以不同等級粉煤灰為原料的粉煤灰地質聚合物的性能研究

2022-10-01 12:33:12薛耀東

工程與建設 2022年4期

薛耀東

(南京潤程交通科學研究院有限公司，江蘇南京 210000)

0 引言

20世紀 70 年代，一種新型的膠凝材料被Davidovits教授發現并命名為地質聚合物，地質聚合物是一種無機三維網狀膠凝體，其主要材料是高硅鋁質天然礦物、固體廢棄物和人工硅鋁化合物等，作用方式為聚合作用，從而形成無機高分子聚合物。地質聚合物具有優良的力學性能且低能耗、低污染、耐腐蝕、生產成本低、工藝簡單的優良特性，已在建筑、航空航天、快速修補、耐火隔熱及重金屬固化等領域取得了廣泛的應用。

堿激發地質聚合物多以富硅富鋁的硅鋁酸鹽為主，這些具有潛在水硬性活性物包括鋼渣礦渣、粉煤灰、硅灰及煤矸石等[1]，他們的礦物組成中的膠凝活性的硅酸鹽或鋁硅酸鹽有高的經濟價值。

其中粉煤灰是在燃煤發電廠產生的廢棄物，其排放量巨大，對環境造成了很大的破壞，若直接進行填埋，填埋堆放的地方需要很大，并且造成嚴重的資源浪費，因此，國內外很多研究學者高度關注粉煤灰的回收利用。因為粉煤灰的內部為無定型的硅鋁結構，可以通過堿性激發劑與之發生解聚反應，在適當的養護條件下可以生成無機膠凝材料，即地質聚合物。

對于堿激發地質聚合物的反應機制，楊南如等[2]進行了深入研究，認為粉煤灰組成中的玻璃體在堿性環境中發生了解聚，在OH-作用下，Si4+把O拉向周圍使得Si—O鍵斷裂。其他研究[3]表明反應環境的堿度對Si—O和Al—O鍵的斷裂起到重要作用，環境pH越高，反應程度就越劇烈。在堿激發地質聚合物的形成過程中，水化過程中需要活性反應物SiO2、Al2O3以及Ca2+的共同作用，形成提供早期強度的C—S—H和C—A—H等凝膠性產物。[4]

粉煤灰中可溶出的活性Si(OH)4和AL(OH)4含量決定了粉煤灰化學活性。由于粉煤灰粒子的玻璃相結構致密，使得活性物質很難溶出。物理上可以將粉煤灰磨細，提高其反應表面積，促進水化反應，也可采用NaOH、Na2SiO3等溶液作為激發劑，促使地質聚合反應。

本次研究的粉煤灰從細度上分為三個等級，Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰、Ⅲ級粉煤灰，Ⅰ級粉煤灰細度≤12.0%，Ⅱ級粉煤灰≤25.0%，Ⅲ級粉煤灰≤45.0%。粉煤灰細度的減小是需要通過球磨機來完成的，這導致它們之間價格會有比較大的差距，所以研究不同等級原材料的粉煤灰地質聚合物的制備也具有重要的經濟價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用水玻璃為購買自新疆某工業市場的工業級水玻璃(模數 2.31，固含量55%，波美度50，Na2O含量為12.8%，SiO2含量為9.2%，透明度0.8)，所用NaOH(分析純級)來自北京化工廠，所用砂為機制砂，水為試驗室自來水。粉煤灰的化學成分見表1。

表1 粉煤灰的化學成分含量

1.2 粉煤灰地質聚合物的制備

試驗事先配制好堿激發劑，堿激發劑用水、水玻璃與NaOH按一定比例配制而成。在拌和膠砂時，將堿激發劑倒入粉煤灰中，在攪拌90后，再將機制砂倒入，等充分攪拌完成后，迅速倒入模(40 mm×40 mm×160 mm)成型，將其放入標準養護室中養護0.5 d之后就可以拆模，之后還是放入養護室標準養護 3 d和7 d，用以測試3 d、7 d強度，抗折和抗壓強度的試驗參照新出的《水泥膠砂強度試驗方法》(GB/T 17671—2020)規范進行。

2 結果和討論

2.1 凝結時間和強度結果

以不同等級粉煤灰制備而成的粉煤灰地質聚合物的凝結時間、強度見表2，其中1.1～1.3表示Ⅰ級粉煤灰的三個試件，2.1～2.3表示Ⅱ級粉煤灰的三個試件，3.1～3.3表示Ⅲ級粉煤灰的三個試件。

表2 粉煤灰地質聚合物的凝結時間、強度

2.2 凝結時間和強度結果分析

以同一等級粉煤灰為原料得出的值的平均值作為代表值，根據表2試驗結果繪制出粉煤灰地質聚合物凝結時間圖、粉煤灰地質聚合物抗折強度圖以及粉煤灰地質聚合物抗壓強度圖，如圖1～圖3所示。

圖1 粉煤灰地質聚合物凝結時間圖

圖2 粉煤灰地質聚合物抗壓強度圖

由圖1可知，Ⅰ級粉煤灰的初、終凝時間最少，最短的時間為7 min、15 min，時間差僅為8 min，Ⅲ級粉煤灰的初、終凝時間最長，最長的時間為31 min、57 min，最短時間差為19 min。初凝時間與留給施工人員操作的時間相關，初凝時間過短，往往來不及完成抹平等工作，初凝時間過長，又會導致不能快速開放交通，失去改材料極大的優勢，得不償失。因此，選擇何種等級的粉煤灰需要根據實際情況考慮。

由圖2、圖3可知，粉煤灰地質聚合物的3 d、7 d抗壓強度、抗折強度均隨粉煤灰等級的增大而降低，即粉煤灰越細，抗壓、抗折強度越大。當粉煤灰等級由Ⅰ級逐漸增至Ⅲ級時，其對應粉煤灰地質聚合物的3 d抗壓強度由37.3 MPa逐漸下降至25.0 MPa，降低了33%；7d抗壓強度由46.8 MPa逐漸下降至 28.9 MPa，降低了38.4%；當粉煤灰等級由Ⅰ級逐漸增至Ⅱ級時，其對應粉煤灰地質聚合物的3 d抗壓強度由37.3 MPa逐漸下降至35.3 MPa，降低了5.4%；7 d抗壓強度由46.8 MPa逐漸下降至 42.2 MPa，降低了9.8%；相對于到Ⅲ級粉煤灰來說，從Ⅰ級逐漸增至Ⅱ級時，強度的降低明顯要更小。3 d抗折強度由4.7 MPa逐漸下降至2.8 MPa，降低了40%；7 d抗折強度由6.9 MPa逐漸下降至4.7 MPa，降低了31.9%。這說明地質聚合物中粉煤灰越細，反應會越充分，反應也會更迅速，體系更密實，因此會使抗壓、抗折強度增加。