激发剂模数及活性对偏高岭土基地聚物强度的影响研究*

陈治坤，崔潮，赵建伟，肖斌，彭晖，2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

激发剂模数及活性对偏高岭土基地聚物强度的影响研究*

陈治坤1，崔潮1，赵建伟1，肖斌1，彭晖1，2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

地聚物的强度是由激发剂外部影响因素及其原料内在矿物组成共同作用的结果。文中采用煅烧后的6种偏高岭土及4种不同激发剂模数水平制备地聚物，分别研究激发剂模数及偏高岭土活性对地聚物强度的影响，并建立强度与激发剂模数及偏高岭土活性的相关性数学模型。结果表明，激发剂模数增大，同类型地聚物强度降低；激发剂模数相同的条件下，偏高岭土活性增大，地聚物强度提高。

公路；地聚物；激发剂模数；偏高岭土活性；抗压强度

地聚物是指含大量活性氧化铝和氧化硅的天然矿物在激发剂作用下发生地质聚合反应所生成的硬质高强的聚合物。地质聚合物最早是由偏高岭土和碱性激发剂为主要原料，在温度环境为20～120℃的条件下硬化成型，经过一系列复杂的物理化学反应所生成的与陶瓷性能类似的新型材料，其拥有和普通水泥共同的性质，也拥有比普通水泥更加优异的性能，在未来有可能在公路及桥梁建设中部分取代水泥，是一种绿色环保的胶凝材料。

现有研究表明，地聚物力学性能的差异主要是由激发外部因素及其内在活性因素共同作用的结果。在地质聚合反应过程中，不同的激发剂模数会对地聚物的物相组成和微观结构等产生较大影响，进而使地聚物的力学性能表现出较大差异。Gao Kang、Lyu Syuan-Jhih等认为激发剂浓度及激发剂模数（SiO2／Na2O）是地聚物性能的关键影响因素。Gao Kang等通过试验发现，提高激发剂浓度会使偏高岭土基地聚物的凝结时间延长，但孔隙率会相应降低；Lyu Syuan-Jhih等认为地聚物的强度会随着改性水玻璃模数的减小而持续增大。上述学者对于激发剂模数对地聚物力学性能影响的研究结论并不统一，关键在于硅铝酸盐矿物本身的来源不同导致地聚物在相同激发剂条件下也表现出较大差异。而硅铝酸盐自身的活性即Al2O3的百分含量是影响其强度的最重要因素，因而寻求不同硅铝酸盐矿物自身的差异与固化温度之间的关系，并找到通用的关联模型尤为重要。

针对现有研究的不足，为了保证内部其他因素不为变量，该文以2种高岭土煅烧后得到的6种偏高岭土为原料，采用4种不同激发剂模数水平制备地聚物，通过抗压强度测试分别研究激发剂模数及偏高岭土活性对地聚物强度的影响，并建立强度与激发剂模数及偏高岭土活性间的数学模型用于地聚物强度快速定量判断。

1 试验方案

1.1 试验原料

原状高岭土并不能被强碱性激发剂激发而发生地质聚合反应，但经过适当高温煅烧后的高岭土可打破其层间结构而具备火山灰活性，能被强碱性激发剂激发而制备出地质聚合物。因此，将Shan Xi和Devolite两种高岭土分别置于马弗炉中，分别在600、700、800℃条件下煅烧12 h，得到Shan Xi-600、Shan Xi-700、Shan Xi-800和Devolite-600、Devolite-700、Devolite-800 6种偏高岭土。其中Shan Xi高岭土产自山西省大同市，Devolite高岭土由法国Imerys公司提供。采用X衍射光谱仪（XRF）分析确定偏高岭土的矿物组成，结果见表1。

强碱性激发剂由水玻璃（模数M=3.0）、工业片状氢氧化钠（纯度98%）及去离子水组成。

表1 偏高岭土的矿物组成

1.2 偏高岭土活性测定方法

采用日本理学株式会社D／MAX2550VB+对6种偏高岭土分别进行扫描，扫描范围为5°～95°，轰击金属Cu靶，结果见图1。由图1可看出偏高岭土含有大量极具活性的无定型物质。

图1 不同偏高岭土的XRD图

采用文献［11］中的“滴定络合法”对6种偏高岭土进行活性分析，按式（1）计算其Al2O3溶出率，结果见表1。试验证明，偏高岭土的活性与其所合成地聚物的力学性能有较高的吻合性，但仅适于定性表征，不适于定量分析。

式中：W1为偏高岭土Al2O3溶出率；V0为空白试验消耗的氯化锌标准滴定溶液的体积（m L）；V为测定试样消耗的氯化锌标准滴定溶液的体积（m L）；c为氯化锌标准滴定溶液的实际浓度（mol／L）；M为氧化铝的摩尔质量数值（g／mol），M=101.96 g／mol；m为材料的质量（g）。

1.3 地聚物的制备及强度测试方法

试验原材料所采用的水玻璃模数M=3.0，根据式（2）加入固体氢氧化钠，将水玻璃模数调整为M =1.2、1.4、1.6、1.8，并搅拌后完成水玻璃的改性。然后以改性水玻璃浓度C=70%与去离子水混合，制备成强碱性激发剂。

式中：m为每克水玻璃需加入的氢氧化钠的质量（g）；M为硅酸钠出厂时的模数；Ma为改性后的水玻璃模数。

将偏高岭土与强碱性激发剂以最佳固液比充分混合，使合成的地聚物浆体具有一定流动性以满足浇筑需要，然后缓慢注入到r=25 mm、h=50 mm的圆柱形模具中，在振动台上振动3 min后成型。在40℃固化温度条件下固化12 h，拆模后在常温下养护7 d，利用CMT-5105万能试验机测定其抗压强度（见图2），结果见表2。

图2 地聚物抗压强度测试

2 试验结果分析

2.1 激发剂模数对地聚物强度的影响规律

如图3所示，地聚物强度随激发剂模数的增大而降低。水玻璃本身是由不同聚合度的氧化硅和氧化钠所组成，水玻璃的模数即SiO2／Na2O是反映水玻璃性能的重要参数，在地质聚合反应过程中，水玻璃模数起着生成前驱体及缩聚形成最终产物的重要作用。激发剂模数增大，则NaOH含量减少，过少的NaOH无法提供足够的强碱性环境，偏高岭土中的Si-O、Al-O键很难断裂，溶解产物较少。少量的溶解产物形成带有羟基的胶凝体后也很难发生缩聚反应，生成高强度的N-A-S-H大分子聚合结构较少，故试件强度较低。随着氢氧化钠加入量的增大，水玻璃模数降低，粘结性能下降，但此时的地质聚合物强度并不依靠于硅酸钠的粘结性能，而是依靠其强碱性环境实现偏高岭土共价键的断裂和重组，碱性浓度越高，组成的地质聚合物的有序程度越好，强度也就越高。

表2 激发剂模数对偏高岭土力学性能的影响

图3 激发剂模数对地聚物强度的影响

2.2 偏高岭土活性对地聚物强度的影响规律

如图4所示，在相同激发剂模数条件下，地聚物强度随着偏高岭土活性的增加而增大。高岭土是由范德华键紧密结合在一起的层状结构矿物，高温煅烧会破坏其结晶状态，改变层状结构，形成层间错位的偏高岭土。高岭土经过煅烧后，原子排列不规则，变成了具有高活性的无定形的物质，成为一种结晶度很差的过渡相。煅烧过程中偏高岭土Al的配位数发生巨大变化，煅烧前的高岭土中只存在高度有序、单一、且活性很低的六配位的铝，随着煅烧温度的升高，铝在羟基脱去后变成五配位的铝氧结构。五配位的Al具有很高的活性，有且仅有五配位的Al可参与到地质聚合反应中，偏高岭土的活性即活性Al的百分含量。因此，偏高岭土的活性越高，参与到地质聚合反应中的Al越多，生成物含量增加，强度增大。

图4 偏高岭土活性对地聚物强度的影响

2.3 地聚物强度与激发剂模数及偏高岭土活性间的数学模型

如图5所示，地聚物强度与激发剂模数和偏高岭土活性均呈线性关系，可采用一次多项式进行拟合，得到地聚物强度z与激发剂模数X及偏高岭土活性Y的相关性模型为：

式中：p00=74.3；p10=-58.05；p01=0.485 4。

根据该数学模型，激发剂模数和偏高岭土活性对地聚物强度的组合影响效果与其单独作用影响效果之和基本相同。该模型的相关性较高，可用于地聚物强度预测。

图5 地聚物强度与激发剂模数及偏高岭土活性的关系

3 结论

（1）地聚物的力学性能受激发剂模数和偏高岭土活性的显著影响，其抗压强度随激发剂模数的增大而降低，随偏高岭土活性的增加而提高。

（2）激发剂模数和偏高岭土活性对地聚物力学性能的影响耦合效应不明显，两因素共同作用的影响效果与单个因素单独作用的影响效果之和基本相当。

（3）基于试验结果拟合得到地聚物强度z与激发剂模数X及活性Y的相关性模型为Z=74.3-58.05X+0.485 4Y，该模型可为进一步的研究和地聚物强度定制提供基础。

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U416.1

A

1671-2668（2016）06-0076-04

2016-06-01

国家自然科学基金资助项目（51578078）；长沙市科技计划项目（K1508020-31）；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新性项目（16ZDXK10）