可再分散乳膠粉對地質聚合物砂漿性能影響研究

程國東劉 澤黃天勇

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州310030；2.中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京100083；3.固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室，北京100041）

地質聚合物是活性硅鋁酸鹽材料在堿激發條件下生成的具有三維網狀的四面體結構材料，硅原子和鋁原子以氧原子相互橋接，在此結構中，硅氧四面體和鋁氧四面體分別為電中性和電負性，整個體系需要為電中性，從而金屬陽離子分布于其中來平衡整個體系的電性。相對于水泥，地質聚合物的生產過程減少了二氧化碳的排放，節能環保，并且具備硬化速度快、早期強度高、耐腐蝕、耐高溫等很多性能優點。地質聚合物可以由粉煤灰、礦粉等含有活性硅鋁酸鹽的工業固體廢棄物制備，成本低。對于地質聚合物的外加劑研究較少，少數學者研究了部分外加劑對地質聚合物漿體的減水與緩凝作用。諸華軍自主研發了BCH緩凝劑對偏高嶺土—礦渣基地質聚合物漿體的影響，當BCH摻量為5.0%時，地質聚合物漿體具有最佳緩凝效果，20℃時地質聚合物漿體的緩凝時間比未摻加BCH時增加了20.4倍；80℃養護28d的地質聚合物試塊抗壓強度別比未摻BCH的提高了5.80%。Wang等研究了木質素磺酸鹽對地質聚合物的作用效果，結果表明，木質素磺酸鹽對于地質聚合物沒有減水作用，并且降低了地質聚合物的抗壓強度。聚羧酸減水劑是水泥基材料的重要減水劑，Criado等研究了聚羧酸減水劑在地質聚合物中的作用，發現聚羧酸減水劑能夠顯著提高地質聚合物的工作性，并能降低地質聚合物的黏性和屈服應力。而Palacios等研究表明聚羧酸減水劑對于地聚物混凝土工作性的影響與減水劑官能團種類和使用的激發劑有關。本文以粉煤灰和礦渣為原料，以水玻璃和NaOH復配為激發劑、天然砂為骨料，研究了不同可再分散乳膠粉摻量對地質聚合物砂漿性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

普通 II級粉煤灰（II FA）及礦渣（BFS），其化學組成見表1。

表1 原材料的化學組成和物理性能

試驗所用水玻璃來自江蘇無錫亞泰聯合化工耗材有限公司的工業級水玻璃（模數2.31，固含55%，波美度 50，含Na2O 12.8 wt.%，SiO29.2 wt.%，透明度0.8），所用NaOH（分析純級）來自北京化工廠，所用砂為天然河砂，水為實驗室自來水，可再分散乳膠粉來自河北廊坊某化工廠。

表2 粉煤灰和礦粉的物相定量分析結果圖（wt.%）

1.2 試塊配比

本試驗配合比中FA/BFS按照3:7，水玻璃模數統一為1.4，水膠比0.32。具體配合比見表3。

表3 膠粉摻量對地質聚合物砂漿試驗的影響配合比設計

1.3 試驗方法

試驗首先將粉煤灰、礦粉、砂子以及減水劑等原材料混合充分，激發劑用水玻璃與NaOH配置而成，激發劑倒入膠材中，在攪拌90s后，測試砂漿擴展度，隨后即可入模（40mm×40mm×160 mm）成型，將其室溫養護1d之后，拆模測試1d強度，其余放入養護室標準養護28d，用以測試28d強度，砂漿擴展度按照GB/T2419-2005《水泥膠砂流動度試驗方法》進行，抗折強度和抗壓強度的試驗參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度試驗方法》進行，并選用較優配比和較差配比制備凈漿試塊進行掃描電鏡，XRD微觀測試。

2 結果與討論

2.1 砂漿擴展度和強度結果分析

根據表3試驗結果繪制出在兩種不同水玻璃摻量下，加入不同種類減水劑的砂漿擴展度圖、砂漿抗折強度圖以及砂漿抗壓強度圖，如圖1～圖3所示。

圖1 不同配合比砂漿擴展度

由圖1可知，配比1號和2號膠粉摻量分別為1.1%和1.6%，地質聚合物砂漿擴展度分別為220 mm和205 mm；配比4號膠粉摻量為2.6%時，地質聚合物砂漿擴展度最大為230 mm；而配比3號膠粉摻量為2.1%時，地質聚合物砂漿擴展度最小，為190 mm，比最大擴展度小40 mm；從配比1號到3號，即膠粉摻量從1.1%到2.1%，地質聚合物砂漿擴展度呈現減小的趨勢，當膠粉摻量增大到2.6%，地質聚合物砂漿擴展度開始變大，并且大于其它配比條件下的砂漿擴展度。綜上可得，膠粉在一定摻量范圍內可能對地質聚合物砂漿工作性產生不利影響，而繼續增大膠粉摻量，地質聚合物工作性可能會提高。

圖2 不同膠粉摻量條件下粉煤灰—礦渣基地質聚合物砂漿抗折強度

圖3 不同膠粉摻量條件下粉煤灰—礦渣基地質聚合物砂漿抗壓強度

圖2 和圖3分別為不同膠粉摻量條件下粉煤灰—礦渣基地質聚合物抗折強度和抗壓強度。由上述兩圖可知，隨著膠粉摻量增大，地聚物砂漿1d抗折強度呈現先降低后增大又下降的趨勢。配比2號膠粉摻量1.6%，1d抗折強度最小為3.7 MPa；配比3號膠粉摻量2.1%，1d抗折強度最大4.5 MPa，1d抗壓強度隨膠粉摻量增大而急劇下降，而后趨于平緩；配比1號膠粉摻量1.1%，1d抗壓強度最大為43.0 MPa；配比2號膠粉摻量1.6%，1d抗壓強度最大為36.0 MPa，28d抗折強度隨膠粉摻量增加呈現先增大后下降又增大的趨勢；配比2號膠粉摻量1.6%，28d抗折強度最大為7.3 MPa；配比3號膠粉摻量2.1%，28d抗折強度最小為6.3 MPa。28d抗壓呈現先增大后又急劇下降，但就1d和28d強度而言，1-4號配比下的膠粉摻量均符合JC/T2381-2016《修補砂漿》標準。綜合地質聚合物砂漿擴展度和強度結果，配比2號1.6%的膠粉摻量為制備粉煤灰—礦渣基地質聚合物砂漿的最佳摻量。

2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）

圖4 配比2號和配比4號地質聚合物砂漿的SEM圖

圖4 為配比2號和4號掃描電鏡圖。a圖為配比2號樣品的掃描電鏡圖，b圖為配比4號樣品的掃描電鏡圖。對比可以看出，a圖中試樣整體結構比較致密，基體生成相明顯；b圖中樣品結構松散，表面存在較多坑洞和裂縫。兩者表面未發現不規則顆粒狀的礦渣顆粒，分析認為，礦渣中的無定形礦物相含量比粉煤灰中的無定形礦物相含量高，并且礦渣中氧化鈣含量較多，堿激發條件下溶解更快，可以為體系提供大量Ca2+，生成大量C-S-H，反應速率更快。b圖中樣品表面存在少量球形顆粒，可能是未完全反應的粉煤灰顆粒，隨著膠粉摻量增加，地質聚合物砂漿漿體粘性增加，同等條件下，地質聚合物漿體難以振實，導致反應不充分，地質聚合物基體結構松散。

2.3 射線衍射（XRD）

圖5 配比2號和配比4號X射線衍射圖

圖5 是配比2號和4號樣品的X射線衍射圖。由圖可知，其在20℃～40℃范圍都有彌漫型的“鼓包峰”，這是堿激發反應生成凝膠相的主要標志，這一區間也被認為是主要反應產物—C-S-H/N(C)-A-S-H凝膠的衍射峰。說明此時有大量無定型凝膠N-A-S-H和C-A-S-H生成，原材料中使用了礦粉，因此，主要的產物凝膠是C-S-H與N(C)-A-S-H的混合物，另外，粉煤灰中的晶相如石英、莫來石等都未參與反應，而只是作為細骨料填充在反應生成的凝膠基質中。盡管膠粉摻量不同，但是從XRD的礦物相分析上配比2號和4號并無明顯不同，分析猜測，對于地質聚合物，膠粉在一定程度上影響地質聚合物的反應進程，但是對總體反應產物并無明顯的影響。

3 結論

（1）從砂漿擴展度可以得出，膠粉摻量2.1%時，地質聚合物砂漿擴展度最小，為190 mm；膠粉摻量2.6%時，地質聚合物砂漿擴展度最大，為230 mm；從配比1號到4號，隨著膠粉摻量增加，地質聚合物砂漿擴展度先減小后增大。

（2）從砂漿強度可以得出，28d抗折強度，隨膠粉摻量增加，地質聚合物砂漿抗折強度呈現先增大后下降又增大的趨勢；膠粉摻量1.6%，28d抗折強度最大為7.3 MPa；膠粉摻量2.1%，28d抗折強度最小為6.3 MPa。地質聚合物砂漿28d抗壓強度，呈現先增大后又急劇下降；膠粉摻量1.6%和2.1%，砂漿壓強度分別為58.5 MPa和59.0 MPa。綜合砂漿擴展度和強度，膠粉摻量1.6%時，地質聚合物砂漿性能最優。

（3）從掃描電鏡圖和X射線衍射圖可以得出，膠粉摻量1.6%時，地質聚合物試樣整體結構致密，基體生成相明顯；膠粉摻量2.6%，地質聚合物試樣整體結構松散，基體生成相不明顯；膠粉摻量1.6%和2.6%時，地質聚合物中都有明顯的無定形的水化產物生成，但是兩者的水化產物種類無明顯差別。分析猜測，對于地質聚合物，膠粉在一定程度上影響地質聚合物的反應進程，但是對總體反應產物并無明顯的影響。