不同组分粉煤灰基地质聚合物砂浆的强度研究★

周雅萍，王 勇，洪雅妮，杨 锦

(1.浙江农林大学暨阳学院，浙江 诸暨 311800； 2.中天建设集团有限公司，浙江 东阳 322100)

1 概述

硅酸盐水泥是现有混凝土的主要构成部分，随着水泥的使用量逐年的增加，自然资源急剧消耗，生产过程中排放的二氧化碳、粉尘和有害气体也加重了温室效应和环境污染。地质聚合物作为一种新型绿色建筑材料，与普通硅酸盐水泥相比，它具有更高的强度、硬度、韧性、高稳定性和抗冻性，并且它的原料来源于粉煤灰、高岭土、钢渣等工业副产物[1]，可将这些工业废料回收利用，是硅酸盐水泥的优质替代品。

Nagalia等[2]通过研究表明，氢氧化钠溶液是唯一可以在力学强度上与硅酸盐水泥相媲美的碱金属激发剂。张天臣等[3]通过研究认为，适当的碱浓度(质量浓度，下同)可以提高地质聚合物的力学性能，但碱浓度的大小需要与实际结合。卢祎苗等[4]研究表明粉煤灰的增加使地聚合物的抗压强度下降，而含矿渣的量越高，地聚合物的抗压强度越大。李海宏[5]的试验研究结果表明:制备粉煤灰地质聚合物的最佳工艺参数为：水玻璃模数为1.5，水胶比(质量比，下同)为0.26，激发剂与粉煤灰之比为0.20，其地质聚合物28 d的抗压强度高达109.84 MPa。

张大旺等[6]对配合比设计的发展与影响因素进行了研究，表明地质聚合物原材料的复杂性与激发剂的多变性导致地质聚合物配合比的设计变化多样,国内外目前对配合比设计都没有一个标准。因此这值得我们对地质聚合物的影响因素进行更深入的研究。

2 实验概况

2.1 原材料

粉煤灰：产自河北科旭建材有限公司，其密度为2.4 g/cm3。

矿渣：产自河北科旭建材有限公司的粒化高炉矿渣，其密度为2.93 g/cm3，比表面积为459 m2/kg。

砂：厦门艾思欧标标准砂有限公司出品，中国ISO标准砂，粒径范围0.08 mm～2 mm。

水玻璃：产自嘉善县耐火材料有限公司，为液态硅酸钠水玻璃，呈透明粘稠液体，其模数为3.3，波美度为38.5，含氧化钠8.54%，二氧化硅27.3%，水的质量分数为64.16%。

氢氧化钠：来自东菀市勋业化学试剂有限公司生产的颗粒状分析纯氢氧化钠，其含氢氧化钠的量不小于99.9%。

水：选用实验室普通自来水。

该实验采用的粉煤灰及矿渣的化学组成见表1。

表1 粉煤灰及矿渣的化学组成

2.2 调节水玻璃模数

根据水玻璃模数的定义，可知增加含氧化钠的量即可降低水玻璃的模数。因为氢氧化钠的转化公式2NaOH→Na2O+H2O，所以通过添加氢氧化钠固体来降低水玻璃的模数。

因模数调节前后水玻璃溶液中含二氧化硅的量保持不变，且氢氧化钠转化为氧化钠的转换系数为1.29。综上所述，降低水玻璃溶液的模数所需氢氧化钠的用量可用式(1)求出：

(1)

其中，W为每100 kg水玻璃需加入的氢氧化钠固体的量，kg；M为原水玻璃溶液的实际模数；M1为要求的水玻璃溶液的模数；B为原水玻璃溶液中实际含氧化钠的量。

由上述公式可求出，将本文中的水玻璃溶液模数调节至1.2，需在每100 kg的水玻璃中加入19.28 kg的氢氧化钠固体。

2.3 试验方法和配合比

本文采用粉煤灰基地质聚合物作为硅酸盐水泥的替代品，以氢氧化钠和水玻璃作为碱性激发剂，研究含碱量、水胶比、矿渣掺量这三个因素对粉煤灰基地质聚合物砂浆力学性能的影响。

采用正交试验，试配并确定最终配合比，制备尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体地质聚合物砂浆，在标准养护后，通过水泥砂浆抗折抗压试验机分别在3 d,7 d,28 d的龄期测量抗压强度值，根据实验数据，分析水胶比、含碱量、矿渣掺量对砂浆扩展度和抗压强度的影响，并得出结论。

设计正交试验见表2，粉煤灰基地质聚合物砂浆的最终配合比见表3(以水胶比为0.4时为例)。

表2 正交试验因素水平

表3 水胶比为0.4时，地质聚合物砂浆的配合比

3 试验结果与分析

不同水胶比的砂浆抗压强度如图1～图3所示，可知：

1)砂浆强度随龄期增长而增大。

2)砂浆强度随含碱量增加而增大，但当矿渣掺量为30%和40%时，5%和6%碱含量的砂浆强度值相差不大，所以推测强度在含碱量过高的情况下不会持续增长，甚至可能降低。

究其原因，认为水玻璃和氢氧化钠溶液均为强碱溶液，激发了矿渣和粉煤灰的活性，增加含碱量，将加速两者的水化反应。但是过多的OH-离子使缩聚反应生成的水化物在矿渣颗粒表面形成了屏障，导致矿渣颗粒内部无法继续发生反应[7]，并且试件会出现泛碱现象导致内部留有孔隙，因此当矿渣掺量较大时，含碱量过高将使试件的抗压强度减小。

3)砂浆强度随着含矿渣量的增加而增大，但当水胶比为0.38时，30%和40%矿渣掺量的砂浆28 d龄期的抗压强度相差不大。

究其原因，认为矿渣的活性比粉煤灰好，析出Ca2+离子和[SiO4]4-反应更加容易，且矿渣的粒径较小、比表面积比粉煤灰大，当用矿渣等量替代粉煤灰时，能增加其与碱性激发剂反应生成的水化产物，骨料之间的空隙也能填充地更密实，从而砂浆的强度随着矿渣掺量的增加而增大。同时，当水胶比较低，矿渣掺量较多时，浆体中Ca2+离子浓度变高，由于没有足够的水参加水化反应，水化产物的生成量不会增加，试件的抗压强度也不会持续增加[8]。

4)砂浆强度随着水胶比的增加而先增加后减小。结合图1～图3，在矿渣掺量、含碱量相同的情况下，当矿渣掺量不大于30%时，水胶比为0.40的试件强度为最优；虽然当矿渣掺量为40%时，水胶比为0.42的试件强度略大于水胶比为0.4的试件强度，但两者抗压强度值相差不大。

究其原因，认为当水胶比过大时，浆体浓度变低，骨料上会附着多余游离水分导致黏结力下降，在硬化时会产生细微的裂痕，试件强度会降低。而水胶比过小，浆体形成不充分，水化反应不充分，降低了试件的强度。因此在满足工作性能的前提下，考虑到试验误差因素，认为水胶比为0.4是本次试验的最优水胶比。

4 结论

本文研究了含碱量、矿渣掺量、水胶比对粉煤灰地质聚合物砂浆抗压强度的影响，得到主要结论如下:

1)砂浆强度随含碱量增加而增大，但当矿渣掺量较大且含碱量过高时，强度不会随含碱量增大持续增长，甚至可能降低。

2)砂浆强度随着含矿渣量的增加而增大，但当水胶比较低时，其抗压强度不会随着矿渣掺量的增加而持续增长。

3)在保证砂浆工作性能的前提下，砂浆强度随着水胶比的增加，先增大后减小。