水玻璃堿渣用于制備地聚合物的試驗研究

談志平，王龍生，徐展

（蘇州微觀世界新材料有限公司，江蘇 蘇州 215100）

0 前言

隨著環境保護要求的進一步加強，各種工業廢棄物的綜合利用得到了廣泛的關注。粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業廢渣因排放量大受到格外關注，其綜合利用率不斷提高，目前礦渣的綜合利用率已達 100%，粉煤灰和鋼渣的綜合利用率也穩步提升[1-3]。而一些非主流的工業廢渣因產量相對較低，對其綜合利用研究較少，其排放對環境造成嚴重的負擔。

水玻璃堿渣是在水玻璃生產過程中固相溶解后生產的沉淀物，沉淀物主要由晶態二氧化硅和硅酸鈉水合物組成，還有部分硅酸鈣及氫氧化鈣。由于硅酸鈉水合物對熟料礦物的水化進程影響較大，水玻璃堿渣不適宜作為摻合料應用于水泥混凝土中。由于水玻璃堿渣中含有的高堿物質是制備地聚合物的關鍵組分[4,5]，本文嘗試將水玻璃堿渣作為高堿組分與偏高嶺土及粉煤灰配制耐久性能優良的地聚合物，以期尋求一個可以批量處置水玻璃堿渣的有效途徑。

各氧化物組成范圍的變化會導致地聚合物結構類型的差異，地聚合物有 PS、PSS、PSDS 三種結構類型，其中 PSS 型地聚合物的劈裂抗拉強度和剪切強度最高、抗滲性能最佳，因而應用最為廣泛（PSS 型地聚合物中 SiO2/ Al2O3的摩爾比為 4±1）[5]。

1 試驗

1.1 試驗原料

（1）水玻璃堿渣：蘇州某水玻璃企業，具體化學成分及 XRD 參見表1 和圖1。

表1 水玻璃堿渣、偏高嶺土和粉煤灰的化學成分 %

圖1 水玻璃堿渣的 XRD 分析

（2）偏高嶺土：山西金誠，比表面積 403m2/kg。

（3）粉煤灰：國華Ⅱ級灰，45μm 篩余 14%，流動度比 103%。

（4）水泥：鶴林 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，28d 強度為 51.7MPa。

（5）細集料：河砂，細度模數 2.6，含泥量為1.5%。

（6）粗集料：石灰石質碎石，5～25mm 連續粒級，含泥量 0.1%。

（7）外加劑：蘇博特產 PCA-1 減水劑，減水率為23%。

（8）氫氧化鈉：分析純，國藥集團。

1.2 試驗方法

將水玻璃堿渣粉磨至比表面積為 400～450m2/kg，按照地聚合物的配比原則，調節水玻璃堿渣、偏高嶺土及粉煤灰的比例，使得各氧化物的摩爾比符合 PSS 型地聚合物的理論值，在一定范圍內調整偏高嶺土與粉煤灰的比例、水玻璃堿渣與氫氧化鈉的比例及水灰比，以期在保證地聚合物力學性能的前提下盡可能提高水玻璃堿渣的用量。在力學性能試驗中，將地聚合物凈漿制成 (40×40×160)mm3的試塊，檢驗方法參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法》。

2 試驗結果與討論

2.1 偏高嶺土與粉煤灰的比例對地聚合物力學性能的影響

由于偏高嶺土中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 2.5，粉煤灰中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 2.3，兩者較為接近，要得到 PSS 結構的地聚合物，必須加入硅質校正原料。水玻璃堿渣中的 SiO2/Al2O3摩爾比為 250，可以用作硅質校正原料，當水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質量的 0.6%～0.7% 時，即可保證混合物的 SiO2/Al2O3摩爾比接近 4，不足的高堿物質由氫氧化鈉補充，補充后混合物的 Na2O/Al2O3為 0.3。為保證地聚合物的工作性能，固定水灰比為 0.4，調整粉煤灰與偏高嶺土的質量比，以純偏高嶺土為基準，粉煤灰的質量取代率從0～50%，測試地聚合物凈漿的力學性能（見表2 和圖2）。

表2 粉煤灰取代率對地聚合物抗壓強度的影響

圖2 粉煤灰取代率對地聚合物抗壓強度的影響

結果表明，隨著粉煤灰取代率的提高，地聚合物的 1d 和 3d 抗壓強度有較大幅度的下降，但 7d 和 28d抗壓強度的下降幅度不大。盡管粉煤灰與偏高嶺土的SiO2/Al2O3摩爾比接近，但兩者的反應活性相差較大，偏高嶺土中的 Si-O 和 Al-O 發生斷裂—重組反應，最終水化產物以離子鍵和共價鍵為主，其結構類似于陶瓷材料，因此表現出良好的早期活性，而粉煤灰發生火山灰反應的速度較慢，因此早期強度有著明顯的下降。粉煤灰還具有良好的微集料效應，可優化材料體系的顆粒級配，當粉煤灰用量較多時，微集料效應弱化，水化活性不足，因此，當粉煤灰取代率超過 30% 時，地聚合物的 28d 強度亦明顯下降。考慮到粉煤灰與偏高嶺土的價格差異，在地聚合物中，粉煤灰與偏高嶺土的質量比為3:7 較為合適。

2.2 氫氧化鈉的用量對地聚合物性能的影響

基于粉煤灰和偏高嶺土的性能價格對比，選定地聚合物中粉煤灰與偏高嶺土的質量比為 3:7，當水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質量的 0.62% 時，即可保證混合物的 SiO2/Al2O3摩爾比為 4。固定水玻璃堿渣的用量，調整氫氧化鈉的用量（外摻，占混合物質量的 1.4%～5.7%），改變混合物中 Na2O/Al2O3的摩爾比（波動范圍為 0.1～0.4），測試地聚合物凈漿的力學性能（見表3 和圖3）。為保證地聚合物的工作性能，固定水灰比為 0.4。

表3 氫氧化鈉用量對地聚合物抗壓強度的影響

圖3 氫氧化鈉用量對地聚合物抗壓強度的影響

結果表明，地聚合物的抗壓強度隨著氫氧化鈉的用量先提高后降低，在氫氧化鈉用量占混合物質量的4%時達到峰值（此時 Na2O/Al2O3的摩爾比接近 0.3），這說明適量的堿是地聚合物產生良好力學性能的前提，堿量過低，Al、Si 溶出率低，聚合反應的產物減少；堿量過高，多余的 Na2SiO3作為無定形的硅酸析出，影響地聚合物的穩定性，對地聚合物的力學性能產生不利影響。在將水玻璃堿渣應用于地聚合物的制備過程中，氫氧化鈉的用量為地聚合物質量的 4% 為宜。

2.3 水灰比對地聚合物性能的影響

至今為止，由于尚未發現可以有效調節地聚合物拌合物工作性能的減水劑，地聚合物拌合物的工作性能主要依賴于用水量的調節，水灰比已成為權衡工作性能與力學性能的關鍵點，此次試驗中，選定地聚合物中粉煤灰與偏高嶺土的質量比為 3:7，水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質量的 0.62%，氫氧化鈉用量占混合物質量的 4%，水灰比調節范圍為 0.3～0.5，測試水灰比對地聚合物力學性能的影響，結果見表4 和圖4。

表4 水灰比對地聚合物力學性能的影響

圖4 水灰比對地聚合物力學性能的影響

試驗結果表明，隨著水灰比的增大，地聚合物的抗壓強度逐漸降低，當水灰比低于 0.4 時，地聚合物抗壓強度的下降幅度相對較小，當水灰比大于 0.4 時，地聚合物抗壓強度的下降幅度明顯增大。由于過小的水灰比影響地聚合物的工作性能，水灰比低于 0.3 時，地聚合物的成型都較為困難。水灰比增大時，顆粒之間的聚合作用下降，地聚合物拌合物的孔隙率增加，這些都導致地聚合物的力學性能下降。權衡工作性能與力學性能之間的關系，地聚合物的水灰比為 0.4 較為適宜。在此水灰比下，地聚合物有著良好的工作性能，且有著相對較高的力學性能。

3 結論

（1）水玻璃堿渣中含有晶態二氧化硅和硅酸鈉水合物，可用作硅質調節材料，提高地聚合物中 SiO2/Al2O3的摩爾比，為批量處置水玻璃堿渣提供了一個有效的可行途徑。

（2）粉煤灰與偏高嶺土的質量比為 3:7，水玻璃堿渣用量占偏高嶺土和粉煤灰質量的 0.62%，氫氧化鈉用量占混合物質量的 4%，水灰比為 0.4，可制備出力學性能優良的地聚合物。