无机矿物聚合物基快速修补砂浆

熊仕义 张伟伦 于美玲 乔仲月

无机矿物聚合物基快速修补砂浆

熊仕义 张伟伦 于美玲 乔仲月

本文目的，探究影响无机矿物聚合物基快速修补砂浆抗压强度和凝结时间的主要因素及其变化规律。探究方法，以矿碴和粉煤灰为主要原材料，加入纤维和减水剂作为辅助材料，在碱性激发剂作用下，常温下制备无机矿物聚合物砂浆和净浆。探究结果，水玻璃模数在0.76～0.93范围内，水玻璃掺量为0.34%，胶凝材料掺量为4时，无机矿物聚合物基快速修补砂浆可以兼顾早强和快硬；试件可在10～20min内凝结硬化，3d抗压强度达到33.9MPa；是一种早强快硬的新型修补材料。

无机矿物聚合物；快速修补砂浆；抗压强度；凝结时间

无机矿物聚合物是一种以无机[SiO4][AlO4]四面体为主要组成，具有空间三维网络状键接结构的新型无机硅铝质胶凝材料。本文以矿渣与粉煤灰为主要原材料，水玻璃为主要激发剂制备成无机矿物聚合物砂浆，以抗压强度和凝结时间为考核指标，研究了影响无机矿物聚合物快速修补砂浆抗压强度和凝结时间的主要因素及其变化规律，希望为应用和推广这种新型修补材料提供理论依据。

一、试验材料与方法

1、试验材料

（1）试验用粉煤灰是沈海热电厂二级原状灰，其化学成分见表1。

表1 粉煤灰的主要化学成分W%

（2）试验用矿渣是鞍山钢铁股份有限公司生产的粒化高炉矿渣，其化学成分见表2。

表2 矿渣的主要化学成分W%

（3）激发剂由水玻璃和氢氧化钠制成。市售硅酸钠水玻璃模数（Na2O与SiO2的摩尔比）为3.2，Na2O质量分数为8%，SiO2的质量分数为25%。通过加入分析纯固体NaOH调整水玻璃模数，将加入固体NaOH的水玻璃称为钠水玻璃。

（4）纤维选用石棉纤维。

（5）减水剂为聚羧酸系减水剂。

2、试验方法

将一定量的矿渣、粉煤灰和砂子加入搅拌锅中混合，加入水玻璃激发剂溶液，搅拌均匀。将均匀的砂浆装入40mm×40mm×120mm模具中，振动成型，在标准养护箱中养护24h后脱模，继续养护3天，得到固体样品。测定样品抗折强度和抗压强度。将一定量的矿渣、粉煤灰加入搅拌锅中混合，加入水玻璃减水剂溶液，搅拌均匀，将均匀的净浆装入维卡仪中，测定净浆凝结时间。

二、试验结果及讨论

1、水玻璃模数的影响

水玻璃模数对无机矿物聚合物基快速修补砂浆试块凝结时间和抗压强度的影响如图1所示。从图1(a)中可以看出：在矿渣/粉煤灰为4,液固比为0.4的前提下,当水玻璃模数小于0.96时，样品的凝结时间很低，如水玻璃掺量为0.63%，水玻璃模数为0.76时样品的初凝时间为12min，终凝时间为14min；随着水玻璃模数的增大，样品的凝结时间显著延长，当水玻璃模数达到1.17时，样品的凝结时间最长，如水玻璃掺量为0.63，水玻璃模数为1.17时样品的凝结时间达到36min；当水玻璃模数大于1.17时，样品的凝结时间呈下降趋势。

图1水玻璃模数对凝结时间和抗压强度的影响

图1 (b)为水玻璃模数对样品抗折强度和抗压强度的影响。由图中可以看出：随着模数的降低，其中低聚合度硅氧四面体的含量增加，促进了粉煤灰中铝硅玻璃相的解聚，促进胶体沉淀相的形成，提高无机矿物聚合物的强度。因此，在强度和凝结时间两者兼顾的条件下,水玻璃模数在0.76～0.93范围内较为理想。

2、水玻璃掺量的影响

水玻璃掺量（水玻璃与液体总量的比值）变化对无机矿物聚合物基快速修补砂浆试块抗压强度和凝结时间的影响如图2所示。

图2 水玻璃掺量对凝结时间和抗压强度的影响

从图2(a)中可以看出，随着水玻璃掺量的增加，浆体的凝结时间延长，当水玻璃掺量达到0.63%时,凝结时间达到最大,如水玻璃模数为1.6,掺量为0.63时浆体的凝结时间为22min；当掺量大于0.63%时，初凝时间开始缩短。

图2(b)为水玻璃掺量对样品抗压强度的影响。试验结果显示，水玻璃掺量对无机矿物聚合物强度有很大影响[1]。试验证明，水玻璃掺量0.34%为一个较适合的值。

3、胶凝材料掺量的影响

在水玻璃模数为0.96，水玻璃掺量为0.5%，液固比为0.4不变的前提下，单一改变矿渣/粉煤灰质量比为1、1.5、2.3、4 和 9，随着矿渣 /粉煤灰质量比的变化，无机矿物聚合物基快速修补砂浆的凝结时间的变化如图3所示。

试验结果显示，胶凝材料掺量对于无机矿物聚合物凝结时间有很大的影响。从图3中可以看出，随着矿渣/粉煤灰质量比增大，样品的凝结时间显著降低，当矿渣/粉煤灰质量比达到4时，样品的凝结时间达到最低，初凝时间和终凝时间分别为35.5min和56.5min；当矿渣/粉煤灰质量比大于4时，样品的凝结时间却呈上升趋势。因此，配制无机矿物聚合物基快速修补砂浆时，矿渣/粉煤灰质量比应在4左右。

4、纤维和减水剂掺量的影响

图3 矿渣/粉煤灰对凝结时间的影响

表3 纤维和减水剂对强度的影响

纤维和减水剂的掺量对无机矿物聚合物基快速修补砂浆强度的影响见表3。由表可见，纤维和减水剂对无机矿物聚合物基快速修补砂浆强度的影响很大。纤维掺入量为0g时，在常温下养护3d的抗压强度和抗折强度为7MPa和33MPa，纤维掺量增加到3.6g，抗折强度和抗压强度无明显变化，当掺入量为7.2g时抗压强度降低到18.5MPa，纤维掺入量的提高使得无机矿物聚合物基快速修补砂浆的强度降低。减水剂掺入量为0g是时，在常温下养护3d的抗折强度和抗压强度为8MPa和64.8MPa，掺量为3.6g时，抗折强度和抗压强度下降至7MPa和33MPa，减水剂的加入，使得无机矿物聚合物基快速修补砂浆的强度降低。

三、结论

1、无机矿物聚合物基修补材料试件随着水玻璃模数的增大凝结时间呈现先延长后缩短的趋势，抗压强度呈现出先增加后降低的趋势；随着水玻璃掺量的增加凝结时间呈现先延长后缩短的趋势，抗折强度呈现逐渐增大的趋势；随着胶凝材料掺量的变化，凝结时间呈现先缩短后延长的趋势。

2、当水玻璃模数在0.76～0.93范围内，水玻璃掺量为0.34%，胶凝材料掺量为4时，无机矿物聚合物基快速修补砂浆具有较大的抗压强度和较快的凝结间，分别为抗压强度达到33.9MPa，10～20min内可凝结硬化。

3、纤维和减水剂的加入不能提高无机矿物聚合物基快速修补砂浆的强度。

[1]Duxson P,Fernandez-Jimenez A,Provis J L,et al.Geopolymer terchnology:the current state of the art [J].Journal of Materials Science,2007,42:2917-2933

[2]安吉 吉 吉,王福川.碱激发化学结合陶瓷的反应机理.稀有金属材料与工程.2009,202-205

TQl72.6+88

B

1007-3922（2017）04-0029-04

熊仕义（1995-），男，贵州麻江县人，苗族，沈阳建筑大学材料学院，研究方向：无机非金属材料。张伟伦（1996-），男，辽宁省抚顺市人，汉族，沈阳建筑大学材料学院，研究方向：无机非金属材料。于美玲（1995-），女，辽宁省盘锦市人，汉族，沈阳建筑大学材料学院，研究方向：无机非金属材料。乔仲月（1997-），女，甘肃省白银市人，汉族，沈阳建筑大学材料学院，研究方向：无机非金属材料。

（责任编辑：于飞）