偏高嶺土—粉煤灰基地質聚合物的制備及其性能研究

宋紫閣，馮永明，周文靜

（1.新鄉學院土木工程與建筑學院，新鄉453000 2.河南綠錦市政園林工程有限公司，新鄉453000 3.逸文環境發展有限公司，新鄉453000）

1 前言

地質聚合物是法國科學家Joseph Davidovits[1]于20世紀70 年代發現的一種新型無機非金屬材料，被認為是21 世紀具有巨大應用潛力的綠色膠凝材料。地質聚合物由于其特殊的三維網絡結構，具有良好的力學性質。同時，地質聚合物具有收縮性較低[2]，早期強度高[3]，防火以及低能耗[4]等優點，在建筑材料以及能源領域引起了巨大的關注[5]。近年來，地質聚合物因其廣闊的應用前景及可作水泥替代品得到廣泛研究[3-4]。

C Lu 等人[6]研究了堿激發劑對地質聚合物強度的影響。余潤翔等人[7]研究了利用堿激發技術制備了煤氣化粗渣—粉煤灰基地質聚合物，并對所制備產物的性能進行研究。丁二寶等[8]研究了利用固態激發劑制備粉煤灰基地質聚合物的方法。

本文將偏高嶺土作為一種填料引入到地質聚合物中，詳細研究了制備工藝以及由廢棄剎車片改性后的地質聚合物試樣的力學性能和微觀結構等相關性能。結果顯示，地質聚合物組分中引入偏高嶺土后，其抗壓強度、抗折強度明顯提高。這表明偏高嶺土改性后的地質聚合物具有良好的應用前景。

2 實驗

2.1 原材料

本文所用的粉煤灰為靈壽縣加工廠的工業級產品。偏高嶺土為鞏義市生產的工業級產品，其細度為1250目，活性指數大于110。

采用X 射線熒光光譜儀（XRF）對原材料進行化學分析，其化學成分見表1。

表1.采用X 射線熒光光譜儀（XRF）對原材料進行化學分析

水玻璃，主要由二氧化硅組成，可以提供地質聚合反應階段的OH-，還能夠提供縮聚反應階段所需的硅酸根離子團，是一種復雜的水溶性硅酸鹽膠體溶液。本文實驗中，堿激發劑選用市售的工業級（鈉）水玻璃，其模數為3.3，固含量（固相與水的質量比）為34%。試驗采用市售的AR 分析純固體氫氧化鈉顆粒，純度為98.0%。

2.2 試驗方法

將粉煤灰及偏高嶺土粉末加入至水泥膠砂拌鍋中，將粉體攪拌均勻，之后加入由氫氧化鈉改性后的堿激發劑溶液，攪拌均勻。將攪拌后的均勻膠漿裝入模具中，振動成型。在養護箱中養護成型后脫模，繼續養護得到固體試件。制備流程如圖1 所示。

圖1 偏高嶺土- 粉煤灰基地質聚合物材料制備技術路線

2.3 分析和測試

本文通過測試試件的抗壓強度、抗折強度、折壓比，以及其微觀機理分析其性能研究。

抗折抗壓強度試驗：將成型的試件依據《水泥膠砂強度檢驗方法（JTG E30-2005）》進行抗折強度及抗壓強度測試，實驗組取每組3 個試件的平均值。通過計算得出其折壓比。

SEM分析采用日本電子牛津能譜生產的JSM-6360LV型掃描電鏡。

3 結果與討論

3.1 激發劑模數及含固量對地質聚合物強度的影響

本實驗通過添加氫氧化鈉調節堿性激發劑的模數，通過添加純凈水調節地質聚合物的固含量，將液固混合后攪拌30 分鐘，將攪拌后的膠漿注入模具后放置在標準養護箱中養護24h，脫模后放于自然環境下養護7 天，用抗折抗壓試驗機測定地質聚合物試件的抗壓強度及抗折強度，結果如圖2 及圖3 所示。

圖2 水玻璃模數對試件抗壓強度的影響

圖3 水玻璃模數對試件抗折強度的影響

如圖2 及圖3 所示，水玻璃的固含量及模數均對地質聚合物的強度產生了影響。當固含量較小（20%～28%）時，地質聚合物的抗壓強度隨著水玻璃模數的增加而逐漸降低。當固含量較大（＞28%）時，地質聚合物的抗壓強度隨著水玻璃模數的增加呈現先增加后減小的趨勢，并且在模數達到1.2 時，其抗壓強度最大。原因是，當水玻璃模數較高時，堿激發劑內堿性環境不充足，難以形成堿激發反應來激發粉煤灰的活性，因此試件強度較小；當水玻璃模數較低時，由于堿含量過高，加快了縮聚反應的進行，導致生成的固體凝膠包裹于原料粉煤灰，抑制了反應的進行，從而降低了抗壓強度。因此，固含量≥32%，水玻璃模數為1.2 時，試件具有較高的抗壓強度。針對不同固含量的水玻璃，地質聚合物的抗折強度均隨著模數的增加呈現先增加后減小的趨勢。并且當地質聚合物抗壓強度和抗折強度均較大時，所對應的水玻璃固含量及模數范圍區間存在較好的重疊性。地聚物折壓比（抗折強度/抗壓強度）大致為0.13 到0.21 之間。

綜合來看，當模數MS=1.2,SC=32%時，地聚物強度性能最佳，分別為抗壓強度σC=47.80MPa，抗折強度σB=7.27MPa，折壓比B/C=0.15。折壓比為考察板體類材料韌性較為重要的指標，在抗壓強度接近的情況下，折壓比越高，材料韌性越好。

3.2 養護方式的影響

按照3.1 節的結論，水玻璃模數選用1.2，固含量為32%，水灰比為0.60 時，制備粉煤灰基地質聚合物。

選取10%、20%和30%的偏高嶺土粉末替代等質量的粉煤灰粉末，制備試件后，將試件放至不同的三種養護條件下繼續養護：①自然養護：在30℃的烘箱中養護7天；②密封養護：在試件周圍密封上保鮮膜，放入30℃的烘箱中養護7 天；③濕氣養護：將試件放入至30℃，95%以上濕度的濕氣養護箱中養護7 天。7 天后脫模，測其抗折強度及抗壓強度。結果如下圖。

由圖4～圖6 可知，不同偏高嶺土摻量的地質聚合物在三種不同的養護方式下，抗壓強度及抗折強度相差較大。可以看出，濕氣養護條件下，不同偏高嶺土摻量的粉煤灰基地質聚合物的強度均隨著養護齡期的增加而增加，7 天后折壓比均可超過0.12。形成對比的是，30℃自然養護條件下，偏高嶺土—粉煤灰地聚物的強度總體偏低，低于2.5MPa，且隨養護齡期增加而逐漸降低；密封養護條件下，偏高嶺土—粉煤灰地聚物的抗折強度早期較高，但后期不穩定，增長不明顯，折壓比在0.13 上下。同時，濕養條件下，試件的折壓比也遠遠高于另外兩種養護方式。因此，綜合強度及折壓比考慮，試件在濕度為95%以上的濕養條件下達到的抗折、抗壓強度及折壓比最理想。

圖4 不同養護方式下含量為10%的偏高嶺土改性地聚物的力學性能

圖5 不同養護方式下含量為20%的偏高嶺土改性地聚物的力學性能

圖6 不同養護方式下含量為30%的偏高嶺土改性地聚物的力學性能

3.3 偏高嶺土摻量及強度增長規律的影響

偏高嶺土—粉煤灰基地質聚合物的強度與齡期的關系如圖7 所示，用偏高嶺土粉末替代等質量的粉煤灰粉末，偏高嶺土摻量分別為0%、10%、20%、30%，養護條件為濕氣養護。總體上看來，地聚物的強度隨著齡期的增長，抗壓強度和抗折強度均增加。

圖7 地質聚合物力學強度隨齡期增長的變化規律

由圖7，不同偏高嶺土摻量之間做對比可知：三種養護方式下早期抗壓強度形成均較快，養護時間的延長對抗壓強度的增長沒有明顯作用。隨著偏高嶺土摻量的增加，地質聚合物的抗壓強度呈現出先增加后下降的趨勢。抗折強度的變化也是同樣的情況。對于偏高嶺土—地聚物，抗折強度和抗壓強度均隨著偏高嶺土摻量的增加呈現先增加后下降的趨勢。當偏高嶺土摻量為20%時，偏高嶺土—地聚物的強度最高，也高于偏高嶺土摻量為0%的粉煤灰基地質聚合物強度。綜合考慮抗折強度及抗壓強度，當偏高嶺土摻量為20%時，偏高嶺土—粉煤灰基地聚物的強度效果最好。

地聚物抗折強度的形成較抗壓強度的形成緩慢。地聚物抗壓強度在一天內可以達到最終強度的90%以上，但是抗折強度在7 天齡期內均有所增加。偏高嶺土的加入提高了地聚物的抗折強度以及折壓比，其中，20%偏高嶺土摻量的粉煤灰基地質聚合物強度最高。

4SEM 表征分析

為了從微觀角度研究偏高嶺土—粉煤灰地聚物后，對含偏高嶺土的地質聚合物斷面進行了掃描電鏡觀測，結果如圖8、圖9 所示。

圖8 地質聚合物SEM照片

圖9 20%偏高嶺土摻量的地質聚合物SEM照片

由圖8 可知，偏高嶺土摻量為0%時，地質聚合物凝膠相微觀結構中有較多明顯的裂紋，這嚴重降低了其力學性能。另外，從圖9 可發現，添加有20%偏高嶺土的地聚物微觀結構中所存在的裂紋明顯減少，這是由于偏高嶺土顆粒表面存在有一些活性離子或基團，能與地聚物中O 等元素形成一定的化學吸附作用從而大大提高了地聚物基體的力學強度。

5 結論

（1）養護方式對地質聚合物的強度影響較大。試件在濕度為95%以上的濕養條件下達到的抗折、抗壓強度及折壓比最理想，濕養條件可以保證地質聚合物強度的穩定增長。

（2）當水玻璃模數選用1.2，固含量32%，水灰比為0.60，偏高嶺土摻量為20%時，在濕養條件下制備的地質聚合物強度最高。

（3）通過對偏高嶺土- 粉煤灰基地質聚合物的微觀機理分析，將偏高嶺土應用于粉煤灰基地質聚合物的制備中，有利于提高地質聚合物的強度。