堿激發劑對地聚合物抗壓強度的影響分析

李克亮 杜曉蒙 陶業成

華北水利水電大學（450045）

堿激發劑對地聚合物抗壓強度的影響分析

李克亮 杜曉蒙 陶業成

華北水利水電大學（450045）

使用粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、NaOH、水玻璃和水制備地聚合物，研究Na2O用量和水玻璃模數對地聚合物抗壓強度的影響規律，從而提高地聚合物抗壓強度。

地聚合物；堿激發劑；抗壓強度

硅酸鹽水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但是硅酸鹽水泥本身也存在不足，能源與資源消耗大，在熟料煅燒過程中，因石灰石分解和燃料燃燒釋放出大量有害氣體，導致嚴重環境污染[1].與硅酸鹽水泥相比，地聚合物強度高，干縮小，具有獨特的抗火、耐高溫、抗酸侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等性能，且能耗小，污染物排放量低[2]。堿激發劑對地聚合物性能有重要影響，本文通過試驗分析堿激發劑濃度和水玻璃的模數對地聚合物抗壓強度的影響。

1 地聚合物原材料與配合比

1.1 原材料

1）粉煤灰

粉煤灰是從煤粉爐煙道中收集的粉塵，化學成分以SiO2和Al2O3為主，通常含有60%～90%的玻璃體。本試驗用于制備地聚合物的粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，其化學成分見表1，其中，SiO2和Al2O3兩者總量達到82.02%。

表1 粉煤灰化學組成（%）

2）粒化高爐礦渣粉

高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣，是一種具有玻璃體結構的硅鋁質材料，具有很高的潛在活性。本試驗用于制備地聚合物的粒化高爐礦渣粉為S95級礦渣粉，其化學成分見表2。

表2 粒化高爐礦渣粉化學成分（%）

3）堿激發劑

地聚合物中使用堿激發劑的主要作用是使鋁硅質材料玻璃體網絡結構發生解體、縮聚，最終形成地聚合物結構。地聚合物的堿激發劑主要是苛性堿[3]和堿金屬硅酸鹽。本項目使用的苛性堿為NaOH。堿金屬硅酸鹽為水玻璃，與苛性堿配合使用。本試驗中使用的水玻璃的模數為2.8，固含量50.5%。

1.2 配合比

本試驗使用粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、NaOH、水玻璃和水制備地聚合物，配合比見表3。其中，礦渣與粉煤灰質量比為1∶1,水與礦渣、粉煤灰質量和的比為0.29,此處水包含了水玻璃中所含有的水。堿激發劑中Na2O用量（占礦渣與粉煤灰質量和的百分數）取5%、7%以及10%，在每種Na2O用量下，改變NaOH與水玻璃的比例，分別為5∶5，4∶6和3∶7，調整水玻璃模數為1.4、1.68和1.96。

表3 地聚合物配合比

2 地聚合物抗壓強度影響因素

2.1 水玻璃模數對地聚合物抗壓強度的影響

Na2O在一定用量（分別為5%、7%、10%）下，水玻璃模數為1.4、1.68和1.96時，地聚合物3 d、7 d和28 d的抗壓強度試驗結果見表4。圖1、圖2和圖3分別為Na2O用量分別為5%、7%、10%時，不同水玻璃模數下地聚合物的抗壓強度。

由表4、圖1、圖2和圖3可知,隨著齡期增長,地聚合物抗壓強度均有較大幅度增長。在Na2O用量為5%時，水玻璃模數從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強度從76.9 MPa降低至52.4 MPa。在Na2O用量為7%時，水玻璃模數從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強度則從76.3 MPa降低至49.5 MPa。在Na2O用量為10%時，水玻璃模數從1.4增加為1.96，地聚合物28 d抗壓強度則從70.2 MPa降低至34.8 MPa。試驗結果表明：在Na2O用量不變的情況下，地聚合物的強度隨著水玻璃模數的減小而增加。

表4 地聚合物抗壓強度

圖1 Na2O用量為5%時不同水玻璃模數下地聚合物的抗壓強度

圖2 Na2O用量為7%時不同水玻璃模數下地聚合物的抗壓強度

圖3 Na2O用量為10%時不同水玻璃模數下地聚合物的抗壓強度

鋁硅質材料中的鋁硅玻璃相在激發劑的作用下發生解聚作用形成低聚的SiO4和AlO4[4]。隨后低聚態的SiO4和AlO4產生縮聚作用形成膠體。因此，礦物聚合物強度的大小主要取決于膠體相的形成量。對水玻璃的研究表明，水玻璃的模數對其中硅氧四面體的結構有較大影響。在水玻璃中，存在著多種聚合度的硅氧四面體基團，且隨著水玻璃溶液中SiO2濃度的降低，即隨著模數的降低，溶液中低聚（如單聚、雙聚、三聚）硅氧四面體的含量增加，高聚硅氧四面體的含量減少。當模數小于1.6時，水玻璃溶液中開始出現單聚結構的基團，其比例隨著模數的減少而增加。研究表明，水玻璃的模數降低，低聚合度硅氧四面體的含量增加，促進了鋁硅玻璃相的解聚及膠體沉淀相的形成，從而提高了地聚合物強度。

2.2 Na2O用量對地聚合物抗壓強度的影響

在水玻璃同一模數（分別為1.4、1.68和1.96）下改變Na2O的用量為5%、7%以及10%，比較水玻璃同一模數下不同Na2O用量對地聚合物抗壓強度的影響，試驗結果見表4。圖4、圖5和圖6為水玻璃模數分別為1.4、1.68、1.96時，不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強度。

圖4 模數為1.4時不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強度

圖5 模數為1.68時不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強度

圖6 模數為1.96時不同Na2O用量下地聚合物的抗壓強度

由圖4、圖5和圖6可知，在水玻璃模數為1.4的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時，地聚合物28 d抗壓強度是3 d抗壓強度的2.33倍、2.15倍和2.62倍。在水玻璃模數為1.68的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時,地聚合物28 d抗壓強度是3 d抗壓強度的1.89倍、1.68倍和2.06倍。在水玻璃模數為1.96的情況下，Na2O用量為5%、7%和10%時，地聚合物28 d抗壓強度是3 d抗壓強度的2.15倍、2.01倍和1.82倍。試驗結果說明：在水玻璃模數較低的情況下,在Na2O用量比較大時具有較大的強度增進率；在水玻璃模數較高的情況下，在Na2O用量比較低時具有較大的強度增進率。

3 結論

Na2O用量不變時，地聚合物的抗壓強度隨著水玻璃模數的減小而增加。

水玻璃模數較低時，Na2O用量大，則地聚合物強度增進率大；水玻璃模數較高時，Na2O用量低，則地聚合物強度增進率大。

水玻璃模數降低，低聚合度硅氧四面體的含量增加,促進了玻璃相的解聚和膠體沉淀相的形成，從而提高了地聚合物抗壓強度。

[1]袁鴻昌,江堯忠.地聚合物材料的發展及其在我國的應用前景[J].硅酸鹽通報,1998,23(2)：46-51.

[2]徐建忠,唐肖然.用粉煤灰和制革廢水污泥等制備地聚合物材料[J].建筑材料學報,2007,10(1)：105-109.

[3]王聰.堿激發膠凝材料的性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

[4]鄭娟榮,覃維祖.地聚物材料的研究進展[J].新型建筑材料, 2002,23(4)：11-12.

項目資助：河南省科技攻關項目

項目編號：152102210118.