酸環境下偏高嶺土地聚合物的抗壓性能及電化學特性

余 安，鄧會芳，郭 霞，李雨軍

(核工業湖州勘測規劃設計研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000)

地聚合物較普通硅酸鹽水泥物理力學性能更優，同時還具備低碳排放量耐火性、低熱導率等特點。目前對地聚合物耐酸腐蝕性、抗凍融循環性能、電學特征和抗滲性能研究還存在疑問，因此在實際工程中應用較少。基于此，有學者進行了很多研究，如對硅烷偶聯劑種類和摻量對地聚合物影響進行研究，證明烷偶聯劑對地聚合物結構的致密性有增強作用[1]；對堿激發對砒砂巖地聚物水泥復合土強度及微觀結構進行觀察，并以此為基礎對地聚合物配方進行優化[2]。以上研究為地聚合物在實際工程中的應用提供了一些理論依據，但在耐酸腐蝕性方面的研究較少。本文以赤泥-煤系偏高嶺土地聚合物為研究對象，選擇pH值為2的硫酸和鹽酸為浸泡液，對酸環境下RM-CMK地聚合物的抗壓性能和電學特征進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗主要材料：赤泥(RM)、HP-90B煤系偏高嶺土(CMK)；水玻璃、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸：均為CP。

本試驗主要設備：DHG-9420A電熱鼓風恒溫干燥箱(目尼實驗設備)、JC231鄂式破碎機(山美環保裝備股份)、PCZ1308錘式破碎機(紅星礦山機器)、JW3000砂漿攪拌機(雷博機械設備)、SED-0.5混凝土振動臺(機械設備)、SBY-40B恒溫恒濕標準養護箱(華恒試驗儀器)、CHI660E電化學工作站(嬌子藤科學器材)、C10625LCR數字電橋(有間優宿科技)、WAW-1000E萬能試驗機(辰達試驗機制造 )。

1.1.1試驗材料前處理

將赤泥原料置于DHG-9420A型電熱鼓風恒溫干燥箱內烘干，烘干溫度和時間分別為105 ℃和10 h；之后將其分別放入JC231鄂式破碎機和PCZ1308錘式破碎機中進行粗破碎和細破碎。最后過篩3次得到粒徑小于等于1 mm的赤泥。

1.1.2堿激發液配制

對RM-CMK地聚合物配比進行設計，具體配制過程：

(1)根據配比對水玻璃、氫氧化鈉用量進行計算，根據計算結果稱取相應材料備用；

(2)將準備好的材料依次放入燒杯內，攪拌至氫氧化鈉固體完全溶解，置于室溫環境下冷卻。氫氧化鈉在溶解的過程中，會釋放一定熱量，那么在冷卻的過程中可能有部分水分蒸發；為此，對氫氧化鈉放熱產生的失水量要進行記錄，在制備試件時進行補水，得到堿激發溶液。具體配比如表1[3]所示。

表1 RM-CMK地聚合物配比Tab.1 RM-CMK geopolymer ration

1.1.3RM-CMK地聚合物制備

(1)根據配比將赤泥和煤系偏高嶺土放入JW3000型砂漿攪拌機中反復高速攪拌，直至物料完全混合，每次攪拌時間為30 s；

(2)加入堿激發溶液后高速攪拌6 min；

(3)將制備的漿體分2次倒入準備好的模具中，在倒料的過程中置于混凝土振動臺上振實1 min。倒料結束后，刮平試件表面用保鮮膜封住并做好標記；

(4)靜置2 d拆模，置于標準養護箱內養護7 d。

1.2 試驗方法

1.2.1腐蝕試驗

參照GB/T 749—2008進行腐蝕試驗[4]。

1.2.2電化學阻抗測試

用電化學工作站測試RM-CMK地聚合物試件電化學阻抗；測試條件如表2所示[5]；測試電路的原理如圖1所示。

表2 電化學工作站測試條件Tab.2 Test conditions of electrochemical workstation

圖1 測試電路原理Fig.1 Test circuit principle

1.2.3電阻率測試

用C10625型LCR數字電橋對試件電阻率進行測定；電阻率與電阻間的關系[6]：

ρ=(R·S)/L

(1)

式中：ρ為電阻率；R為電阻；S為試件橫截面積；L為電極片距離。

1.2.4抗壓強度測試

參照JGJ 70—1990用WAW-1000E型萬能試驗機對相應浸泡齡期的地聚合物試件抗壓強度進行測定[7]；抗壓強度表達式：

q=P/A

(2)

式中：q為抗壓強度；P為試件破壞時最大荷載；A為承壓面積。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

圖2為地聚合物浸泡齡期隨抗壓強度變化規律。

圖2 浸泡齡期與抗壓強度關系Fig.2 Relationship between immersion ageand compressive strength

由圖2可知，浸泡在2種酸性溶液的RM-CMK地聚合物，在3 d內，抗壓強度出現明顯下降；在3～14 d出現緩慢回升態勢。在3 d內，2種溶液中RM-CMK地聚合物抗壓強度大小差別不大，浸泡時間超過3 d后，鹽酸中試件抗壓強度明顯高于硫酸中試件；表明RM-CMK地聚合物受硫酸影響更大。當養護時間超過14 d后，試件抗壓強度下降；當浸泡時間為112 d時，鹽酸溶液中試件抗壓強度為26.5 MPa，硫酸中試件抗壓強度為24.6 MPa。

2.2 電學特性

2.2.1酸性環境中RM-CMK地聚合物的等效電路模型

地聚合物內部結構主要是固液氣三相構成的系統，因此分為3個類型規劃地聚合物導電路徑[8]。

(1)只存在固體的導電路徑；

(2 )存在于孔隙間和膠凝體導電路徑；

(3)由固體凝膠介質、孔隙和孔隙水間界面形成的導電路徑。圖3、圖4分別為導電路徑與等效電路圖。

圖3 導電路徑圖Fig.3 Conductive path diagram

Rs-孔隙溶液電阻；CPE1-孔隙電容；CPE2-電極/電極板處電容；Rct1-固液界面離子傳遞電阻；ω-孔溶液擴散阻抗；Rct2-電極/電極板處離子傳遞電阻圖4 等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram

總阻抗表達式[9]：

(3)

式中：Z為總阻抗；ZF1為傳遞電阻之和；ZF2為電極/電極板處離子傳遞電阻。

2.2.2酸環境下RM-CMK地聚合物的電化學阻抗特性

圖5為硫酸中地聚合物電化學阻抗譜圖。

圖5 硫酸中地聚合物電化學阻抗譜圖Fig.5 Electrochemical impedance spectroscopyof geopolymer in sulfuric acid

由圖5可知，從3 d到112 d，隨浸泡齡期的增加，體系內總阻抗表現出先增加后降低的趨勢；在浸泡時間為14 d時，體系內總阻抗達到最大值。該變化趨勢證明了腐蝕程度與阻抗模值表現出反比例關系。

圖6為pH值為2時鹽酸溶液中RM-CMK地聚合物電化學阻抗譜圖。

圖6 鹽酸中地聚合物電化學阻抗譜圖Fig.6 Electrochemical impedance spectrumof geopolymer in hydrochloric acid

由圖6可知，鹽酸溶液中，浸泡齡期對RM-CMK地聚合物總阻抗值的影響與硫酸溶液中總阻抗值變化趨勢基本一致，鹽酸對試件的腐蝕越嚴重，總阻抗模值越小，抗壓強度也隨之減小。

2.3 酸性環境對 RM-CMK 地聚合物的破壞機理

2.3.1XRD試驗結果分析

圖7為RM-CMK地聚合物試件在圖7(a)硫酸和圖7(b)鹽酸中XRD光譜圖。

(a)硫酸

由圖7可知，2種酸中的地聚合物XRD圖基本一致。當浸泡時間為112 d時，2組譜圖中均有2θ衍射角為18.3°中心的峰出現，證明RM-CMK地聚合物浸泡112 d后，生成了沸石相物質，降低了聚合物抗壓強度；在2θ衍射角為23°和32°間有寬峰出現，說明經過聚合反應，有無定型硅鋁酸鹽生成。在14 d時，試件出現最大駝峰，說明在聚合物中非晶態凝膠的數量較多，此時RM-CMK地聚合物試件抗壓強度達到最大。繼續增加浸泡時間至112 d，RM-CMK地聚合物中Si—O—Si 和Si—O—Al 鍵發生斷裂，鋁硅酸鹽聚合物出現解聚現象，此時駝峰最小，即試件的抗壓強度最小。

2.3.2SEM試驗結果

圖8為硫酸中RM-CMK地聚合物的SEM 圖譜(因RM-CMK地聚合物在硫酸和鹽酸中變化趨勢一致，此處只對硫酸中試件進行SEM分析)。

(a)3 d 1∶5 000

由圖8可知，地聚合物在硫酸中浸泡3 d時，內部膠凝結構松散，內部有未反應原料和明顯的孔隙。當浸泡時間達到14 d后，膠凝結構內部具有較好的完整性，孔隙變小，這說明聚合物進一步發生了聚合反應，使其內部結構更為密實；在SEM圖譜中，表現出無定型層狀結構，此時，聚合物的抗壓強度明顯增加[10]。繼續增加浸泡齡期，達到112 d時，膠凝材料內部有較為明顯的裂縫產生，使其抗壓強度有所下降；在酸中浸泡112 d后，地聚合物仍具備一定抗壓強度。

2.3.3酸性環境對RM-CMK 地聚合物的破壞作用機理分析

在酸性環境下浸泡的RM-CMK地聚合物，初期時抗壓強度波動較為明顯。這是因為在浸泡初期，地聚合物發生一定的中和反應，游離堿快速從試件表面遷移至溶液，使試件表面微孔洞和表面孔隙快速發展；同時，聚合物內部聚合反應不充分，在樣品中存在多數的硅酸離子單體，硅酸離子單體在酸環境下生成硅酸，并釋放，過飽和硅酸沉淀或形成絮狀物質。在二者共同作用下，試件表面微孔洞發展明顯，此時地聚合物的抗壓強度明顯下降。當浸泡時間達到14 d后，RM-CMK地聚合物抗壓強度小幅度上升；這是因為此時酸溶液對試件腐蝕速度有所下降，低于聚合物的聚合速度所致。在14 d后，體系內主要存在酸腐蝕反應，使得材料出現一些缺陷，導致材料的抗壓性能有所下降，電阻率降低。

3 結語

本試驗以RM-CMK地聚合物為主要研究對象，以pH值為2的硫酸和鹽酸作為浸泡液，對酸環境下地聚合物性能進行研究。

(1)RM-CMK地聚合物耐硫酸性能低于耐鹽酸性能；

(2)酸環境中，RM-CMK地聚合物電化學總阻抗模值與其抗壓強度有較高相關性；

(3)SEM試驗結果表明，在浸泡齡期為3 d時，聚合反應不完全，使其內部結構較為松散，抗壓強度較小。在浸泡齡期為14 d時，聚合反應使其內部結構表現出無定型層狀結構，抗壓能力增加。當繼續增加浸泡齡期，材料內部出現明顯裂縫，但仍舊具備一定的抗壓強度。