粉煤灰基地質聚合物凝結時間的影響因素研究①

易龍生，許元洪，趙立華，李曉慢

（中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙410083）

凝結時間是地質聚合物（地聚物）的一個重要參數。在實際應用中，凝結時間過短會使攪拌和澆筑變得困難，也不利于長距離運輸；凝結時間過長，會延長工程周期，降低生產效率。粉煤灰基地聚物的凝結時間往往很短，這一特性嚴重阻礙了粉煤灰基地聚物的大規模應用［1］。本文參照國標GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》中對普通硅酸鹽水泥凝結時間的規定，規定粉煤灰基地聚物的初凝時間應不小于45 min，終凝時間應不大于390 min。地質聚合物凝結時間與原料、制備條件和添加劑等因素有關［2－4］。目前有相關文獻報導了粉煤灰基地聚物關于反應速率和合成機理方面的研究［5－6］，但對其凝結時間進行系統研究的較少。因此，有必要對粉煤灰基地聚物的凝結時間進行系統研究。本文探索了水玻璃摻量及模數、水膠比、溫度、外摻劑等因素對粉煤灰基地聚物凝結固化行為的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料及實驗方法

1.1.1 實驗原料

粉煤灰樣品來自新疆某廢物處理園區，呈灰色，粒度為－45 μm 粒級占73.15%。實驗前對粉煤灰進行粉磨預處理，細磨至－45 μm 粒級占85%后待用。粉煤灰化學成分見表1。

表1 粉煤灰化學全元素分析結果(質量分數)/%

由表1 可知，該粉煤灰主要成分為Si、Al、Fe 和Ca。其中SiO2、Al2O3和Fe2O3占79.94%，屬于F 級粉煤灰［7］。根據國標GB／T1596—2005《用于水泥和混凝土的粉煤灰》標準，該粉煤灰屬于C 類粉煤灰，即CaO 含量大于10%的粉煤灰。

粉煤灰物相組成見圖1。由圖1 可知，該粉煤灰的主要物相為石英、磁鐵礦、赤鐵礦、石灰等。在衍射角2θ＝16°～34°之間，有一個饅頭形衍射峰，表明粉煤灰中含有一定量的無定型二氧化硅，粉煤灰的活性主要來源于此［8］。

圖1 粉煤灰XRD 圖譜

1.1.2 實驗藥劑

實驗中所用水玻璃基本參數見表2。

表2 水玻璃基本參數

1.1.3 實驗儀器與設備

實驗所用主要儀器與設備見表3。

1.2 實驗方法

1.2.1 水玻璃模數的調節與確定

水玻璃的化學方程式為Na2O·nSiO2，n 為原水玻璃的模數，反映SiO2與Na2O 的占比。本文采用NaOH調節水玻璃模數，具體計算公式如下：

表3 實驗所用儀器與設備

式中N 為水玻璃的目標模數；m 為所需NaOH 物質的量，mol。

1.2.2 地質聚合物凝結時間的測定

地質聚合物凝結時間參照GBT 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》規定，采用維卡儀進行測定。

2 結果與討論

2.1 水玻璃摻量對地質聚合物凝結時間的影響

在水玻璃模數1.5、水膠比0.35 的初始條件下，研究了10 ℃和35 ℃下，水玻璃摻量對凝結時間的影響，結果見圖2。其中I 表示初凝時間，F 表示終凝時間。

圖2 水玻璃摻量與地質聚合物凝結時間關系

由圖2 看出，隨著水玻璃摻量增加，2 種溫度下地質聚合物的初、終凝時間均呈現增長趨勢。35 ℃下地質聚合物凝結時間增長緩慢，10 ℃下地質聚合物凝結時間增長趨勢較為明顯。在35 ℃下，當水玻璃摻量增加到10%時，地質聚合物初凝時間為25 min，不符合初凝時間大于45 min 的要求。在10 ℃下，當水玻璃摻量為8%時，初、終凝時間分別為63 min 與130 min，達到了粉煤灰基地聚物凝結時間的要求。因此，選擇水玻璃摻量為8%。

2.2 水膠比對地質聚合物凝結時間的影響

水玻璃摻量為8%、水玻璃模數1.5，不同溫度下水膠比對地質聚合物凝結時間的影響見圖3。

圖3 不同溫度下水膠比與地質聚合物凝結時間的關系

由圖3 看出，水膠比對地質聚合物凝結時間基本沒有影響。35 ℃時，凝結時間隨著水膠比提升有略微下降趨勢，原因可能是水量的增加有助于OH－擴散，從而加快了地聚反應的進行。10 ℃下，當水膠比為0.35 時，粉煤灰基地聚物的初凝及終凝時間分別為73 min 和120 min，符合要求，因此，最佳水膠比確定為0.35。

2.3 水玻璃模數對地質聚合物凝結時間的影響

水玻璃摻量為8%、水膠比為0.35 時，不同溫度下水玻璃模數對地質聚合物凝結時間的影響見圖4。

圖4 不同溫度下水玻璃模數與地質聚合物凝結時間的關系

從圖4 看出，在35 ℃下，水玻璃模數的變化對地質聚合物凝結時間影響很小，但在10 ℃下，水玻璃模數對凝結時間的影響較大。初凝和終凝時間均隨著水玻璃模數增加先增大后減小。這與NaOH 物質的量有關，隨著NaOH 物質的量增多，粉煤灰中Si 和Al 溶出量增加，聚合時間延遲，當凈漿中NaOH 物質的量過多時，由于Na＋的“鈍化作用”，粉煤灰中Si 和Al 溶出減緩，使得凈漿中鋁硅酸鹽物質減少，凝結時間變短［9］。當水玻璃模數為1.2 時，地質聚合物的初凝及終凝時間分別為67 min 和112 min，達到了凝結時間的要求。當水玻璃模數為1.5 時，初凝時間和終凝時間達到最大值，分別為76 min 與145 min。綜合考慮NaOH 的用量及其對凝結時間的影響，選擇水玻璃模數為1.2。

2.4 Ca(OH)2 摻量對地質聚合物凝結時間的影響

粉煤灰中的含鈣物質會促進堿硅反應，生成水泥相［10］，因此有必要探究鈣對地質聚合物凝結時間的影響。選擇內摻Ca（OH）2的方式，并用行星球磨機使Ca（OH）2與粉煤灰混勻。在10 ℃、水玻璃摻量為8%，水玻璃模數1.2、水膠比0.35 的條件下，研究Ca（OH）2摻量對地質聚合物凝結時間的影響，結果見圖5。

圖5 Ca(OH)2 摻量與地質聚合物凝結時間的關系

從圖5 看出，在10 ℃下，地質聚合物的凝結時間隨著Ca（OH）2摻量增加而降低，原因是摻入的Ca（OH）2會與凈漿中的硅酸根離子和OH－在短時間內生成水化硅酸鈣凝膠，導致地質聚合物凝結加快［11］。相關文獻表明，高鈣粉煤灰制備地質聚合物的凝結時間要比低鈣粉煤灰短，這是因為高鈣粉煤灰中的CaO 水化生成Ca（OH）2，并參與地聚反應導致的［12］。在粉煤灰摻量為100%時，地質聚合物初、終凝時間分別為69 min與120 min，此時的凝結時間已達到要求，因此后續實驗不摻入Ca（OH）2。

2.5 溫度與地質聚合物凝結時間的關系

從前面的實驗中可以看出，溫度對地質聚合物的凝結時間影響較大，因此，有必要探究溫度對地質聚合物凝結時間的影響。實驗選用烘箱來進行溫度調節。水玻璃摻量為8%、水玻璃模數1.2、水膠比0.35 條件下，研究了溫度對地質聚合物凝結時間的影響，結果見圖6。從圖6 看出，地質聚合物的凝結時間隨溫度提升而大幅下降。在養護溫度為25 ℃時，粉煤灰基地聚物的初凝及終凝時間分別為31 min 與57 min。此時已經達不到要求。在15～35 ℃區間內，地質聚合物的凝結時間極易受溫度的影響，這是影響地質聚合物在工程上應用的巨大障礙之一。實驗確定最佳溫度為10 ℃，此時地質聚合物初、終凝時間分別為67 min 與116 min。

圖6 溫度與地質聚合物凝結時間的關系

2.6 最優條件實驗

根據以上實驗，確定地質聚合物制備的最優條件為：粉煤灰100%，水玻璃模數1.2，水玻璃摻量8%，水膠比0.35，養護溫度10 ℃。最優條件下地質聚合物的初凝及終凝時間分別為65 min 和114 min，在養護3 d 和28 d 后，地質聚合物的強度分別為23 MPa 和51.7 MPa。

3 結 論

1）10 ℃時，地質聚合物凝結時間隨著水玻璃摻量增加而增加，隨水玻璃模數增加先增加后減小，可通過調節水玻璃摻量及模數來調控粉煤灰基地聚物的凝結時間；水膠比對地質聚合物凝結時間影響較小。

2）制備粉煤灰基地聚物的最優條件為：粉煤灰100%、水玻璃模數1.2、水玻璃摻量8%、水膠比0.35、養護溫度10 ℃，此時，地質聚合物的初凝及終凝時間分別為65 min 和114 min，在養護3 d 和28 d 后，地質聚合物的強度分別為23 MPa 和51.7 MPa。

3）摻入氫氧化鈣會與粉煤灰凈漿中的OH－和硅酸根離子發生反應生成水化硅酸鈣，促進地質聚合物的凝結。

4）溫度對地質聚合物凝結時間有著重要影響，隨著溫度升高，地質聚合物凝結時間顯著下降。