地聚合物混凝土抗压强度发展规律的研究*

王晴，丁兆洋，贺天姝，陈彦文

（沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳110168）

地聚合物混凝土抗压强度发展规律的研究*

王晴，丁兆洋，贺天姝，陈彦文

（沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳110168）

以矿渣、偏高岭土为主要原料，在碱性激发剂作用下形成地聚合物，并以此为胶凝材料制备地聚合物混凝土。研究了地聚合物组成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比与制备的地聚合物混凝土抗压强度之间的关系，并建立了地聚合物混凝土抗压强度与水胶比以及相同氧化物组成下地聚合物水泥净浆抗压强度之间的数学模型。研究表明： n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3，n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，水胶比=3.5时，地聚合物混凝土抗压强度达到最大值；通过多元线性回归分析，建立了地聚合物混凝土28d强度（y）与净浆28d强度（x1）、水胶比（x2）之间的数学模型为：y=22.99+0.62x1-21.88x2

地聚合物；混凝土；抗压强度；水胶比；n(SiO2)/n(Al2O3); n(Na2O)/n(Al2O3)

1 引言

地聚合物是近些年发展起来的一类新型无机非金属材料。这种材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物为主要原料，在碱性激发剂的作用下，原材料中的硅氧键和铝氧键发生断裂—重组反应，生成一种三维的网络状铝硅酸盐凝胶成分粘结的化学键陶瓷材料[1,2]。

本课题以矿渣和偏高岭土为主要原料，低模数水玻璃为激发剂制备地聚合物混凝土，以抗压强度为主要考核指标，研究了地聚合物混凝土抗压强度与地聚合物组成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比之间的关系，系统分析了地聚合物混凝土抗压强度与水胶比以及相同氧化物组分地聚合物净浆抗压强度的关系，希望为地聚合物材料更广泛的应用提供一定的理论依据。

2 试验

2.1 试验原料

矿渣采用鞍山钢铁股份有限公司生产的粒化高炉矿渣，其主要化学成分见表1。偏高岭土产自内蒙古，其主要化学成分见表2。水玻璃，模数3.4，Na2O含量为8.06%，SiO2含量为25.90%，由沈阳方达化工厂生产。细集料：细度模数为1.34，泥含量为0.42 %，使用时筛取5 mm 以下的颗粒，符合 GB /T17671—1999中国 ISO标准砂质量要求。粗集料：5～15 mm连续级配的石灰石碎石。试验用水为饮用自来水。

表1 矿渣的化学成分 %

1.2 试验方法

地聚合物的制备及抗压强度的测试过程按照普通混凝土力学性能试验方法标准（GBT50081-2002）进行。试验中矿渣、偏高岭土、水玻璃三种原材料用量按照各原料中的化学组成与试验规定的n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比、n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比和水胶比计算。NaOH的掺量按n(Na2O)/n(Al2O3)的摩尔比计算。地聚合物混凝土各因素的范围取值为n(SiO2)/n(Al2O3) 为3.3～4.2；n(Na2O)/n(Al2O3)为0.1～0.4；水胶比为0.3～0.45；水玻璃模数为1.4。

表2 偏高岭土的化学成分 %

2 试验及结果分析

2.1 n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比对抗压强度的影响

将n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比和水胶比固定不变：n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3，水胶比=0.4。改变地聚合物组成材料中n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比在3.3～4.2范围内变化，制备地聚合物混凝土试件。n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比对地聚合物混凝土抗压强度的影响如图1所示。

图1 n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比对混凝土抗压强度的影响

从图1中可以看出，地聚合物混凝土的抗压强度随着n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比的提高呈现出先增大后减小的趋势，当n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比为3.9时，抗压强度出现峰值。地聚合物水泥为矿渣和偏高岭土的混合料，主要成分为SiO2和Al2O3，它们在水玻璃和NaOH的激发作用下，发生Si-O键与Al-O的断键，随后进行重新键合，生成一种三维的铝硅酸盐凝胶体[3]。在完成聚合反应以后，Si元素和Al元素是以[SiO4]和[AlO4]存在于体系当中，这就构成了凝胶结构的基本骨架。如果提供的单体[SiO4]量增加，则有利于地聚合物的聚合，结构强度也增加，但如果单体[SiO4]量过多，不利于进行解聚与聚合，使强度表现出逐渐变小的趋势，过量的单体[SiO4]就会对强度的增长起到一定的抑制作用，在宏观上则表现为混凝土强度的下降[4]。经试验确定，当n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9时，地聚合物混凝土的抗压强度达到最佳值。

2.2 n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比对抗压强度的影响

将n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比和水胶比固定不变：n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，水胶比=0.4。改变地聚合物中的n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比在0.1～0.4变化，制备地聚合物混凝土试件。n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比对地聚合物混凝土抗压强度的影响如图2所示。

从图2中可以看出，地聚合物混凝土的抗压强度随着n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比的增大呈现先增大后减小的趋势，当n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比=0.3时，地聚合物混凝土抗压强度达到峰值。这是因为要使矿渣和偏高岭土混合料发生聚合反应，必须使体系中具有一定浓度的碱含量。存在适量的Na2O是在硅酸盐低聚物之间发生聚合反应的前提，从而使聚合材料达到一定的强度。碱含量的过多和过少都会影响地聚合物混凝土的抗压强度。过少则会使聚合反应的产物减少，影响地聚合物三维网络状结构的形成；过多则残余的Na2O会吸收空气中的CO2生成Na2CO3，多余的Na2SiO3作为无定形的硅酸析出，从而对混凝土的抗压强度产生负面的影响[5,6]。经试验确定，当n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比=0.3时，地聚合物混凝土的抗压强度最佳。

图2 n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比对混凝土抗压强度的影响

2.3 水胶比对抗压强度的影响

控制n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比和n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比不变的条件下：n(SiO2)/n(Al2O3)=3.9，n(Na2O)/n(Al2O3)=0.3。改变水胶比，使其在0.3～0.45之间变化，制备地聚合物混凝土试件。在养护规定的龄期测试其抗压强度值，水胶比对地聚合物混凝土抗压强度的影响如图3所示。

从图3中可以看出随着水胶比的增大，地聚合物混凝土28d抗压强度逐渐降低，说明水胶比0.35是一个临界值。过小的水胶比会影响试件的成型，成型过程中会产生分层现象，颗粒之间会存在着空隙，试件不够密实，从而影响试件的抗压强度。当水胶比为0.3时，地聚合物混凝土试件很难成型。过大的水胶比会使颗粒之间的溶液的碱性激发剂的质量浓度降低，颗粒之间的聚合作用下降，还会使试样的孔隙率增加，降低了试件抵抗荷载的能力，从而导致抗压强度的降低[7]。

图3 水胶比对混凝土抗压强度的影响

图4 地聚合物水泥净浆与其混凝土28d抗压强度的关系

2.4 地聚合物水泥净浆与其混凝土28d抗压强度的关系

固定水胶比为0.35，n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比为3.9，改变n(Na2O)/n(SiO2)摩尔比，研究地聚合物水泥净浆与其混凝土28d抗压强度之间的关系，试验结果见图4。

由图4可以看出，地聚合物水泥净浆、混凝土的28d抗压强度随着n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比的变化时均呈现出先增大后降低的趋势，且净浆28d强度大于混凝土28d强度。

随着n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比的增大，地聚合物水泥净浆强度和混凝土强度基本按相同规律变化，说明n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比对地聚合物的净浆强度和混凝土强度的影响规律是一样的。

2.5 地聚物混凝土28d抗压强度数学模型

通过36组试验研究水胶比和地聚合物水泥净浆28d抗压强度与混凝土28d抗压强度值之间的关系，试验数据如表3所示。

以x1(净浆28d抗压强度)、x2（水胶比）为影响因子，y(混凝土28d抗压强度)为考核指标，确立它们之间的数学关系， 所求回归方程为：

预测范围取值越大，预测值就越容易接近实际值，预测越不精确。反之预测值范围越小，预测值就越不接近实际值，但是预测较精确。由图5可以看出，预测强度值的预测范围水胶比＞水泥净浆28d抗压强度，测量值与预测值范围十分的接近，说明预测比较准确。

图5 无机矿物聚合物混凝土28d抗压强度的显著性

表3 地聚合物水泥净浆28d抗压强度和混凝土28d抗压强度值

3 结论

（1）随着n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比在3.3～4.2范围内变化，地聚合物混凝土的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，当n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比为3.9时，抗压强度出现峰值。

（2）随着n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比在0.1～0.4范围内变化，地聚合物混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势，当n(Na2O)/n(Al2O3)摩尔比=0.3时，地聚合物混凝土抗压强度达到峰值。

（3）水胶比为0.3地聚合物混凝土试件很难成型。随着水胶比的增大地聚合物的28d抗压强度逐渐降低，并在水胶比为0.35时出现强度最大值。

（4）地聚合物水泥净浆与混凝土28d抗压强度呈现出相同的变化规律，且地聚合物水泥净浆28d抗压强度大于地聚合物混凝土28d抗压强度。

（5）通过多元线性回归分析，建立了地聚合物混凝土28d抗压强度 （y）与地聚合物水泥净浆28d抗压强度（x1）、水胶比（x2）之间的数学模型为：

[1]袁玲，施惠生，汪正兰.土聚水泥研究与发展现状[J].房产与应用，2002(4):21-24.

[2]汪澜. 地质聚合物水泥与混凝土的研究[J]，商品混凝土，2005(1)：54-55.

[3] 聂轶苗.SiO2-Al2O3-Na2O(K2O)-H2O体系矿物聚合物材料制备及反应机理研究[D].中国地质大学，2006.

[4]D.Hardjito ，B.V.Rangan.Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer concrete.2005.

[5]张云升，孙伟，沙建芳等.粉煤灰地聚合物混凝土的制备、特性及机理[J].建筑材料学报，2003(3)：237-242.

[6]李海宏. 地质聚合物的制备及机理研究[D]. 西安建筑科技大学, 2007.

[7]刘磊. 矿渣基无机矿物聚合材料的研究[D].沈阳建筑大学，2007.

Research on development of geopolymer concrete compressive strength

Wang Qing, Ding Zaoyang, He Tianshu,,Chang Yanwen
(School of Material Science and Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China)

Slag and metakaolin are the main source materials. Water glass is activator to prepare slag-based geopolymer paste in the paper. Taking the different ratio of silicon to aluminum, ratio of sodium to aluminum and ratio of water to binder as the in fl uencing factors, analyze their in fl uence on the hydration processes of Geopolymer. The results showed that: n(Na2O)/n(Al2O3) =0.3,n(SiO2)/n(Al2O3) =3.9,w/b=3.5, the compressive strength of geopolymer concrete reached the maxium; mathematical model of geopolymer concrete compressive strength (y) between the factors of the ratio of W/B (x2) and geopolymer paste compressive strength (x1) was made through the method of regression analysis:y=22.99+0.62x1-21.88x2.

geopolymer; concrete; compressive strength; water/binder; n(SiO2)/n(Al2O3); n(Na2O)/n(Al2O3)

*沈阳建筑大学省级重点实验室2009年度开放基金资助项目

王晴(1965-),女，博士研究生，教授，硕士生导师，主要从事水泥基复合材料的研究。

[单位地址]辽宁省沈阳市浑南新区浑南东路9号，沈阳建筑大学材料学院（110168）