礦渣和CaCl2對偏高嶺土地聚合物的力學性能影響

劉天授，張曉飛，楊 浩，沈麗瑩

（1.中聯煤層氣有限責任公司，北京100011；2.中國地質大學<北京>，北京100083）

地聚合物最初是Joseph Davidovits[l]在1978年提出的，地質聚合物是以高硅鋁質含量高的天然礦石或工業廢棄物為原材料，通過堿性溶液激發而形成的新型無機聚合材料。地質聚合物與常規的硅酸鹽水泥比較具有原料價格低廉、生產工藝簡單、生產過程綠色無污染等特點。地聚合物本身的性能優良，在高溫環境中使用性能穩定、不怕腐蝕、耐久性強。地聚合物原料通過堿激發的作用，在常溫下即能形成一種以-Si-O-A1-O-為基本結構單元的三維網絡狀膠凝材料[2]。與傳統的硅酸鹽水泥相比，堿激發地聚合物材料具有強度高、低收縮、固化快、耐久性能好和綠色環保等優點[3-5]。

目前國內外研究較多的用來制備地聚合物材料的原料主要有偏高嶺土、高爐礦渣、鋼渣、粉煤灰等，本文主要研究偏高嶺土地聚合物。偏高嶺土是高嶺土高溫失水后的產物，富含硅鋁酸鹽，目前現有的大量實驗證明，單一的偏高嶺土地聚合物，固化太慢，不易形成早期強度，在應用方面受到一定的限制，為了解決這一問題，現分別在偏高嶺土中加入礦渣和CaCl2，通過實驗來探究礦渣和CaCl2對偏高嶺土地聚合物的激發作用，及對偏高嶺土地聚合物早期力學性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

原材料：偏高嶺土（metakaolin，簡稱MK）的原料是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O簡稱2AS2H2），將高嶺土在一定溫度下進行（600℃~900℃）煅燒，脫水后其層狀結構被破壞，但是成分幾乎不變，制成具有更高活性的偏高嶺土。偏高嶺土的熱力學狀態穩定，受堿性溶液激發可以生成凝膠材料。

本文實驗中使用的偏高嶺土是來源于河北省靈壽縣河北捷貴礦產品有限公司，偏高嶺土化學組成見表1。

表1 偏高嶺土的化學組成

礦渣：礦渣是煉鐵廠在高爐冶煉生鐵時所得到的以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經水淬成粒后所得的工業固體廢渣，本文實驗中的礦渣細粉，具有很好的分散性，屬于S95級的礦渣。具有較高的火山灰活性，活性指數≥95%。

本文實驗中使用的礦渣是來源于河北省靈壽縣博恒礦產品貿易有限公司，礦渣的化學組成見表2。

表2 礦渣的化學組成

堿激發劑：氫氧化鈉，品牌麥克林，由安徽佰奧生物科技有限公司生產，顆粒狀，純度不小于95%。

速溶硅酸鈉，俗稱泡花堿，由桐鄉市恒立化工有限公司生產，模數2.0，固含量75%。

1.2 試塊制備

按照表3和表4設計的的地聚合物各組分配合比，配置水泥漿。制備過程如圖1所示。

表3 添加CaCl2地聚合物各組分配合比

表4 添加礦渣地聚合物各組分配合比

圖1 地聚合物制備流程圖

制備地聚合物泥漿時，首先配置堿激發劑溶液，配置時NaOH會遇水放熱，溶液待溫度降到常溫再使用。然后將稱取好的固體粉末倒入水泥凈漿攪拌機中混合均勻，然后打開攪拌機程控開關，邊攪拌邊把配置好的堿溶液倒進去，攪拌完成以后,將水泥漿注入到50mm×50mm×50mm試模中,用振動篩振動成型。然后放置于溫度為(75±2)℃，相對濕度為(80±5)%的水浴箱中進行養護。養護24h后脫模，繼續養護3d測試抗壓強度。

2 實驗結果分析

2.1 抗壓強度

本文中測試抗壓強度用到的標準是GB/T 17671－1999《水泥膠砂強度檢驗方法》。地聚合物凝結時間用標準法維卡儀測定，凝結時間測試方法按照國家標準GB1346-89的方法進行。

試驗過程及成型試塊如圖2和圖3所示。

試塊在溫度為(75±2)℃，相對濕度為(80±5)%的水浴箱中進行養護3d后的各抗壓強度結果如圖4和圖5所示。

圖4 添加CaCl2地聚合物抗壓強度

圖5 添加礦渣地聚合物抗壓強度

2.2 結果討論

從實驗的結果可以看出，摻入礦渣和CaCl2都可以在堿溶液的激發下和偏高嶺土發生地質聚合反應，凝結成塊。地聚合物的強度的形成，主要是活性硅鋁礦物在堿激發劑提供的堿性環境下-Si-O-Si-鍵和-Al-O-Al-鍵發生先解聚再聚合，生成-Si-OAl-O-結構，最終形成高分子聚合的膠凝材料[7]。隨著偏高嶺土中摻入礦渣量的增多，促進了地聚合物反應的發生，主要是因為礦渣的本身活性比較強，且含有較多的氧化鈣，礦渣與偏高嶺土發生水化反應，生成NA-S-H凝膠和C-S-H凝膠，這兩種凝膠互相填充，致使生成的地聚合物孔隙率降低，結構更加的致密，有利于強度的增強。但是隨著礦渣摻量的增多，試塊的抗壓強度呈下降趨勢，主要是反應中產生了較多的CS-H凝膠，而C-S-H凝膠的形成過程中會吸收較多的水分，使地聚合物產生干縮、開裂等現象而導致強度降[8]。CaCl2對偏高嶺土的地聚反應也具有促進作用，可以加快反應的進行，但是CaCl2與偏高嶺土在堿溶液的激發下反應生成了白色空心顆粒物，從而嚴重降低了試塊的強度，且隨著CaCl2加量的增多，生成的白色顆粒也逐漸增多。

3 結論

（1）礦渣和CaCl2都對偏高嶺土的地聚反應具有促進作用，加快了地聚合物早期強度的形成。

（2）隨著礦渣摻量的增加，試塊的抗壓強度不斷增加，當礦渣摻量達到30%的時候試塊3d的抗壓強度達到最大，為20.1MPa。

（3）CaCl2加入偏高嶺土中，會與之反應生產空心顆粒物，從而使試塊松散，嚴重影響石塊的抗壓強度，隨著CaCl2摻量的增加，生成的顆粒物逐漸增多，抗壓強度呈下降趨勢。