矿物材料的添加对地质聚合物性能的提升＊

王璐瑶

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安710075；陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安710075；自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安710075；陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安710075）

目前，在全球范围内，由于混凝土具有的优异机械性能、低成本、易于使用等优势，成为了应用最为广泛的建筑材料。但在水泥生产过程中，释放的二氧化碳约占环境释放的二氧化碳总量的5%～7%，被认为是加速全球变暖的重要原因之一，而地质聚合物材料不需要水泥作为粘合剂，因此成为了新型环保材料。地质聚合物可以利用工业副产品（例如稻壳灰、细粒径高炉矿渣、粉煤灰、硅粉和赤泥等）作为原料来处理工业废料，一般使用氢氧化钠或氢氧化钾和硅酸钠溶液来活化原料，聚合过程中所获得的地质聚合物凝胶具有胶凝特性，并在地质聚合物混凝土中充当粘合剂。

地质聚合物混凝土所采用的固化工艺一般为热固化，为了达到理想的抗压强度，固化温度多为60～100 ℃。但热固化过程需要特殊的布置，这大大提高了工艺成本并加大了操作难度，因此，为了扩大基于地聚物的混凝土在一般建筑中的应用范围，环境温度下的固化工艺得到了更广泛的关注，本文重点介绍了几种矿物的添加对地质聚合物混凝土性能的影响。

1 细粒径高炉矿渣

高炉矿渣是高炉从矿石中提取铁的过程中获得的废物副产品，主要由石灰和铝硅酸钙镁组成，其较高的玻璃化和颗粒状含量可提高混合物的反应活性，从而加速地聚反应和凝固过程。

1.1 初始性能

通常情况下，由于混合物中的硅酸盐成分非常黏稠，因此，地质聚合物混凝土的可加工性/流动性低于常规混凝土。因此，矿渣混入混凝土中会加速地聚反应和凝固过程，地质聚合物混凝土的初始和最终凝固时间显著缩短。但是，初凝时间与终凝时间之间的差异随着炉渣含量的增加而减小。对于掺有25%矿渣的粉煤灰土聚合物混凝土，凝结时间从295 min 急剧缩短到45 min[1]。与上述相反，在较高的炉渣百分比下，凝固时间显著缩短，这使得处理新鲜制备的混合物变得困难，因此可通过使用合适的缓凝剂进行控制。

1.2 机械性能

添加高炉矿渣后，常温固化的地质聚合物混凝土的机械强度也会提高，高炉矿渣含量每增加10%，28 d 抗压强度就会显著增加10 MPa。在使用地质聚合物砂浆的情况下，强度的增加甚至高于混凝土样品。当添加量为30%时，地质聚合物混凝土的28 d 抗压强度可达到55 MPa，地质聚合物砂浆的抗压强度可达到63 MPa。另外，添加高炉矿渣的地质聚合物材料具有良好的粘结强度和耐磨性，因此，可能会成为修补材料的良好选择。

1.3 耐久性

对于矿渣掺合粉煤灰地质聚合物，由于改善了基体的孔径并降低了孔隙率，因此，表现出优异的抗渗透性，在高温固化下可进一步增强。与不含矿渣的样品相比，在矿渣含量为50%的地质聚合物砂浆中，吸水率百分比的降低更快。在较大的矿渣含量下，形成的C-（A）-SH 凝胶具有大量的结构结合水含量，可填充孔隙空间，而仅粉煤灰基地质聚合物形成的NAS-（H）凝胶具有较小的孔隙能力阻塞。此外，掺有矿渣的粉煤灰地质聚合物对高温环境、硫酸钠侵蚀和火都具有良好的抵抗力。

2 偏高岭土

偏高岭土是通过煅烧天然黏土矿物高岭石[Al2Si2O5（OH）4]制成的无水硅铝酸盐材料。在二羟基化过程中，高岭石损失了结构水，形成了高度无序的结构（偏高岭土），该结构实际上是无定形的[2]。因此，偏高岭土颗粒可使地质聚合物基质的微观结构致密化，进而会降低其孔隙率。在存在碱/碱土的溶液中，这种无定形相结构具有很强的反应活性。

2.1 初始性能

与球形粉煤灰颗粒相比，偏高岭土颗粒具有较好的细度和板状结构，因此，需要更多的水才能达到类似的可加工性。因此，与粉煤灰混合物相比，偏高岭土混合物的固/液比更低。粉煤灰基地质聚合物中偏高岭土含量的增大提升了固液比，因此，增大的比表面积增加了对水的需求，并降低了混合物的可加工性，使压实变得困难。就聚合过程而言，偏高岭土比粉煤灰/稻壳灰反应性更好，因此，它提高了地聚反应的速率，从而加速了初始和最终凝固。

2.2 机械性能

通常情况下，抗压强度取决于偏高岭土含量、固化温度和固化时间，偏高岭土的加入会显著影响聚合速率和抗压强度。抗压强度的发展还受到偏高岭土添加地质聚合物中粉煤灰类型的影响。低钙粉煤灰地质聚合物砂浆的抗压强度较大，用偏高岭土替代粉煤灰可达10%，而高钙粉煤灰地质聚合物砂浆的抗压强度却呈下降趋势。偏高岭土的细颗粒尺寸起着微聚集体的作用，并填充了孔，从而降低了孔隙率并致密了微观结构。

2.3 耐久性

综上所述，偏高岭土颗粒使地质聚合物基质的微观结构致密化，这可能会降低孔隙率。偏高岭土掺混的粉煤灰土工聚合物比粉煤灰土工聚合物具有更高的内聚力，因此可改善微观结构和耐久性。

3 纳米二氧化硅

纳米二氧化硅通常是通过1500～2 000 ℃之间的汽化二氧化硅而获得的。纳米二氧化硅具有较高的细球形颗粒，其主直径为150 nm，具有较大的比表面积（15～25 m2/g）。

3.1 初始性能

纳米二氧化硅由于具有更多的球形颗粒和较大的比表面积，因此，需要更多的水才能达到所需的可加工性。添加到粉煤灰地质聚合物浆料中的纳米二氧化硅在初拌状态下呈刚性，且加工性较差。随着纳米二氧化硅含量的增加，流动性显著下降。通常情况下，纳米二氧化硅可用于加速凝结过程，并提高大体积粉煤灰或矿渣混凝土的早期强度。另外，纳米二氧化硅的无定形性质提高了二氧化硅和氧化铝相的溶解速度，并提高了聚合反应的速度。

3.2 机械性能

纳米二氧化硅可加速聚合，进而进一步影响强度特性。纳米二氧化硅通过其孔隙填充作用改善了混凝土基体的颗粒堆积，并进一步提高了混凝土的强度。有学者[3]向低钙粉煤灰土聚合物混凝土中添加0.75%的纳米二氧化硅，7 d 内其抗压强度已达到近80%，但之后有所下降；也有报道称，纳米二氧化硅含量较大时，抗压强度没有显著提高。因此，少量的纳米二氧化硅可能有助于获得良好的早期抗压强度。

3.3 耐久性

掺有纳米二氧化硅的地质聚合物砂浆的形态学研究表明，结晶化合物从无定形化合物的转化增加。通过适当百分比的纳米二氧化硅，可以显著改善地质聚合物产品的微观结构，从而降低孔隙率并提高耐用性。

4 结语

本文总结了在环境温度下通过添加矿物添加剂以增强地质聚合物产品的机械强度和耐用性的范围，细粒径高炉矿渣、偏高岭土和纳米二氧化硅均可作为合适的材料，添加量取决于各矿物材料的性质。虽然已得出可以使用高钙含量的添加剂来提升地质聚合物的性能，但是还需要更多的研究来确定其最佳用量。相信在不远的未来，使用纳米材料将进一步扩大地质聚合物材料在一般建筑中的应用范围。