以不同等级粉煤灰为原料的粉煤灰地质聚合物的性能研究

薛耀东

(南京润程交通科学研究院有限公司，江苏 南京 210000)

0 引 言

20世纪 70 年代，一种新型的胶凝材料被Davidovits教授发现并命名为地质聚合物，地质聚合物是一种无机三维网状胶凝体，其主要材料是高硅铝质天然矿物、固体废弃物和人工硅铝化合物等，作用方式为聚合作用，从而形成无机高分子聚合物。地质聚合物具有优良的力学性能且低能耗、低污染、耐腐蚀、生产成本低、工艺简单的优良特性，已在建筑、航空航天、快速修补、耐火隔热及重金属固化等领域取得了广泛的应用。

碱激发地质聚合物多以富硅富铝的硅铝酸盐为主，这些具有潜在水硬性活性物包括钢渣 矿渣、粉煤灰、硅灰及煤矸石等[1]，他们的矿物组成中的胶凝活性的硅酸盐或铝硅酸盐有高的经济价值。

其中粉煤灰是在燃煤发电厂产生的废弃物，其排放量巨大，对环境造成了很大的破坏，若直接进行填埋，填埋堆放的地方需要很大，并且造成严重的资源浪费，因此，国内外很多研究学者高度关注粉煤灰的回收利用。因为粉煤灰的内部为无定型的硅铝结构，可以通过碱性激发剂与之发生解聚反应，在适当的养护条件下可以生成无机胶凝材料，即地质聚合物。

对于碱激发地质聚合物的反应机制，杨南如等[2]进行了深入研究，认为粉煤灰组成中的玻璃体在碱性环境中发生了解聚，在OH-作用下，Si4+把O拉向周围使得Si—O键断裂。其他研究[3]表明反应环境的碱度对Si—O和Al—O键的断裂起到重要作用，环境pH越高，反应程度就越剧烈。在碱激发地质聚合物的形成过程中，水化过程中需要活性反应物SiO2、Al2O3以及Ca2+的共同作用，形成提供早期强度的C—S—H和C—A—H等凝胶性产物。[4]

粉煤灰中可溶出的活性Si(OH)4和AL(OH)4含量决定了粉煤灰化学活性。由于粉煤灰粒子的玻璃相结构致密，使得活性物质很难溶出。物理上可以将粉煤灰磨细，提高其反应表面积，促进水化反应，也可采用NaOH、Na2SiO3等溶液作为激发剂，促使地质聚合反应。

本次研究的粉煤灰从细度上分为三个等级，Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、Ⅲ级粉煤灰，Ⅰ级粉煤灰细度≤12.0%，Ⅱ级粉煤灰≤25.0%，Ⅲ级粉煤灰≤45.0%。粉煤灰细度的减小是需要通过球磨机来完成的，这导致它们之间价格会有比较大的差距，所以研究不同等级原材料的粉煤灰地质聚合物的制备也具有重要的经济价值。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用水玻璃为购买自新疆某工业市场的工业级水玻璃(模数 2.31，固含量55%，波美度50，Na2O含量为12.8%，SiO2含量为9.2%，透明度0.8)，所用NaOH(分析纯级)来自北京化工厂，所用砂为机制砂，水为试验室自来水。粉煤灰的化学成分见表1。

表1 粉煤灰的化学成分含量

1.2 粉煤灰地质聚合物的制备

试验事先配制好碱激发剂，碱激发剂用水、水玻璃与NaOH按一定比例配制而成。在拌和胶砂时，将碱激发剂倒入粉煤灰中，在搅拌90后，再将机制砂倒入，等充分搅拌完成后，迅速倒入模(40 mm×40 mm×160 mm)成型，将其放入标准养护室中养护0.5 d之后就可以拆模，之后还是放入养护室标准养护 3 d和7 d，用以测试3 d、7 d强度，抗折和抗压强度的试验参照新出的《水泥胶砂强度试验方法》(GB/T 17671—2020)规范进行。

2 结果和讨论

2.1 凝结时间和强度结果

以不同等级粉煤灰制备而成的粉煤灰地质聚合物的凝结时间、强度见表2，其中1.1～1.3表示Ⅰ级粉煤灰的三个试件，2.1～2.3表示Ⅱ级粉煤灰的三个试件，3.1～3.3表示Ⅲ级粉煤灰的三个试件。

表2 粉煤灰地质聚合物的凝结时间、强度

2.2 凝结时间和强度结果分析

以同一等级粉煤灰为原料得出的值的平均值作为代表值，根据表2试验结果绘制出粉煤灰地质聚合物凝结时间图、粉煤灰地质聚合物抗折强度图以及粉煤灰地质聚合物抗压强度图，如图1～图3所示。

图1 粉煤灰地质聚合物凝结时间图

图2 粉煤灰地质聚合物抗压强度图

由图1可知，Ⅰ级粉煤灰的初、终凝时间最少，最短的时间为7 min、15 min，时间差仅为8 min，Ⅲ级粉煤灰的初、终凝时间最长，最长的时间为31 min、57 min，最短时间差为19 min。初凝时间与留给施工人员操作的时间相关，初凝时间过短，往往来不及完成抹平等工作，初凝时间过长，又会导致不能快速开放交通，失去改材料极大的优势，得不偿失。因此，选择何种等级的粉煤灰需要根据实际情况考虑。

由图2、图3可知，粉煤灰地质聚合物的3 d、7 d抗压强度、抗折强度均随粉煤灰等级的增大而降低，即粉煤灰越细，抗压、抗折强度越大。当粉煤灰等级由Ⅰ级逐渐增至Ⅲ级时，其对应粉煤灰地质聚合物的3 d抗压强度由37.3 MPa逐渐下降至25.0 MPa，降低了33%；7d抗压强度由46.8 MPa逐渐下降至 28.9 MPa，降低了38.4%；当粉煤灰等级由Ⅰ级逐渐增至Ⅱ级时，其对应粉煤灰地质聚合物的3 d抗压强度由37.3 MPa逐渐下降至35.3 MPa，降低了5.4%；7 d抗压强度由46.8 MPa逐渐下降至 42.2 MPa，降低了9.8%；相对于到Ⅲ级粉煤灰来说，从Ⅰ级逐渐增至Ⅱ级时，强度的降低明显要更小。3 d抗折强度由4.7 MPa逐渐下降至2.8 MPa，降低了40%；7 d抗折强度由6.9 MPa逐渐下降至4.7 MPa，降低了31.9%。这说明地质聚合物中粉煤灰越细，反应会越充分，反应也会更迅速，体系更密实，因此会使抗压、抗折强度增加。

3 经济效益分析

试验使用的原材料Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、Ⅲ级粉煤灰在新疆市场购买的价格见表3。

表3 原材料粉煤灰在新疆市场购买的价格

从Ⅰ级粉煤灰到Ⅱ级粉煤灰，价格降低了25%，从Ⅰ级粉煤灰到Ⅲ级粉煤灰价格降低了75%，因此在使用何种等级的粉煤灰时，需要整体考虑价格和强度要求以及凝结时间。

4 结 论

(1) Ⅰ级粉煤灰的初、终凝时间最少，最短的时间为7 min、15 min，时间差仅为8 min，Ⅲ级粉煤灰的初、终凝时间最长，最长的时间为31 min、57 min，最短时间差为19 min。

(2) 相对于Ⅲ级粉煤灰来说，从Ⅰ级粉煤灰逐渐增至Ⅱ级粉煤灰时，强度的降低明显要更小，降低率为20%。

(3) 从Ⅰ级粉煤灰到Ⅱ级粉煤灰，价格降低了25%，从Ⅰ级粉煤灰到Ⅲ级粉煤灰价格降低了75%。