玻璃微粉和粉煤灰制备地质聚合物的实验研究

张西玲,陈　林,向　芸,文忠和,王献忠

(萍乡学院 材料与化学工程系,萍乡　337000)



玻璃微粉和粉煤灰制备地质聚合物的实验研究

张西玲,陈林,向芸,文忠和,王献忠

(萍乡学院 材料与化学工程系,萍乡337000)

以粉煤灰和玻璃微粉为主要原料，水玻璃作激发剂制备了玻璃微粉粉煤灰基地质聚合物。讨论了玻璃微粉掺量、水玻璃掺量及模数、水灰比、养护温度各因素对制品抗压强度的影响。得出了优化的工艺条件为：水玻璃掺量12%，水灰比0.35，玻璃微粉掺量30%，养护温度40 ℃，水玻璃模数1.6。制备出了凝结时间正常，早强高强的地质聚合物。

地质聚合物; 粉煤灰; 玻璃微粉; 抗压强度; 工艺条件

1　引　言

地质聚合物(Geopolymer)是一种新型碱激发胶凝材料。由于其同时具备有机高分子的键接结构和无机物的特点，因而具有比普通水泥更为优异的力学性能和耐久性，另外，这类材料多以天然工业固体废弃物为主要原料，能产生的CO2比硅酸盐水泥少80%[1]，故受到广泛的关注，其应用前景也相当广阔。

粉煤灰是发电厂煤燃烧产生的主要固体废渣，Palomo和Hardjito 等[2，3]学者认为粉煤灰基地质聚合物表现出优良的力学和耐久性能，是未来水泥的发展方向。日常生产生活中不可避免地产生大量的废玻璃垃圾，玻璃是硅酸盐材料，具有极高的碱活性，可以作为制备地质聚合物的潜在原料。本文利用粉煤灰和废玻璃为主要原料，通过氢氧化钠和水玻璃的混合激发制备玻璃微粉粉煤灰基地质聚合物，研究玻璃微粉掺量、水玻璃掺量、玻璃模数、水灰比、养护温度对地质聚合物抗压强度的影响。

2　试　验

2.1原料

粉煤灰：来源于萍乡市安源发电厂排出的高炉粉煤灰，二级灰，比表面积为423 m2/kg，化学组成及烧失量见表1；

玻璃粉：玻璃粉是由啤酒瓶破碎后在球磨机中粉磨而成。比表面积为400 m2/kg，其粉体质轻顺滑，呈白色；

水玻璃： 液体硅酸钠，模数n为3.3 ，固含量约为37%；

氢氧化钠：分析纯，片状样品。

表1　原料的化学成分

2.2试验方案

选用玻璃微粉掺量、水玻璃掺量及模数、水灰比和养护温度等5个因素，每个因素各取4个水平，以抗压强度为考核指标，应用L16(45)正交表，因素水平表见表2 ，实验方案见表3。

表2　因素与水平表

2.3试验方法

将氢氧化钠、水玻璃和水等按一定的比例配制成一定模数的溶液, 陈放24 h后，再将其掺入按照正交实验方案设计的配比混合均匀的粉煤灰和玻璃粉中进行搅拌。将搅拌好的浆液注入40 mm×40 mm×40 mm的小试模中振动成型，每组6个试块，随后用保鲜膜覆盖，在一定的养护温度，相对湿度大于90%的条件下养护至有足够强度后脱模，用保鲜膜包裹起来置于室内养护至7 d，按照GB17671-1999《水泥胶砂强度强度检验方法》测定其抗压强度。

3　结果与讨论

从表3可以看出，水玻璃掺量极差R最大，水灰比的极差R次之，玻璃掺量的极差R再次之，养护温度的极差较小，水玻璃模数的极差R最小，即各因素对地质聚合物7 d抗压强度影响高低的排序为B>D>A>E>C。根据各因素下均值k1、k2和k3大小比较可以得出本试验的最佳工艺制度为B4D1A4E2C4，即水玻璃掺量12%，水灰比0.35，玻璃微粉掺量30%，养护温度40 ℃，水玻璃模数1.6。为了更直观的分析各个因素对抗压强度的影响，根据表3绘制了平均强度变化趋势图，见图1。

表3　正交试验结果

续表

图1　强度变化趋势图Fig.1　Compressive strength trend chart

3.1玻璃掺量对地质聚合物强度的影响

从表3和图1可以看出，制品强度随着玻璃掺量的增加而增大。玻璃掺量较小时，制品强度随着掺量的增加迅速增大，掺量由0%增至10%和20%时 ，强度增加幅度分别为12.64%和30.69%。但当其掺量为30%时强度增加幅度仅为4.7%，因而再继续增加玻璃掺量对强度的贡献基本较小。玻璃是含有大量硅和钙的具有无定形微观结构的硅酸盐材料。理论上只要粉磨至一定细度就会具有火山灰活性。玻璃微粉的火山灰反应化学方程式如下[4]：

SiO2+2OH-→nlCaO·SiO2·n2H2O(s)(C-S-H)

玻璃微粉越细，养护温度越高，其火山灰活性越好[5]。因而废玻璃完全可以部分取代粉煤灰作为地质聚合物的原材料。

另外，玻璃微粉具有一定的微集料作用。首先，废弃玻璃经过粉磨后，表面具多棱角的特性，可增加反应接触面，增强水化产物与微集料之间黏结效果；其次，玻璃粉的吸水率低，很多废弃玻璃的吸水率几乎接近零，手工预混的拌合物中玻璃微粉掺量越大，需水量越小，在水灰比较小的情况下，能使混合物更均匀的分散在浆体中，进而增大地质聚合物的强度。再次，玻璃微粉还具有较高的硬度，可进一步提高其强度。

3.2水玻璃掺量对地质聚合物强度的影响

从表3来看，水玻璃掺量对抗压强度的影响始终最大。由图1可知，水玻璃掺量较小时强度基本不受其影响，但当其掺量超过6%时，随着水玻璃掺量的增加地质聚合物的抗压强度持续增加，这表明水玻璃掺量越高对抗压强度越有利。水玻璃掺量从6%增至10%时，地质聚合物抗压强度显著增强，提升了7.84 MPa，增长幅度为45.68%，但从10%到12%时，抗压强度虽有增加，但仅增加了4.41 MPa，因而即便再增加水玻璃的掺量，强度的增长空间也不会很大，故水玻璃的最佳掺量为12%。这是因为强碱性环境使得粉煤灰和玻璃粉中的硅相和铝相迅速溶出，并随浓度提高而增加，溶出的硅铝相再聚合生成地质聚合物。聚合作用越大，铝溶解越多，从而可加速固体颗粒的进一步溶解，这样反应越彻底，水解产物强度越高[6-7]。当碱性激发剂掺量较小时，土聚反应进行得不够彻底，还有一部分强度没有发挥出来。随着碱性激发剂含量的继续增大，抗压强度表现出逐渐变小的趋势，这说明过量的碱性激发剂对地质聚合物的抗压强度产生了负面的影响[8]，过量的水玻璃会在聚合反应后残留下来，延迟聚合物的固化时间，降低其强度。

3.3水玻璃模数对地质聚合物强度的影响

3.4水灰比对地质聚合物强度的影响

水灰比对抗压强度的影响始终较大，级差9.85，最佳水灰比为0.35。从表3和图1可以看出，水灰比从0.35增至0.45时，抗压强度从28.15 MPa减少至18.3 MPa，随后随着水灰比的增加强度略有增加，仅为0.16 MPa。抗压强度随着水灰比的增大而减小。这是因为材料的强度主要取决于在材料固结过程中铝硅酸盐凝胶相与粉煤灰颗粒之间发生的化学反应，并在二者的接触界面上形成新的化学键导致[10]。当水灰比较小时，浆体流动性差，不足以满足水玻璃与粉煤灰及玻璃粉反应所需，并且随着水灰比增加，原料中的液相量相对增加，使得固化反应生成的凝胶相增多，于是在凝胶相和粉煤灰颗粒之间形成化学键的机会相应增加，从而使得材料的强度升高。但当水灰比过大时，会产生过剩的游离水，游离水的存在增加了地质聚合物的孔隙率，导致地质聚合物密实度降低，另外随着聚合反应后期为缩聚反应，本身需向体系外排水，过多的相对含水量妨碍了反应的进行[11]，从而使强度下降。通过前期实验发现，当水灰比小于0.35时，部分浆体稠度太大甚至无法成型，最佳水灰比为最小值0.35。

3.5养护温度对地质聚合物强度的影响

养护温度对地质聚合物的抗压强度影响不明显。从表3和图1可知，随着养护温度的提高，抗压强度变化较小，相差仅为6.38 MPa。虽然提高养护温度可以加快水化速度，可以提高早期强度。但是也会加大浆体早期的化学收缩和自收缩，造成基体开裂；另外，在湿度一定的条件下，环境温度越高，新拌混合物水分蒸发速率越大，从而引起毛细管收缩越大[12]，因此不难得出高温养护更易产生塑性收缩裂缝；再次，水分的蒸发在试件内部产生蒸汽压力，导致裂缝的生成及扩展[13]。三者叠加的效果是造成养护温度对地质聚合物抗压强度影响不大的主要原因。

3.6优选地质聚合物性能试验结果与分析

由正交试验得到的最佳工艺条件B4D1A4E2C4，即水玻璃掺量12%，水灰比0.35，玻璃微粉掺量30%，养护温度40 ℃，水玻璃模数1.6制备地质聚合物，并测试其凝结时间和抗压强度，实验数据见表4。

表4　地质聚合物的主要技术性能

由表4可知，通过优化设计，可制备出凝结时间正常，7 d强度可达42.35 MPa，28 d可达51.10 MPa且强度稳定的地质聚合物。

4　结　论

(1)利用粉煤灰和玻璃微粉为主要原材料，水玻璃为激发剂，可制备出凝结时间正常，早强高强且性能稳定的地质聚合物；

(2)采用正交实验确定的优化工艺条件为：水玻璃掺量12%，水灰比0.35，玻璃微粉掺量30%，养护温度40 ℃，水玻璃模数1.6;

(3)水玻璃掺量对材料抗压强度的最大，水灰比较大，玻璃掺量次之，养护温度较小，水玻璃模数最小；

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Preparation of Geopolymer from Glass Powders and Fly-ash

ZHANGXi-ling,CHENLin,XIANGYun,WENZhong-he,WANGXian-zhong

(Department of Materials and Chemical Engineering,Pingxiang University,Pingxiang 337000,China)

Fly ash and glass powders were used as main materials to prepare geopolymer with liquid sodium silicate and sodium hydroxide solution as activator in this study. Influence of several affecting factors such as the dosage and modulus of sodium silicate, liquid-solid ratio and curing temperature etc. on the compressive strength of products were discussed. The results showed that the optimized processing condition was as follows dosage of sodium silicate 12%, water cement ratio 0.35, dosage of glass powder 30%,the curing temperature 40 ℃,module of sodium silicate 1.6. Geopolymer with normal Setting time and early high strength was prepared.

geopolymer;fly ash;glass powder;compressive strength;processing condition

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13786)

张西玲(1975-)，女，副教授.主要从事复合型材料方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1918-05