地聚合物混凝土抗壓強度發展規律的研究*

王晴，丁兆洋，賀天姝，陳彥文

（沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽110168）

地聚合物混凝土抗壓強度發展規律的研究*

王晴，丁兆洋，賀天姝，陳彥文

（沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽110168）

以礦渣、偏高嶺土為主要原料，在堿性激發劑作用下形成地聚合物，并以此為膠凝材料制備地聚合物混凝土。研究了地聚合物組成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比與制備的地聚合物混凝土抗壓強度之間的關系，并建立了地聚合物混凝土抗壓強度與水膠比以及相同氧化物組成下地聚合物水泥凈漿抗壓強度之間的數學模型。研究表明： n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3，n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，水膠比=3.5時，地聚合物混凝土抗壓強度達到最大值；通過多元線性回歸分析，建立了地聚合物混凝土28d強度（y）與凈漿28d強度（x1）、水膠比（x2）之間的數學模型為：y=22.99+0.62x1-21.88x2

地聚合物；混凝土；抗壓強度；水膠比；n(SiO2)/n(Al2O3); n(Na2O)/n(Al2O3)

1 引言

地聚合物是近些年發展起來的一類新型無機非金屬材料。這種材料多以天然鋁硅酸鹽礦物或工業固體廢棄物為主要原料，在堿性激發劑的作用下，原材料中的硅氧鍵和鋁氧鍵發生斷裂—重組反應，生成一種三維的網絡狀鋁硅酸鹽凝膠成分粘結的化學鍵陶瓷材料[1,2]。

本課題以礦渣和偏高嶺土為主要原料，低模數水玻璃為激發劑制備地聚合物混凝土，以抗壓強度為主要考核指標，研究了地聚合物混凝土抗壓強度與地聚合物組成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比之間的關系，系統分析了地聚合物混凝土抗壓強度與水膠比以及相同氧化物組分地聚合物凈漿抗壓強度的關系，希望為地聚合物材料更廣泛的應用提供一定的理論依據。

2 試驗

2.1 試驗原料

礦渣采用鞍山鋼鐵股份有限公司生產的粒化高爐礦渣，其主要化學成分見表1。偏高嶺土產自內蒙古，其主要化學成分見表2。水玻璃，模數3.4，Na2O含量為8.06%，SiO2含量為25.90%，由沈陽方達化工廠生產。細集料：細度模數為1.34，泥含量為0.42 %，使用時篩取5 mm 以下的顆粒，符合 GB /T17671—1999中國 ISO標準砂質量要求。粗集料：5～15 mm連續級配的石灰石碎石。試驗用水為飲用自來水。

表1 礦渣的化學成分 %

1.2 試驗方法

地聚合物的制備及抗壓強度的測試過程按照普通混凝土力學性能試驗方法標準（GBT50081-2002）進行。試驗中礦渣、偏高嶺土、水玻璃三種原材料用量按照各原料中的化學組成與試驗規定的n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比和水膠比計算。NaOH的摻量按n(Na2O)/n(Al2O3)的摩爾比計算。地聚合物混凝土各因素的范圍取值為n(SiO2)/n(Al2O3) 為3.3～4.2；n(Na2O)/n(Al2O3)為0.1～0.4；水膠比為0.3～0.45；水玻璃模數為1.4。

表2 偏高嶺土的化學成分 %

2 試驗及結果分析

2.1 n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比對抗壓強度的影響

將n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比和水膠比固定不變：n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3，水膠比=0.4。改變地聚合物組成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比在3.3～4.2范圍內變化，制備地聚合物混凝土試件。n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比對地聚合物混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。

圖1 n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比對混凝土抗壓強度的影響

從圖1中可以看出，地聚合物混凝土的抗壓強度隨著n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比的提高呈現出先增大后減小的趨勢，當n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比為3.9時，抗壓強度出現峰值。地聚合物水泥為礦渣和偏高嶺土的混合料，主要成分為SiO2和Al2O3，它們在水玻璃和NaOH的激發作用下，發生Si-O鍵與Al-O的斷鍵，隨后進行重新鍵合，生成一種三維的鋁硅酸鹽凝膠體[3]。在完成聚合反應以后，Si元素和Al元素是以[SiO4]和[AlO4]存在于體系當中，這就構成了凝膠結構的基本骨架。如果提供的單體[SiO4]量增加，則有利于地聚合物的聚合，結構強度也增加，但如果單體[SiO4]量過多，不利于進行解聚與聚合，使強度表現出逐漸變小的趨勢，過量的單體[SiO4]就會對強度的增長起到一定的抑制作用，在宏觀上則表現為混凝土強度的下降[4]。經試驗確定，當n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9時，地聚合物混凝土的抗壓強度達到最佳值。

2.2 n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比對抗壓強度的影響

將n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比和水膠比固定不變：n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，水膠比=0.4。改變地聚合物中的n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比在0.1～0.4變化，制備地聚合物混凝土試件。n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比對地聚合物混凝土抗壓強度的影響如圖2所示。

從圖2中可以看出，地聚合物混凝土的抗壓強度隨著n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比的增大呈現先增大后減小的趨勢，當n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比=0.3時，地聚合物混凝土抗壓強度達到峰值。這是因為要使礦渣和偏高嶺土混合料發生聚合反應，必須使體系中具有一定濃度的堿含量。存在適量的Na2O是在硅酸鹽低聚物之間發生聚合反應的前提，從而使聚合材料達到一定的強度。堿含量的過多和過少都會影響地聚合物混凝土的抗壓強度。過少則會使聚合反應的產物減少，影響地聚合物三維網絡狀結構的形成；過多則殘余的Na2O會吸收空氣中的CO2生成Na2CO3，多余的Na2SiO3作為無定形的硅酸析出，從而對混凝土的抗壓強度產生負面的影響[5,6]。經試驗確定，當n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比=0.3時，地聚合物混凝土的抗壓強度最佳。

圖2 n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比對混凝土抗壓強度的影響

2.3 水膠比對抗壓強度的影響

控制n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比和n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比不變的條件下：n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3。改變水膠比，使其在0.3～0.45之間變化，制備地聚合物混凝土試件。在養護規定的齡期測試其抗壓強度值，水膠比對地聚合物混凝土抗壓強度的影響如圖3所示。

從圖3中可以看出隨著水膠比的增大，地聚合物混凝土28d抗壓強度逐漸降低，說明水膠比0.35是一個臨界值。過小的水膠比會影響試件的成型，成型過程中會產生分層現象，顆粒之間會存在著空隙，試件不夠密實，從而影響試件的抗壓強度。當水膠比為0.3時，地聚合物混凝土試件很難成型。過大的水膠比會使顆粒之間的溶液的堿性激發劑的質量濃度降低，顆粒之間的聚合作用下降，還會使試樣的孔隙率增加，降低了試件抵抗荷載的能力，從而導致抗壓強度的降低[7]。

圖3 水膠比對混凝土抗壓強度的影響

圖4 地聚合物水泥凈漿與其混凝土28d抗壓強度的關系

2.4 地聚合物水泥凈漿與其混凝土28d抗壓強度的關系

固定水膠比為0.35，n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比為3.9，改變n(Na2O)/n(SiO2)摩爾比，研究地聚合物水泥凈漿與其混凝土28d抗壓強度之間的關系，試驗結果見圖4。

由圖4可以看出，地聚合物水泥凈漿、混凝土的28d抗壓強度隨著n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比的變化時均呈現出先增大后降低的趨勢，且凈漿28d強度大于混凝土28d強度。

隨著n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比的增大，地聚合物水泥凈漿強度和混凝土強度基本按相同規律變化，說明n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比對地聚合物的凈漿強度和混凝土強度的影響規律是一樣的。

2.5 地聚物混凝土28d抗壓強度數學模型

通過36組試驗研究水膠比和地聚合物水泥凈漿28d抗壓強度與混凝土28d抗壓強度值之間的關系，試驗數據如表3所示。

以x1(凈漿28d抗壓強度)、x2（水膠比）為影響因子，y(混凝土28d抗壓強度)為考核指標，確立它們之間的數學關系， 所求回歸方程為：

預測范圍取值越大，預測值就越容易接近實際值，預測越不精確。反之預測值范圍越小，預測值就越不接近實際值，但是預測較精確。由圖5可以看出，預測強度值的預測范圍水膠比＞水泥凈漿28d抗壓強度，測量值與預測值范圍十分的接近，說明預測比較準確。

圖5 無機礦物聚合物混凝土28d抗壓強度的顯著性

表3 地聚合物水泥凈漿28d抗壓強度和混凝土28d抗壓強度值

3 結論

（1）隨著n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比在3.3～4.2范圍內變化，地聚合物混凝土的抗壓強度呈現出先增大后減小的趨勢，當n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比為3.9時，抗壓強度出現峰值。

（2）隨著n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比在0.1～0.4范圍內變化，地聚合物混凝土的抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，當n(Na2O)/n(Al2O3)摩爾比=0.3時，地聚合物混凝土抗壓強度達到峰值。

（3）水膠比為0.3地聚合物混凝土試件很難成型。隨著水膠比的增大地聚合物的28d抗壓強度逐漸降低，并在水膠比為0.35時出現強度最大值。

（4）地聚合物水泥凈漿與混凝土28d抗壓強度呈現出相同的變化規律，且地聚合物水泥凈漿28d抗壓強度大于地聚合物混凝土28d抗壓強度。

（5）通過多元線性回歸分析，建立了地聚合物混凝土28d抗壓強度 （y）與地聚合物水泥凈漿28d抗壓強度（x1）、水膠比（x2）之間的數學模型為：

[1]袁玲，施惠生，汪正蘭.土聚水泥研究與發展現狀[J].房產與應用，2002(4):21-24.

[2]汪瀾. 地質聚合物水泥與混凝土的研究[J]，商品混凝土，2005(1)：54-55.

[3] 聶軼苗.SiO2-Al2O3-Na2O(K2O)-H2O體系礦物聚合物材料制備及反應機理研究[D].中國地質大學，2006.

[4]D.Hardjito ，B.V.Rangan.Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer concrete.2005.

[5]張云升，孫偉，沙建芳等.粉煤灰地聚合物混凝土的制備、特性及機理[J].建筑材料學報，2003(3)：237-242.

[6]李海宏. 地質聚合物的制備及機理研究[D]. 西安建筑科技大學, 2007.

[7]劉磊. 礦渣基無機礦物聚合材料的研究[D].沈陽建筑大學，2007.

Research on development of geopolymer concrete compressive strength

Wang Qing, Ding Zaoyang, He Tianshu,,Chang Yanwen
(School of Material Science and Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China)

Slag and metakaolin are the main source materials. Water glass is activator to prepare slag-based geopolymer paste in the paper. Taking the different ratio of silicon to aluminum, ratio of sodium to aluminum and ratio of water to binder as the in fl uencing factors, analyze their in fl uence on the hydration processes of Geopolymer. The results showed that: n(Na2O)/n(Al2O3) =0.3,n(SiO2)/n(Al2O3) =3.9,w/b=3.5, the compressive strength of geopolymer concrete reached the maxium; mathematical model of geopolymer concrete compressive strength (y) between the factors of the ratio of W/B (x2) and geopolymer paste compressive strength (x1) was made through the method of regression analysis:y=22.99+0.62x1-21.88x2.

geopolymer; concrete; compressive strength; water/binder; n(SiO2)/n(Al2O3); n(Na2O)/n(Al2O3)

*沈陽建筑大學省級重點實驗室2009年度開放基金資助項目

王晴(1965-),女，博士研究生，教授，碩士生導師，主要從事水泥基復合材料的研究。

[單位地址]遼寧省沈陽市渾南新區渾南東路9號，沈陽建筑大學材料學院（110168）