受激材料对地质聚合物砂浆强度的影响★

蒋达飞 张 璐 范满意 朱林辉 方晓东 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)



受激材料对地质聚合物砂浆强度的影响★

蒋达飞 张 璐 范满意 朱林辉 方晓东 谢子令

(温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

介绍了一种新型无机胶凝材料——地质聚合物砂浆，以立方体抗压强度为指标，探讨了不同受激材料复掺体系对地质聚合物砂浆强度的影响，结果表明，粉煤灰基地质聚合物砂浆的强度随偏高岭土掺量的增加而降低，而随矿渣掺量的增加而提高，矿渣基地质聚合物砂浆的强度随偏高岭土掺量的增加也呈现降低的趋势。

地质聚合物砂浆，受激材料，抗压强度，掺量

近年来，地质聚合物作为一种新型无机胶凝材料已经较为广泛地应用于水泥制品、砂浆、功能材料等方面，正在逐步取代传统水泥。在性能上，由于地质聚合物不存在硅酸钙的水化反应，相对于水泥而言，与砂石骨料连接更为紧密，具备界面结合能力强的特点。考虑以上特点，我们结合地质聚合物和工业废料(矿渣、粉煤灰等)制成新型地质聚合物再生混凝土，并主要对其力学性能进行研究。地质聚合物的概念最早由法国化学家J.Davidovits[1]于1979年提出。地质聚合物是一种坚硬的人造石材，由地球化学作用或人工模仿地质合成作用而制造出来的。这种人造石材具有天然岩石般的坚硬度、耐久性、抗腐蚀性以及热稳定性[2,3]。与普通硅酸盐水泥相比，地质聚合物具有能耗低、环境友好等技术上的优势，被誉为21世纪最具前景的绿色胶凝材料。目前由于地质聚合物主要采用高岭土，水玻璃以及NaOH或KOH为原料，加上一般生产规模较小，与水泥的价格优势不明显且传统的利用水泥的观念也需要一定时间才能转变，因此地质聚合物不可能在短时间内大量取代水泥，但随着其不断成熟的制备方法和应用技术，有希望在更多场合取代水泥。但是地质聚合物的硬化和强度产生过程与传统硅酸盐水泥水化硬化有本质区别[4]。

矿渣作为冶炼生铁而产生的副产物。据不完全统计,每生产1 t生铁，将产生矿渣0.3 t～1 t。而我国钢铁厂年均产生矿渣量高达8 000万t以上。大量的人力、物力和财力被消耗在这些矿渣的排放、堆积,然而环境污染的问题还是没能有效解决。因此,利用矿渣来制备地质聚合物,可达到事半功倍的效果。

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体颗粒。据不完全统计我国粉煤灰产量高达638 000 000 t，综合利用量为435 000 000 t，利用率仅为68.18%。每年我国大量土地被用于堆存逐年递增的粉煤灰，因此利用粉煤灰进行地质聚合物的制备也将变废为宝。

由于以上两种工业废弃物的主要化学成分与高岭土化学成分类似，均以CaO,SiO2,Al2O3为主，因此可以探究三种受激材料在钠水玻璃激发剂作用下单掺或者两两双掺对地质聚合物试块强度的影响。

1 实验原材料及方法

1.1 原材料

粉煤灰：购于温州某电厂，其主要化学成分及质量分数如表1所示，矿渣如表2所示。偏高岭土：购于福建某高岭土厂，其成分主要为质量分数为55.3%的SiO2及42.6%的Al2O3等。细骨料砂子采用ISO标准砂。

1.2 地聚合物制备

表1 粉煤灰主要化学成分及质量分数

表2 矿渣主要化学成分及质量分数

首先将纯NaOH片碱(纯度大于98%)溶解于水中，制成一定摩尔浓度的氢氧化钠溶液，再将配置的碱溶液与市售水玻璃(比重1.35，模数3.3，各成分的质量含量：Na2O,7.9%,SiO2,27.9%，水64.2%)按一定的质量比配置成碱激发剂溶液，并将激发剂溶液密封后放置在室内陈化24 h。碱激发剂中氢氧化钠的摩尔浓度以及氢氧化钠溶液与水玻璃的质量比对地质聚合物混凝土的强度影响显著，根据前期的配合比设计实验结果，本文采用的碱溶液摩尔浓度为18 mol/L，将氢氧化钠溶液与水玻璃按质量比1∶3混合，配置成碱激发剂。

其次将称量好的干粉料(不同掺量的粉煤灰与矿渣、粉煤灰与高岭土、矿渣与高岭土、标准砂)放入砂浆搅拌机中搅拌3 min，再加入碱激发剂(碱激发剂的量为干粉料质量的0.4倍)搅拌3 min，取出装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试模中，振动60 s成型。将装模后的制品放入设定好温度(温度60 ℃)的烘箱中进行养护，24 h后取出脱模，待试样冷却至室温。

最后采用液压伺服万能试验机(WAW-600，上海华龙)进行抗压强度测试，每组测试3块试样，以3块试样的平均值作为该组试样的抗压强度值。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰—偏高岭土受激材料体系

图1给出的是偏高岭土的掺量对粉煤灰/偏高岭土复掺地质聚合物砂浆强度的影响，可以看出地质聚合物砂浆的强度随偏高岭土掺量的增加而降低，当掺量为10%时，地质聚合物砂浆强度为37.3 MPa，较掺量为0%的纯粉煤灰基地质聚合物砂浆(空白对比样)的39.5 MPa减小了近6%；进一步增加偏高岭土用量至总受激材料的30%时，地质聚合物砂浆的强度降低至30.1 MPa，较空白对比样降低了23.8%；从中可知偏高岭土的掺量对粉煤灰/偏高岭土复掺地质聚合物砂浆强度不利，其强度影响曲线可用一次函数y=-0.314x+39.6(R=0.98)近似拟合，相似度高达0.98。

2.2 粉煤灰—矿渣受激材料体系

图2给出的是矿渣的掺量对粉煤灰/矿渣复掺地质聚合物砂浆强度的影响，可以看出地质聚合物砂浆的强度随矿渣掺量的增加而增加，当掺量为50%时，地质聚合物砂浆强度为82.064 MPa，较掺量为0%的纯粉煤灰基地质聚合物砂浆(空白对比样)的37.251 MPa增加了近120%；进一步增加偏高岭土用量至总受激材料的100%时，地质聚合物砂浆的强度增长至106.371 MPa，较空白对比样增加了近186%；从中可知矿渣的掺量对粉煤灰/矿渣复掺地质聚合物砂浆强度有明显优势，其强度影响曲线可用一次函数y=0.59x+48.8(R=0.93)近似拟合，其相似度达到0.93。

2.3 矿渣—偏高岭土受激材料体系

图3给出的是偏高岭土的掺量对矿渣/偏高岭土复掺地质聚合物砂浆强度的影响，可以看出地质聚合物砂浆的强度随偏高岭土掺量的增加而降低，当掺量为10%时，地质聚合物砂浆强度为83.23 MPa，较掺量为0%的纯矿渣基地质聚合物砂浆(空白对比样)的106.371 MPa减小了近22%；进一步增加偏高岭土用量至总受激材料的30%时，地质聚合物砂浆的强度降低至68.627 MPa，较空白对比样降低了35%；从中可知偏高岭土的掺量对粉煤灰/偏高岭土复掺地质聚合物砂浆强度不利，其强度影响曲线可用一次函数y=-1.19x+101.7(R=0.86)近似拟合，其相似度为0.86。

3 结语

以砂、石为骨料，粉煤灰、矿渣、偏高岭土为受激材料，水玻璃、氢氧化钠为激发剂制备了地质聚合物试块，研究了不同配比及掺量下地质聚合物试块的抗压强度。结果表明：

粉煤灰/偏高岭土体系中，两者的掺量对地质聚合物强度影响呈线性，随着偏高岭土掺量的增加，搅拌体流动性下降，试件强度下降，强度下降趋势可用函数y=-0.314x+39.6(R=0.98)近似表示，其相似度较高。

矿渣的掺入对地质聚合物强度有利，随着矿渣掺量的增加，体系(矿渣/粉煤灰)中CaO含量升高，试块抗压强度逐渐升高，趋势可用一次函数y=0.59x+48.8(R=0.93)近似表示。纯矿渣与纯粉煤灰地质聚合物试块相比强度提高186%。

矿渣/偏高岭土砂浆体系中，两者的掺量对地质聚合物强度的影响大致呈线性，随着偏高岭土掺量的增加，强度下降趋势可用函数y=-1.19x+101.7(R=0.86)近似表示。与矿渣—粉煤灰体系相比，在粉煤灰与偏高岭土掺量为0%～30%时，矿高体系使强度下降35.5%，而矿粉体系仅使强度下降12.8%，可见偏高岭土对地质聚合物强度提升更不利。

[1] DAVIDOVITS J. 30 years of successes and failures ingeopolymer application, market trends and potentialbreakthroughs[A].Geopolymer 2002 Conference[C]. Australia: Melbourne,2002：28-29.

[2] 马鸿文,杨 静,任玉峰,等.矿物聚合物材料，研究现状与发展前景[J].地学前沿,2009,9(4):398-407.

[3] 倪 文,王 恩,周 佳.地质聚合物21世纪的绿色胶凝材料[J].产业论坛新材料产业,2003(8):6.

[4] Davidovits J. Synthetic mineral polymer compound of thesilicoaluminates family and preparation process[P]. US: Pat4472199,1984.9.18.

[5] Van Jaarsveld JGS, Lukey GC, van Deventer JSJ, et al. The stabilization of mine tailings by reactive geopolymerization[J].Publ Australas Inst Min Metall,2000(5):363-371.

[6] DAVIDOVITS J. Geopolymer: inorganic polymeric newmaterials[J]. J Materials Education,1994(16):91-138.

[7] PHAIR J W, Van DEVENTER J S J. Effect of silicateactivator PH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers[J].Miner Eng,2001(14):289-304.

[8] 罗新春,汪长安.钙含量对偏高岭土/矿渣基地聚合物结构和性能的影响[J].硅酸盐学报,2015,43(12):1800-1805.

[9] LEE W K W, DEVENTER J S J V. The effect of ioniccontam inants on the early-age properties of alkali-activated fly ash-based cements[J]. Cement and Concrete Research,2002(32):577-584.

The influence of stimulated materials on the strength of geopolymer mortar★

Jiang Dafei Zhang Lu Fan Manyi Zhu Linhui Fang Xiaodong Xie Ziling

(College of Architecture and Civil Engineering, University of Wenzhou, Wenzhou 325035, China)

Introduced a new kind of inorganic cementitions material-geopolymer mortas. Consider cubic compressive strength as index, we have discussed the affects of geopolymer mortars strength by different kinds of double mixing system.The experimental results show that fly ash geopolymer mortars strength reduces along with metakaolin growth,and fly ash geopolymer mortars strength growth along with slag growth; slag geopolymer mortars strength reduces also along with metakaolin growth.

geopolymer mortars, stimulated materials, compressive strength, dosage

1009-6825(2017)16-0119-02

2017-03-14★:大学生创新创业计划项目(JWDC2015081)；温州市科技计划项目(S20140010)

蒋达飞(1996- )，男，在读本科生； 张 璐(1996- )，男，在读本科生； 范满意(1993- )，男，在读本科生； 朱林辉(1996- )，男，在读本科生； 方晓东(1994- )，男，在读本科生； 谢子令(1978- )，男，讲师

TU502

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