聚物強度定制提供基礎。

［1］ J Davidovits.Early high-strength mineralpolymer［P］.美國專利，US4509985，1985-04-09.

［2］ 馬鴻文，楊靜，任玉峰，等.礦物聚合材料研究現狀與發展前景［J］.地學前緣，2002，9（4）.

［3］ J Davidovits.Geopolymers：inorganic polymeric new materials［J］.Journal of Thermal Analysis，1991，37（8）.

［4］ Alonso A Palomo.Alkaline activation of metakaolin and calcium hydroxide mixtures：influence of temperature，activator concentration and solids ratio［J］.Materials Letters，2011，47（1-2）.

［5］ TWCheng，J P Chiu.Fire-resistant geopolymer produced by granulated blast furnace slag［J］.Minerals Engineering，2003，16（3）.

［6］ Gao Kang，Lin Kae-Long，Wang De-Ying，et al.Effect SiO2／Na2Omolar ratio on mechanical properties and themicrostructureofnano-SiO2metakaolin-based geopolymers［J］.Construction and Building Materials，2014，53.

［7］ Lyu Syuan-Jhih，Wang Tai-Tien.Main factors affecting mechanical characteristics of geopolymer revealed by experimental design and associated statistical analysis［J］.Construction and Building Materials，2013，43.

［8］ 欒進華，汪洋，王偉，等.偏高嶺土活性快速測試方法研究［J］.礦業工程，2011，9（4）.

［9］ 郭文瑛，吳國林，文梓蕓，等.偏高嶺土活性評價方法的研究［J］.武漢理工大學學報，2006，28（3）.

［10］ 鄭娟榮，周同和，陳曉堂.地質聚合物合成中偏高嶺土活性的快速檢測方法研究［J］.硅酸鹽通報，2007，26（5）.

［11］ 彭暉，崔潮，蔡春聲.偏高嶺土活性的煅燒溫度影響及測定方法研究［J］.硅酸鹽通報，2014，33（8）.

［12］ 崔潮.偏高嶺土基地質聚合物的研發與應用［D］.長沙：長沙理工大學，2014.

［13］ 崔潮，彭暉，蔡春聲，等.固化溫度對地聚物力學性能影響機理研究［A］.第25屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅲ冊）［C］.2016.

［14］ 薛彩紅，聶金合，高莉，等.水玻璃對偏高嶺土基地質聚合物材料性能的影響［J］.非金屬礦，2015（5）.

U416.1

A

1671-2668（2016）06-0076-04

2016-06-01

國家自然科學基金資助項目（51578078）；長沙市科技計劃項目（K1508020-31）；長沙理工大學土木工程優勢特色重點學科創新性項目（16ZDXK10）