矿渣-粉煤灰基地聚合物性能研究

卢祎苗，吴正光，刘 聪，孙海峰，张 聪

扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127

0 引言

地聚合物是由富含硅铝相的原料,在碱激发剂的作用下,通过聚合反应生成的三维网络状凝胶体[1-2].地聚合物是一种碱激发剂胶凝材料,其原材料来源广泛,如粉煤灰、偏高岭土、矿渣等工业副产品.激发剂为高碱溶液,主产物为无定形的碱铝硅酸盐[3-4].相比于普通的硅酸盐材料,地聚合物具有更优的材料性能,抗压强度高、耐久性和抗腐蚀性好、早强快硬,而且其具有原料丰富、价格低廉、绿色环保等优点[5].

国内外学者[6-7]对矿渣-粉煤灰基地聚合物的制备工艺和性能进行了诸多研究.Kozo Onoue等[8]采用Taguchi的动态方法,优化粉煤灰基地聚合物砂浆的混合比例和制造条件.Kumar M等[9]人研究不同添加剂对粉煤灰聚合物砂浆的性能,发现含铝细集料可以提高材料的抗压强度,但铝粉会使抗压强度有所下降,煅烧黏土的掺入可以提高材料的强度和抗开裂性.程国东等[10-11]研究了不同因素对粉煤灰-矿粉基地聚合物胶砂性能的影响规律,发现水胶比对材料性能影响最大,而水玻璃模数影响程度最小,并得到粉煤灰-矿粉基地聚合物砂浆的最佳配比.本试验以高炉矿渣、粉煤灰为主要原料制备地聚合物,研究M(矿渣/粉煤灰)、水玻璃模数、NaOH浓度对地聚合物材料扩展度和抗压强度的影响,采用灰关联分析方法处理数据确定最佳配比.

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

试验所用S 95级矿渣(BFS)：灰白色粉末,平均粒径5.182 μm;Ⅱ级粉煤灰(FA)：黑色粉末，平均粒径16.55 μm.均产自河南巩义,两者主要成分见表1.

表1 原材料化学组成Table 1 Chemical composition of raw materials

碱激发剂由NaOH溶解于水玻璃中配制而成.所用水玻璃为模数3.3的液体硅酸钠,固含量64.16 %,波美度38.5 Be.调整水玻璃模数NaOH为纯度99 %的片状固体颗粒.

1.2 配合比设计

本实验液固比不变,即M(碱激发剂溶液)/M(粉煤灰+矿渣)=1.将矿渣、粉煤灰、碱激发溶液按一定比例在水泥搅拌锅中搅拌5 min,制备地聚合物浆体材料.

2 结果与分析

2.1 M(矿渣/粉煤灰)对矿渣-粉煤灰基地聚合物的性能影响

固定碱激发剂模数为1.3,NaOH浓度为40 %,M(矿渣/粉煤灰)从100 %降到50 %,以10 %为梯度,记为A 1～A 6,试验结果见图1.随着粉煤灰占比的增加,地聚合物的扩展度先增加后减小,3 d和28 d的抗压强度呈下降趋势.

(a) 扩展度

(b) 抗压强度

2.2 碱激发剂模数对矿渣-粉煤灰基地聚合物的性能影响

固定矿渣占粉体材料的质量比为80 %,NaOH浓度为40 %,碱激发剂模数从1.2上升为1.5,以0.1为梯度,记为B 1～B 3,试验结果见图2.碱激发剂模数越高,扩展度越大,抗压强度先增大后减小呈抛物线式并在1.4时达到峰值.

2.3 NaOH浓度对矿渣-粉煤灰基地聚合物的性能影响

固定矿渣占粉体材料的质量比为80 %,碱激发剂模数为1.3,NaOH浓度从35 %上升为40 %,以1 %为梯度,记为C 1～C 5,试验结果见图3.随着NaOH浓度的增加,即溶液浓度增加,溶质增加而水减少导致扩展度有所下降.随着溶液浓度的增加,地聚合物的抗压强度先增加后减小,当溶液浓度为39 %时,抗压强度最大.

(a) 扩展度

(b) 抗压强度

(a) 扩展度

(b) 抗压强度

3 灰关联分析

通过灰关联分析,得出影响扩展度和抗压强度的主要因素,进而选出地聚合物配比的最佳组合.

(1) 灰模式wi=[wi(1),wi(2),wi(3)],其中i是指代上文14种不同配比的地聚合物,结合上章数据列表2.

(2) 标准模式是每个指标中的最优值,因此称序列w0=(255,36.48,55.75)为标准模式(扩展度越接近260 mm越优).

(3) 为便于比较,对数据进行无量纲化处理,进行灰靶变换,得到表3.

(4) 灰关联差异信息空间Δ,计算与最优数据之间的差距,得到表4.

(6) 采用熵值法确定客观权重. 根据熵的定义,求得评价指标的熵权即权重系数αk=(0.141 713 0.566 817 0.291 47)

(7) 靶心度. 由靶心系数和权重系数的乘积可得14种不同配比的地聚合物的靶心度为(0.776 6 0.709 9 0.605 7 0.534 4 0.480 6 0.408 5 0.542 9 0.765 9 0.598 3 0.644 8 0.847 6 0.709 7 0.662 6 0.972 9),靶心度越大,综合性能效果相对越好,所以C 5方案最佳,考虑到经济的原因推荐采用C 2,即M(矿渣/粉煤灰)=0.8、碱激发剂模数为1.3,NaOH浓度为36 %时,地聚合物的综合效益最佳.

表2 灰模式Table 2 Grey model

表3 灰靶变换Table 3 Grey target transformation

表4 灰关联差异信息空间Table 4 Difference information property of grey correlation

表5 靶心系数Table 5 Target's center calculation

4 结论

(1) 当M(矿渣/粉煤灰)=0.8,碱激发剂模数为1.3, 地聚合物的扩展度随着NaOH浓度的降低而增大,模数低且浓度低进而导致碱激发剂中水含量高,因此水对材料的扩展度影响大.

(2) 矿渣含量越高,地聚合物的抗压强度也越大,尤其是早期强度提高明显.而粉煤灰的强度由于不易被碱激发剂激发,它的增加反而会使地聚合物的抗压强度下降.

(3) 通过灰关联分析方法对不同配比矿渣-粉煤灰基地聚合物性能数据进行处理,当M(矿渣/粉煤灰)=0.8、碱激发剂模数为1.3,NaOH浓度为36 %时,综合效益指标最优.