玻璃微粉改性偏高岭土地聚物的力学性能改善研究

刘博文 夏志浩

摘要：为探究废弃玻璃材料在偏高岭土地聚物中的潜在应用价值，本文将废弃玻璃瓶磨粉后加入偏高岭土地聚物中，进行了玻璃粉对地聚物的宏观力学性能测试。首先通过正交设计方法确认了最佳的碱激发剂模数、固含量、玻璃粉掺量、水灰比和养护方式组合，针对玻璃粉的加入会一定程度上劣化偏高岭土地聚物的强度问题，采用抽真空和添加混杂纤维的方式进行了玻璃微粉改性偏高岭土地聚物的力学性能改善研究。结果表明，抽真空可以明显改善地聚物的抗折强度和抗压强度，添加纤维能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折强度，并改善地聚物的断裂韧性。

Abstract： In order to investigate the application potential of waste glass in Metakaolin geopolymer （MGP）， the powder milled from waste glass bottles was added to Metakaolin geopolymer to explorer the macroscopic modification mechanism. The orthogonal design method was first used to determine the best parameter combination for waste glass powder modified Metakaolin geopolymer （WMGP）， such as the alkali module and solid content， dosage of waste glass powder， water-solid ratio and curing method. For the strength deterioration as the WG mixed into the MGP， vacuuming operation and the hybrid fiber were introduced to improve the mechanical properties of WMGP. The results show that the vacuum can significantly improve the flexural strength and compressive strength of the geopolymer. Adding fiber can provide the best glass powder modified geopolymer flexural strength and improve the fracture toughness of the geopolymer.

关键词：地质聚合物;偏高岭土;玻璃微粉;真空;纤维

Key words： geopolymer;metakaolin;glass fine powder;vacuum;fiber

中图分类号：TU528                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）02-0256-03

1  概述

偏高嶺土地聚物（MGP）是一种新型绿色可持续胶凝材料，相较于水泥，它具有抗腐蚀性好、收缩率小和碳排放低等优点[1]。碱激发条件下硅氧四面体和铝氧四面体构成的空间网状结构，赋予了地聚物较好的强度稳定性和重金属固化效果[2]。由于其独特的优点，近年来成为了很多国内外专家学者的研究热点。

固体废弃物的大量累积会破坏生态环境且造成资源浪费。在地聚物中消耗固体废弃物一般的目的是为提高材料性能或增加环保效益，比如在地聚物中添加钢渣增加化学反应速率[1]，添加粉煤灰控制化学反应水化热[3]，添加玻璃粉缓解环境破坏。据统计，每年我国将近产生5000万吨废弃玻璃，废玻璃回收率仅为13%，远低于50%的世界平均水平。这些玻璃随意丢弃后极难降解，容易对人畜造成伤害。目前较多将其作为矿物掺合料用于混凝土中，讨论其粒径、掺量等对混凝土施工和易性及力学性能的影响[4-5]。

同时，也有部分研究人员进行了玻璃粉改性地聚物特性研究[6]，讨论了玻璃微粉改性地聚物的工艺参数，但尚未讨论玻璃微粉改性地聚物强度的改善研究。本文首先通过正交试验确立了最佳的玻璃粉掺量及养护成型方式，针对玻璃粉的加入一定程度上对地聚物强度造成的损失，采用抽真空和掺加混杂纤维的物理手段，对玻璃粉改性偏高岭土地聚物的力学性能提升进行了研究。

2  原材料及工艺参数

2.1 原材料

偏高岭土为巩义市辰义耐材磨料有限公司生产，细度为1250目，活性指数≥110。玻璃微粉由废弃啤酒瓶破碎之后在洛杉矶磨耗仪中粉磨过0.075mm方孔集料筛得到。试验所采用的水玻璃由山东临沂绿森化工生产，其结构式为Na2O·mSiO2，水玻璃为透明液体模数为3.3，固含量为34%。以此水玻璃为原料，通过添加不同量的氢氧化钠分析纯以得到所需的不同模数的水玻璃。

本试验所采用的纤维为玻璃纤维和矿物纤维。本实验采用耐碱玻璃纤维，长度6mm。矿物纤维是采用特选的玄武岩等矿石为原料，在1500℃高温熔融、提炼抽丝并经特殊的表面处理而成，耐高温且外表平滑完整，见图1。

2.2 工艺参数

称取适量的偏高岭土和玻璃微粉混合均匀，加入配制好的碱性激发剂溶液，拌合均匀后，将胶体注入40mm×40mm×160mm三联模具中，在水泥胶砂振实台上成型试件。本试验采用L18（37）正交表，挑选出的主要因素为玻璃微粉掺量、固含量、水玻璃模数、水灰比、养护温度和养护条件，每个因素各取3个水平，如表1所示。表1中保鲜膜代表使用保鲜膜对脱模试件进行包裹密封。

三天后采用水泥胶砂抗折抗压试验机测定试件抗折和抗压强度，加载速率设定为抗压2.4kN/s，抗折是50N/s。得出玻璃粉改性偏高岭土地聚物的最佳抗折强度为6.8MPa，最佳抗压强度为54.3MPa，对应最佳配比为：玻璃微粉掺量10%，水玻璃模数1.4，水玻璃固含量38%，水灰比0.6，养护温度20℃，养护条件为湿养。相比同等养护条件，不掺玻璃粉的偏高岭土地聚物的抗压强度约为56.6MPa，抗折强度约为7.1MPa。因此，玻璃粉的加入会略微降低地聚物强度，抗压强度和抗压强度分别降低了约4.22%和4.06%。但总体上，玻璃粉改性偏高岭土地聚物的强度尚佳，拥有较好的潜在应用价值。

3  力学改善效果分析

3.1 抽真空

在玻璃粉地聚物胶体搅拌均匀后，采用3.7kPa大气压力对胶体抽真空操作10分钟，然后安全前述条件湿养3天，测试玻璃粉改性地聚物抗折抗压强度，结果如图2，其中Pure MGP代表不抽真空成型的纯地聚物，WMGP_B代表不抽真空成型的玻璃粉改性地聚物，WMGP_A代表抽真空成型的玻璃粉改性地聚物。

从图2可以看出，抽真空后玻璃粉改性地聚物的抗压和抗折强度分别为59.6MPa和7.4MPa，较未抽真空的提升9.8%和8.8%。表明通过抽真空，可以大幅改善玻璃改性地聚物的抗折和抗压强度。

选取抽真空前后地聚物抗折试验后断面，如图3所示。可以看出，未抽真空的玻璃粉改性地聚物断裂面上具有明显的肉眼可见空洞;而抽真空后地聚物断裂面表面基本没有肉眼可见空洞。

采用扫描电镜SEM进行抽真空前后玻璃粉改性地聚物微观结构测试（图4）。由图4（a）可知，当地聚物未抽真空时，结构较疏散，表面凸凹明显，有大量孔洞且在试样表面有明显裂纹。从图4（b）可以看出，抽真空后的地聚物样品表面孔洞明显减少，样品没有明显裂纹，结构更加密实。表明抽真空对与地聚物内部结构有明显改善效果，这与强度测试结果比较吻合。

3.2 复掺纤维

为进一步提升玻璃粉改性地聚物的力学性能，掺入干粉质量3‰的混杂纤维（玻璃纤维+矿物纤维）。100份的混杂纤维中，玻璃纤维与矿物纤维的比例分别为100：0，75：25，50：50，25：75和0：100。10%玻璃掺量地聚物振动成型后，纤维构成对地聚物三天强度影响如图4所示。

由图5可知，从100%玻璃纤维组成到100%矿物纤维组成变化过程中，改性地聚物抗压强度均值整体上递减趋势很缓;但若考虑强度变异性，则可以认为混杂纤维组成比例变化对玻璃粉改性地聚物的抗压强度几无影响。但是混杂纤维组成对改性地聚物的抗折强度有明显影响：混杂纤维组成为75%玻璃纤维+25%矿物纤维时，所得到的玻璃粉改性地聚物抗折强度最高7.7MPa，此时100%矿物纤维的玻璃粉改性地聚物抗折强度最低6.3MPa，二者相差约20%。玻璃粉改性地聚物力学性能在掺加最优组成混杂纤维（75%玻璃纤维+25%矿物纤维）前后，抗折强度提高了约13.2%。从试件加载至断裂过程中发现，掺加纤维后改性地聚物破坏时间有明显延长，且断裂不似未掺加纤维时的直接脆断。

为研究纤维对改性地聚物的断裂韧性，采用UTM-30试验机进行地聚物时间的跨中单点加载试验，加载方式为0.2mm/min。对常规成型玻璃粉改性地聚物（WMGP_N）、抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_V）和掺加3‰混杂纤维（75%玻璃纤维+25%矿物纤维）的抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_VF）三种地聚物7天试件进行断裂韧性测试，得到的加载力-跨中挠度如图6所示。

由图6可见，未抽真空的玻璃粉改性地聚物相对其他两种抽真空玻璃粉改性地聚物，荷载-挠度曲线斜率要更为缓和一些，结合前述抽真空后地聚物中孔洞大幅减少的现象，说明孔洞的存在是可以让地聚物拥有更好的结构柔度。两种抽真空地聚物的荷载-挠度曲线斜率接近，说明纤维的加入对地聚物抗弯刚度改善不明显。未掺加纤维时，抽真空地聚物相较不抽真空地聚物，结构更密实，表现为破坏强度大而破坏挠度小;掺加纤维后，抽真空地聚物的抗弯刚度略微下降但破坏荷载和破坏挠度均有所增加，且断裂后不像未掺纤维的地聚物荷载突变为零。图6表明抽真空能增加玻璃粉改性地聚物的密实度，提高材料抗弯刚度和破坏强度，但也会增加材料的脆性，降低玻璃粉改性地聚物的破坏挠度。添加混杂纤维能同时增加破坏荷载和破坏挠度，改善材料韧性。

4  结论

本文首先通過正交试验确立了最佳的玻璃粉掺量及养护成型方式，并证实了废弃玻璃粉在偏高岭土地聚物中的可行性。然后，通过抽真空和添加混杂纤维两种物理方式进行了玻璃粉改性地聚物的力学性能研究，得到的结论如下：

①最佳玻璃粉掺量为10%，但玻璃粉的掺加会略微降低偏高岭土地聚物的强度。在最佳玻璃粉掺量和养护条件下，玻璃粉改性地聚物强度较纯偏高岭土地聚物强度下降约4%。但总体上，玻璃粉改性地聚物强度尚佳。

②抽真空成型能大幅降低地聚物空间孔洞，提升地聚物抗折断裂强度，但会降低断裂挠度。

③75%玻璃纤维：25%矿物纤维的混杂纤维比例能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折强度，掺加纤维较抽真空能更好地改善玻璃粉改性地聚物的断裂韧性。

参考文献：

[1]BAI T， SONG Z G， WANG H， et al. Performance evaluation of metakaolin geopolymer modified by different solid wastes [J]. J Clean Prod， 2019， 226： 114-121.

[2]ZHANG， M.， ZHAO， M.， ZHANG， G. et al. A multiscale investigation of reaction kinetics， phase formation， and mechanical properties of metakaolin geopolymers [J]. Cement Concrete Comp， 2017， 78： 21-32.

[3]MOUNIKA M， MURALI， K. Development of low calcium fly-ash based geopolymer concrete using marble powder [J]. Int J Civ Eng， 2018， 9（3）： 815-823.

[4]刘光焰，秦荣，王晓峰.废玻璃应用于混凝土的试验研究[J].混凝土，2009，8：66-68.

[5]曾超，甘元初，柯国军，等.废玻璃粉混凝土力学性能试验研究[J].硅酸盐通报，2014，33（2）：377-381.

[6]张西玲，陈林，向芸.玻璃微粉和粉煤灰制备地质聚合物的实验研究[J].硅酸盐通报，2016，35（6）：1918-1922.

[7]HEAH C Y， KAMARUDIN H， BAKRI A M M A， et al. Study on solids-to-liquid and alkaline activator ratio on kaolin-based geopolymers， Constr Build Mater， 2012， 35（10）： 912-922.