偏高嶺土-硅酸鈣地聚物微觀機制及抗壓強度研究

摘""""" 要：研究了堿激發(fā)劑模數(shù)和硅酸鈣摻量對偏高嶺土-硅酸鈣地聚物的物相、微觀結(jié)構(gòu)以及抗壓強度的影響。結(jié)果表明：偏高嶺土和硅酸鈣在堿激發(fā)劑的作用下發(fā)生溶解-聚合反應(yīng)，生成水化硅鋁酸鈉（N-A-S-H）膠凝材料，當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3、硅酸鈣摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為30%且養(yǎng)護期為28 d時，制得的偏高嶺土-硅酸鈣地聚物的結(jié)構(gòu)致密，其抗壓強度達到9.1 MPa。

關(guān)" 鍵" 詞：偏高嶺土；硅酸鈣；堿激發(fā)；地聚物

中圖分類號：TQ177.1+7"""""" 文獻標(biāo)志碼：A"""" 文章編號：1004-0935（2025）02-0193-04

地聚物這個概念是在1978年由法國人DAVIDOVITS提出的[1]，其是以含硅、鋁元素的且具有活性的天然礦物或礦渣作為原料，在氫氧化鈉、硅酸鈉等堿性激發(fā)劑的作用下發(fā)生溶解-聚合反應(yīng)，生成由[SiO4]4-和[AlO4]5-四面體組成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機高分子聚合物[2-3]。廢舊硅酸鈣板的主要成分為托貝莫來石、木質(zhì)纖維以及未反應(yīng)完全的石英（SiO2），可作為地聚物反應(yīng)前驅(qū)體，經(jīng)烘干、粉碎、過篩后，得到硅酸鈣粉體，將其與具有活性的礦物混合，通過堿激發(fā)的方式可制成地聚物。這種地聚物具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種綠色環(huán)保的、有望代替波特蘭水泥的膠凝材料[4]。

以偏高嶺土（MK）和硅酸鈣（WCS）粉體為地聚物反應(yīng)前驅(qū)體，以硅酸鈉和氫氧化鈉為堿激發(fā)劑，制備一種新型膠凝材料。考察不同堿激發(fā)劑模數(shù)（1.1、1.3、1.5）和硅酸鈣摻量（10%、20%、30%、40%）對偏高嶺土-硅酸鈣地聚物微觀結(jié)構(gòu)及抗壓強度的影響。

1" 實驗部分

1.1" 實驗原料

所用原料分別為偏高嶺土、廢舊硅酸鈣板、速溶硅酸鈉、NaOH、聚羧酸減水劑和自來水。偏高嶺土產(chǎn)自河北石家莊，其成分組成如表1所示；廢舊硅酸鈣板取自建筑工地；硅酸鈉購自河南鉑潤鑄造材料有限公司，模數(shù)為2.0（SiO2與Na2O的物質(zhì)的量比）；NaOH購自國藥集團化學(xué)試劑沈陽有限公司，純度為96%；聚羧酸減水劑購自江蘇弗克科技有限公司。

1.2" 試樣制備

1.2.1" 堿激發(fā)劑制備及模數(shù)調(diào)整

計算將堿激發(fā)劑溶液模數(shù)2.0調(diào)節(jié)至1.1～1.5所需要加入NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表2所示。

1.2.2" 試樣制備

取定量硅酸鈉溶于等質(zhì)量去離子水中，并加入NaOH，充分?jǐn)嚢柚频脡A激發(fā)劑。稱取定量偏高嶺土、硅酸鈣、聚羧酸減水劑以及自來水依次倒入配制好的堿激發(fā)劑中，使用JJ-5膠砂攪拌機對其進行攪拌，制得漿料緩慢澆筑到三聯(lián)模具中，并充分振實。將制備好的試樣放入養(yǎng)護室養(yǎng)護， 28 d后對其進行抗壓強度測試、物相分析以及微觀結(jié)構(gòu)表征。制備過程中，水膠比為0.4，水和堿激發(fā)劑的質(zhì)量比為1∶1，硅酸鈣摻量為偏高嶺土與堿激發(fā)劑總質(zhì)量的10%～40%，減水劑加入量為硅酸鈣質(zhì)量的2%。

1.3" 性能測試

性能測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—2021）[5]進行，采用YAW-300D微機控制抗折抗壓試驗機對試樣進行抗壓強度測試。然后，取部分樣品研磨成粉末狀并過篩后，采用D8 ADVANCE XRD物相衍射儀對其進行測試。另取部分樣品通過TESCANMIRA4掃描電子顯微鏡進行表征。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 堿激發(fā)劑模數(shù)對地聚物特性的影響

2.1.1" 堿激發(fā)劑模數(shù)對地聚物物相的影響

對硅酸鈣摻量為30%，養(yǎng)護期為28 d，模數(shù)分別為1.1、1.3、1.5時偏高嶺土-硅酸鈣地聚物試樣進行XRD表征，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，在不同模數(shù)的堿激發(fā)劑作用下，試樣均在2θ為15°～40°時出現(xiàn)彌散峰，而莫來石和石英晶體的衍射強度均有明顯降低，說明體系中的硅鋁氧化物被溶解，所產(chǎn)生的彌散峰則是N-A-S-H膠凝材料的特征峰[6]。同時，托貝莫來石晶體的特征峰強度變化不明顯，表明其在不同模數(shù)堿激發(fā)劑的作用下未被溶解且沒有參與地聚物反應(yīng)。因此，試樣在模數(shù)為1.1、1.3、1.5的堿激發(fā)劑的作用下，均產(chǎn)生N-A-S-H膠凝材料。

2.1.2" 堿激發(fā)劑模數(shù)對地聚物微觀結(jié)構(gòu)的影響

對硅酸鈣摻量為30%、不同堿激發(fā)劑模數(shù)（1.1、1.3、1.5）且養(yǎng)護期為28 d的偏高嶺土-硅酸鈣地聚物試樣進行SEM表征，結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，當(dāng)模數(shù)為1.1時，顆粒間存在較多孔隙，原因是OH-含量較高，與硅鋁氧化物迅速發(fā)生溶解反應(yīng)，生成的膠凝材料將其包裹，阻礙其進一步的溶解[7]，生成膠凝材料較少，不足以將顆粒緊密黏結(jié)，因此存在較多孔隙。由圖2（b）可以看出，當(dāng)模數(shù)為1.3時，試樣致密緊實，顆粒之間幾乎沒有孔隙，其原因是體系中OH-含量適中，溶解反應(yīng)速率平緩，生成較多膠凝材料，將顆粒間的孔隙充分填充，因此試樣更致密。由圖2（c）可以看出，模數(shù)增加到1.5時，試樣中存在較多未反應(yīng)的硅鋁氧化物及孔隙，原因是OH-含量低，硅鋁氧化物得不到充分反應(yīng)，生成膠凝材料少，不能完全填充顆粒間的孔隙，因此試樣疏松。故當(dāng)模數(shù)為1.3時，試樣的致密程度相對其他兩組更高。

2.2" 硅酸鈣摻量對地聚物特性的影響

2.2.1" 硅酸鈣摻量對地聚物物相的影響

對模數(shù)為1.3，養(yǎng)護期為28 d，硅酸鈣摻量分別為10%、20%、30%、40%的偏高嶺土-硅酸鈣地聚物進行XRD表征，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著摻量增加，試樣的衍射峰出現(xiàn)小角度偏移的現(xiàn)象，說明體系內(nèi)硅鋁低聚體的聚合度不斷提高[8]，硅酸鈣中的石英晶體的衍射峰強度輕微降低，說明其在OH-的作用下發(fā)生溶解，同時托貝莫來石的衍射峰強度有明顯增強，說明其性質(zhì)穩(wěn)定。因此，硅酸鈣摻量的增加使地聚物的聚合度提高。

2.2.2" 硅酸鈣摻量對地聚物微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同硅酸鈣摻量的偏高嶺土-硅酸鈣的SEM圖如圖4所示。

由圖4可以看出，體系內(nèi)的硅鋁氧化物被充分溶解，生成了N-A-S-H凝膠。隨著硅酸鈣的增加，地聚物的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不斷致密化的趨勢。由圖4（a）可以看出，當(dāng)硅酸鈣摻量為10%時，顆粒之間存在較多孔隙，原因是試樣中含有較多游離水，其在試樣養(yǎng)護過程中揮發(fā)，導(dǎo)致試樣內(nèi)部形成孔隙[9-10]。由圖4（b）和圖4（c）可以看出，20%、30%摻量的試樣更加致密。原因是托貝莫來石具有吸附性，可將游離水吸附，形成結(jié)構(gòu)水，減少水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的孔隙。由圖4（d）可以看出，當(dāng)硅酸鈣摻量增加到40%時，試樣中存在較大顆粒和孔隙，原因是漿料流動性差，由于漿料黏度過高而氣泡無法排出，導(dǎo)致試樣中存在較大孔隙。因此，硅酸鈣摻量為30%時最為合適。

2.3" 抗壓強度

分別對各組不同堿激發(fā)劑模數(shù)、硅酸鈣摻量下試樣在28 d的抗壓強度進行測試，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，堿激發(fā)劑模數(shù)在1.1～1.5時，試樣的抗壓強度先增加后降低。結(jié)合圖1和圖2可以看出，當(dāng)模數(shù)為1.1、1.5時，試樣中均存在較多孔隙，因此其抗壓強度較低；模數(shù)為1.3時，體系中生成較多膠凝材料，充分填充其內(nèi)部孔隙，因此抗壓強度較高。因此，最佳堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3。

當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3時，隨著硅酸鈣摻量的增加，試樣的抗壓強度呈先增長后緩慢下降的趨勢。 結(jié)合圖3和圖4可以看出，當(dāng)硅酸鈣摻量為10%時，試樣中存在較多孔隙，其抗壓強度較低。硅酸鈣摻量為20%、30%時，木質(zhì)纖維均勻分布在試樣中，起增韌作用[11]，試樣致密度更高，孔隙更少，因此其抗壓強度提高。當(dāng)繼續(xù)添加硅酸鈣摻量時，由于漿料的流動性差，導(dǎo)致試樣中存在較大孔隙，影響試樣的抗壓強度。因此，最佳硅酸鈣摻量為30%。

3" 結(jié) 論

偏高嶺土和硅酸鈣中的硅鋁氧化物能夠與堿激發(fā)劑進行溶解反應(yīng)，形成硅鋁低聚體，進一步聚合產(chǎn)生N-A-S-H膠凝材料。硅酸鈣的摻入，使體系內(nèi)生成多硅酸鹽低聚體，進而形成更多膠凝材料，同時提高了漿料的黏度，增強了體系中硅鋁低聚體的聚合度，從而促進了試樣抗壓強度的增長。當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3、硅酸鈣摻量為30%、養(yǎng)護期為28 d時，所制備的偏高嶺土-硅酸鈣地聚物的抗壓強度最大。

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Study on Microscopic Mechanism and Compressive Strength

of Metakaolin-Calcium Silicate Geopolymers

SUN Xiaoyu1， TIAN Yu’nan2， WEI Li1

（1. Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2. Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110158， China）

Abstract：" The effects of alkali exciter modulus and calcium silicate dosage on the physical phase， microstructure and compressive strength of metakaolin-calcium silicate geopolymer were investigated. The results showed that the dissolution-polymerization reaction of metakaolin and calcium silicate occurred under the action of alkali exciters to generate hydrated sodium silicate-aluminate （N-A-S-H） cementitious materials， and when the modulus of alkali exciters was 1.3， the mass fraction of calcium silicate was 30% and the curing period was 28 d， the structure of the resulting metakaolin-calcium silicate geopolymer was dense， and the compressive strength of the geopolymer reached 9.1 MPa.

Key words： Metakaolinite; Calcium silicate; Alkali-activation; Geopolymer