玻璃微粉改性偏高嶺土地聚物的力學性能改善研究

劉博文 夏志浩

摘要：為探究廢棄玻璃材料在偏高嶺土地聚物中的潛在應用價值，本文將廢棄玻璃瓶磨粉后加入偏高嶺土地聚物中，進行了玻璃粉對地聚物的宏觀力學性能測試。首先通過正交設計方法確認了最佳的堿激發劑模數、固含量、玻璃粉摻量、水灰比和養護方式組合，針對玻璃粉的加入會一定程度上劣化偏高嶺土地聚物的強度問題，采用抽真空和添加混雜纖維的方式進行了玻璃微粉改性偏高嶺土地聚物的力學性能改善研究。結果表明，抽真空可以明顯改善地聚物的抗折強度和抗壓強度，添加纖維能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折強度，并改善地聚物的斷裂韌性。

Abstract： In order to investigate the application potential of waste glass in Metakaolin geopolymer （MGP）， the powder milled from waste glass bottles was added to Metakaolin geopolymer to explorer the macroscopic modification mechanism. The orthogonal design method was first used to determine the best parameter combination for waste glass powder modified Metakaolin geopolymer （WMGP）， such as the alkali module and solid content， dosage of waste glass powder， water-solid ratio and curing method. For the strength deterioration as the WG mixed into the MGP， vacuuming operation and the hybrid fiber were introduced to improve the mechanical properties of WMGP. The results show that the vacuum can significantly improve the flexural strength and compressive strength of the geopolymer. Adding fiber can provide the best glass powder modified geopolymer flexural strength and improve the fracture toughness of the geopolymer.

關鍵詞：地質聚合物;偏高嶺土;玻璃微粉;真空;纖維

Key words： geopolymer;metakaolin;glass fine powder;vacuum;fiber

中圖分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0256-03

1? 概述

偏高嶺土地聚物（MGP）是一種新型綠色可持續膠凝材料，相較于水泥，它具有抗腐蝕性好、收縮率小和碳排放低等優點[1]。堿激發條件下硅氧四面體和鋁氧四面體構成的空間網狀結構，賦予了地聚物較好的強度穩定性和重金屬固化效果[2]。由于其獨特的優點，近年來成為了很多國內外專家學者的研究熱點。

固體廢棄物的大量累積會破壞生態環境且造成資源浪費。在地聚物中消耗固體廢棄物一般的目的是為提高材料性能或增加環保效益，比如在地聚物中添加鋼渣增加化學反應速率[1]，添加粉煤灰控制化學反應水化熱[3]，添加玻璃粉緩解環境破壞。據統計，每年我國將近產生5000萬噸廢棄玻璃，廢玻璃回收率僅為13%，遠低于50%的世界平均水平。這些玻璃隨意丟棄后極難降解，容易對人畜造成傷害。目前較多將其作為礦物摻合料用于混凝土中，討論其粒徑、摻量等對混凝土施工和易性及力學性能的影響[4-5]。

同時，也有部分研究人員進行了玻璃粉改性地聚物特性研究[6]，討論了玻璃微粉改性地聚物的工藝參數，但尚未討論玻璃微粉改性地聚物強度的改善研究。本文首先通過正交試驗確立了最佳的玻璃粉摻量及養護成型方式，針對玻璃粉的加入一定程度上對地聚物強度造成的損失，采用抽真空和摻加混雜纖維的物理手段，對玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的力學性能提升進行了研究。

2? 原材料及工藝參數

2.1 原材料

偏高嶺土為鞏義市辰義耐材磨料有限公司生產，細度為1250目，活性指數≥110。玻璃微粉由廢棄啤酒瓶破碎之后在洛杉磯磨耗儀中粉磨過0.075mm方孔集料篩得到。試驗所采用的水玻璃由山東臨沂綠森化工生產，其結構式為Na2O·mSiO2，水玻璃為透明液體模數為3.3，固含量為34%。以此水玻璃為原料，通過添加不同量的氫氧化鈉分析純以得到所需的不同模數的水玻璃。

本試驗所采用的纖維為玻璃纖維和礦物纖維。本實驗采用耐堿玻璃纖維，長度6mm。礦物纖維是采用特選的玄武巖等礦石為原料，在1500℃高溫熔融、提煉抽絲并經特殊的表面處理而成，耐高溫且外表平滑完整，見圖1。

2.2 工藝參數

稱取適量的偏高嶺土和玻璃微粉混合均勻，加入配制好的堿性激發劑溶液，拌合均勻后，將膠體注入40mm×40mm×160mm三聯模具中，在水泥膠砂振實臺上成型試件。本試驗采用L18（37）正交表，挑選出的主要因素為玻璃微粉摻量、固含量、水玻璃模數、水灰比、養護溫度和養護條件，每個因素各取3個水平，如表1所示。表1中保鮮膜代表使用保鮮膜對脫模試件進行包裹密封。

三天后采用水泥膠砂抗折抗壓試驗機測定試件抗折和抗壓強度，加載速率設定為抗壓2.4kN/s，抗折是50N/s。得出玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的最佳抗折強度為6.8MPa，最佳抗壓強度為54.3MPa，對應最佳配比為：玻璃微粉摻量10%，水玻璃模數1.4，水玻璃固含量38%，水灰比0.6，養護溫度20℃，養護條件為濕養。相比同等養護條件，不摻玻璃粉的偏高嶺土地聚物的抗壓強度約為56.6MPa，抗折強度約為7.1MPa。因此，玻璃粉的加入會略微降低地聚物強度，抗壓強度和抗壓強度分別降低了約4.22%和4.06%。但總體上，玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的強度尚佳，擁有較好的潛在應用價值。

3? 力學改善效果分析

3.1 抽真空

在玻璃粉地聚物膠體攪拌均勻后，采用3.7kPa大氣壓力對膠體抽真空操作10分鐘，然后安全前述條件濕養3天，測試玻璃粉改性地聚物抗折抗壓強度，結果如圖2，其中Pure MGP代表不抽真空成型的純地聚物，WMGP_B代表不抽真空成型的玻璃粉改性地聚物，WMGP_A代表抽真空成型的玻璃粉改性地聚物。

從圖2可以看出，抽真空后玻璃粉改性地聚物的抗壓和抗折強度分別為59.6MPa和7.4MPa，較未抽真空的提升9.8%和8.8%。表明通過抽真空，可以大幅改善玻璃改性地聚物的抗折和抗壓強度。

選取抽真空前后地聚物抗折試驗后斷面，如圖3所示。可以看出，未抽真空的玻璃粉改性地聚物斷裂面上具有明顯的肉眼可見空洞;而抽真空后地聚物斷裂面表面基本沒有肉眼可見空洞。

采用掃描電鏡SEM進行抽真空前后玻璃粉改性地聚物微觀結構測試（圖4）。由圖4（a）可知，當地聚物未抽真空時，結構較疏散，表面凸凹明顯，有大量孔洞且在試樣表面有明顯裂紋。從圖4（b）可以看出，抽真空后的地聚物樣品表面孔洞明顯減少，樣品沒有明顯裂紋，結構更加密實。表明抽真空對與地聚物內部結構有明顯改善效果，這與強度測試結果比較吻合。

3.2 復摻纖維

為進一步提升玻璃粉改性地聚物的力學性能，摻入干粉質量3‰的混雜纖維（玻璃纖維+礦物纖維）。100份的混雜纖維中，玻璃纖維與礦物纖維的比例分別為100：0，75：25，50：50，25：75和0：100。10%玻璃摻量地聚物振動成型后，纖維構成對地聚物三天強度影響如圖4所示。

由圖5可知，從100%玻璃纖維組成到100%礦物纖維組成變化過程中，改性地聚物抗壓強度均值整體上遞減趨勢很緩;但若考慮強度變異性，則可以認為混雜纖維組成比例變化對玻璃粉改性地聚物的抗壓強度幾無影響。但是混雜纖維組成對改性地聚物的抗折強度有明顯影響：混雜纖維組成為75%玻璃纖維+25%礦物纖維時，所得到的玻璃粉改性地聚物抗折強度最高7.7MPa，此時100%礦物纖維的玻璃粉改性地聚物抗折強度最低6.3MPa，二者相差約20%。玻璃粉改性地聚物力學性能在摻加最優組成混雜纖維（75%玻璃纖維+25%礦物纖維）前后，抗折強度提高了約13.2%。從試件加載至斷裂過程中發現，摻加纖維后改性地聚物破壞時間有明顯延長，且斷裂不似未摻加纖維時的直接脆斷。

為研究纖維對改性地聚物的斷裂韌性，采用UTM-30試驗機進行地聚物時間的跨中單點加載試驗，加載方式為0.2mm/min。對常規成型玻璃粉改性地聚物（WMGP_N）、抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_V）和摻加3‰混雜纖維（75%玻璃纖維+25%礦物纖維）的抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_VF）三種地聚物7天試件進行斷裂韌性測試，得到的加載力-跨中撓度如圖6所示。

由圖6可見，未抽真空的玻璃粉改性地聚物相對其他兩種抽真空玻璃粉改性地聚物，荷載-撓度曲線斜率要更為緩和一些，結合前述抽真空后地聚物中孔洞大幅減少的現象，說明孔洞的存在是可以讓地聚物擁有更好的結構柔度。兩種抽真空地聚物的荷載-撓度曲線斜率接近，說明纖維的加入對地聚物抗彎剛度改善不明顯。未摻加纖維時，抽真空地聚物相較不抽真空地聚物，結構更密實，表現為破壞強度大而破壞撓度小;摻加纖維后，抽真空地聚物的抗彎剛度略微下降但破壞荷載和破壞撓度均有所增加，且斷裂后不像未摻纖維的地聚物荷載突變為零。圖6表明抽真空能增加玻璃粉改性地聚物的密實度，提高材料抗彎剛度和破壞強度，但也會增加材料的脆性，降低玻璃粉改性地聚物的破壞撓度。添加混雜纖維能同時增加破壞荷載和破壞撓度，改善材料韌性。

4? 結論

本文首先通過正交試驗確立了最佳的玻璃粉摻量及養護成型方式，并證實了廢棄玻璃粉在偏高嶺土地聚物中的可行性。然后，通過抽真空和添加混雜纖維兩種物理方式進行了玻璃粉改性地聚物的力學性能研究，得到的結論如下：

①最佳玻璃粉摻量為10%，但玻璃粉的摻加會略微降低偏高嶺土地聚物的強度。在最佳玻璃粉摻量和養護條件下，玻璃粉改性地聚物強度較純偏高嶺土地聚物強度下降約4%。但總體上，玻璃粉改性地聚物強度尚佳。

②抽真空成型能大幅降低地聚物空間孔洞，提升地聚物抗折斷裂強度，但會降低斷裂撓度。

③75%玻璃纖維：25%礦物纖維的混雜纖維比例能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折強度，摻加纖維較抽真空能更好地改善玻璃粉改性地聚物的斷裂韌性。

參考文獻：

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