木质纤维对粉煤灰-偏高岭土基矿物聚合材料的增韧性研究

匡敬忠， 徐力勇， 赵向川， 原伟泉

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

矿物聚合材料是一种新型的无机非金属材料，它是以天然铝硅酸盐矿物或工业硅铝类、长石类固体废弃物为主要原料合成的碱性胶凝材料[1-4]，如以高岭土、粉煤灰为原料合成的矿物聚合材料．因为矿物聚合材料具有强度高、耐高温、耐化学腐蚀强和抗渗性强以及能固化有毒和放射性元素等优良性能[5-6]，成为21世纪的“绿色材料”，得到了国内外学者的广泛研究，我国对矿物聚合材料的研究起步比较晚，矿物聚合材料的聚合机理尚不明确，缺乏工业上的应用[7-8]，并且矿物聚合材料作为一种无机非金属的刚性材料，在受到冲击力时，容易断裂，对于应用十分不利，因此，矿物聚合材料的韧性有待加强．

木质纤维，俗称木质素纤维，它是采用富含木质素的高等级天然木材，以及食物纤维，蔬菜纤维等经过酸洗中和，然后粉碎、漂白、碾压、分筛而得到的不同长度和细度的一类不溶于水的天然纤维，具有优异的柔韧性．很多学者对木质纤维及改性或复合的木质纤维进行研究[9-13]，使木质纤维被广泛应用于沥青玛蹄碎石（SMA）和混凝土中，改善它们的耐久性和抗折性，但是木质纤维在矿物聚合材料中的研究较少．本研究探究了木质纤维加入到矿物聚合材料中的方式，用粉煤灰、偏高岭土分别预处理木质纤维，选取最佳的加入方式，合成不同加入量的未预处理和预处理的木质纤维的矿物聚合材料，通过不同龄期的抗折强度的测试和X射线衍射，表征了3种木质纤维对粉煤灰-偏高岭土基矿物聚合材料的增韧性的效果．

1 实 验

1.1 主要原料

偏高岭土，是粒度为0．074 mm以下水洗高岭土在850℃下煅烧3 h制备的；粉煤灰，是C级粉煤灰（50%＜ω（ Al2O3+SiO2+Fe2O3）＜70%）；木质纤维，将废旧报纸撕碎，浸泡，经电动搅拌器搅拌至纤维浆而制得；骨料，为≤2 mm的建筑用砂．水洗高岭土和粉煤灰的化学组成见表1和表2所示．

表1 高岭土的化学组成/%Table1 Chemical composition of kaolinite/%

表2 粉煤灰的化学组成/%Table 2 Chemical composition of fly ash/%

1.2 试 剂

十六烷基三甲基溴化铵，分析纯；水玻璃的模数为 3．1～3．2，氢氧化钠溶液的浓度为 12 mol/L．

1.3 实验设备

JJ-1型精密增力电动搅拌器，JJ-4型测速电动搅拌器，DRX-4A型电热鼓风恒温干燥箱，JJ-5型水泥胶砂搅拌机，ZS-15型水泥胶砂振实台，40 mm×40 mm×160 mm钢制三联模具，RMT-150C型岩石力学试验系统，DX-2700型X射线衍射仪，XL30W/TMP型SEM扫描电镜．

1.4 试验方法

木质纤维预搅拌1．5 h后，分别加入十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂改性后的偏高岭土和粉煤灰，木质纤维与偏高岭土的质量之比为1∶1，与粉煤灰质量之比为1∶6，预处理45 min后洗涤、干燥，用扫面电镜进行表征．

以粉煤灰、偏高岭石为硅铝原料，其中粉煤灰占原料质量的30%，偏高岭土占原料质量70%，建筑用砂为骨料，固液质量比为4．5，氢氧化钠溶液与水玻璃组成液体碱激发剂，水玻璃占液体质量的65%，合成不加木质纤维和使用3种方式 （先于碱激发剂加入、与碱激发剂混合后加入、于碱激发剂之后）加入占原料质量0．5%木质纤维的矿物聚合材料．采用其中最佳的木质纤维加入方式，选取一定比例加入量的未预处理和预处理的木质纤维作增韧材料，再制备粉煤灰-偏高岭石基矿物聚合材料．制备的矿物聚合材料在常温下养护3 d、7 d和28 d，测试抗折强度，用XRD进行表征．

2 实验结果与讨论

2.1 偏高岭土、粉煤灰预处理木质纤维的结果

未预处理的木质纤维的SEM图如图1（a）所示．在十六烷基三甲基溴化铵的作用下，分别用粉煤灰、偏高岭土预处理木质纤维的SEM图如图1（b）、图1（c）所示．

图1 不同方法预处理的木质纤维的扫描电镜图Fig.1 SEM of without pretreatment（a） and fly ash（b）、metakaolin（c） pretreatment cellulose fiber

由图1（a）放大100倍的扫面电镜图可知，未预处理的木质纤维柔软、细小，弹性模量小，用粉煤灰、偏高岭土分别预处理木质纤维的表面吸附着粉煤灰、偏高岭土，粉煤灰预处理的木质纤维吸附粉煤灰的量比偏高岭土预处理的木质纤维吸附的偏高岭土的量更多；从图1（b）放大500倍的扫描电镜可知，未预处理的木质纤维细软，口径小，预处理的木质纤维，由于被粉煤灰或偏高岭土包裹，口径增大，硬度增强，弹性模量增大，预处理的木质纤维的表面还发生了粉煤灰、偏高岭土的团聚，偏高岭土在木质纤维表面团聚的颗粒更多，粉煤灰在木质纤维表面团聚的颗粒粒度更大；从图1（c）的2 000倍扫描电镜图可知，未预处理的木质纤维干燥、表面不平整，有细微的裂缝，用粉煤灰、偏高岭土预处理后的木质纤维被粉煤灰颗粒、偏高岭土颗粒包裹、支护，刚性增强.从图 1（b）、图 1（c）可以看出，粉煤灰包裹木质纤维比较均匀，颗粒较小，偏高岭土包裹木质纤维较为杂乱，包裹木质纤维的偏高岭土的粒度较大，粉煤灰包裹木质纤维比偏高岭土包裹木质纤维更紧密.

2.2 木质纤维加入方式对合成材料的抗折强度影响

抗折强度是表征胶凝材料的韧性的一种重要手段，样品韧性大，则抗折强度高[14].测试了未加木质纤维和用3种方式加入木质纤维的矿物聚合材料的抗折强度结果见表3.

表3 不同工艺的矿物聚合材料的强度Table 3 S trength of geopolymer materials in different process

从表3中可知，在矿物聚合材料合成早期，由于加入木质纤维，胶凝材料被隔开，水化反应小于未加入木质纤维的矿物聚合材料，因此，加入木质纤维的矿物聚合材料早期的抗折强度要小于未加入矿物聚合材料的抗折强度.矿物聚合材料合成后期，胶凝材料水化反应在足够的时间内，进行的比较充分，将木质纤维牢牢固定，木质纤维紧紧地连接着胶凝材料，在木质纤维具有优良的柔韧性下，矿物聚合材料的抗折强度得到提高.在3种加入木质纤维的方式中，与碱激发剂混合加入方式合成的矿物聚合材料抗折强度最高，表明木质纤维与碱激发剂混合加入的方式合成矿物聚合材料最佳，可能是因为与碱激发剂混合后加入的方式，使木质纤维表面具有更强的碱性，在合成对矿物聚合材料时，木质纤维表面能溶解活性硅铝原料，发生水化、硬化反应，使木质纤维与胶凝材料黏结的更加牢固.

2.3 3种处理的木质纤维对合成的矿物聚合材料的抗折强度影响

分别加入0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的未预处理的木质纤维、粉煤灰预处理的木质纤维和偏高岭土预处理的木质纤维到粉煤灰-偏高岭土基矿物聚合材料中，其3 d、7 d、28 d的抗折强度结果见表4.

表4 不同处理、不同添加量的木质纤维合成的矿物聚合材料的抗折强度Table 4 Flexural strength of geopolymer materials were made of cellulose fiber in different processing and adding amount

由表4可知，未预处理的木质纤维、粉煤灰预处理的木质纤维和偏高岭土预处理的木质纤维的加入量为0.5%时，制备的矿物聚合材料的7 d以后的抗折强度都大于未添加木质纤维的矿物聚合材料的抗折强度，表明加入木质纤维、粉煤灰预处理的木质纤维、偏高岭土预处理的木质纤维都有助于提高矿物聚合材料的韧性；由于粉煤灰包裹的木质纤维更紧密，量更多，因此，粉煤灰预处理的木质纤维对矿物聚合材料增韧性效果最好；随着未预处理的木质纤维和预处理的纤维的加入量的再增加，矿物聚合材料的抗折强度都呈现出下降趋势，并且加入偏高岭土预处理的木质纤维下降的最快，这主要是因为随着未处理的木质纤维和预处理的木质纤维的增加，越来越多碱激发的胶凝材料将会被隔开，甚至包裹分层，太大的界面不能使增韧材料与胶凝材料很好的胶结在一起，使矿物聚合材料的抗折强度下降.

2.4 XRD衍射分析

木质纤维以不同方式加入合成的粉煤灰-偏高岭土基矿物聚合材料的XRD衍射图如图2所示.不同处理方式及不同加入量的木质纤维合成的粉煤灰-偏高岭土基矿物聚合材料的XRD衍射图如图3所示.

图2 不同工艺下矿物聚合材料的X射线衍射图Fig.2 XRD of geopolymer materials in different process

由图2可知，木质纤维在碱激发剂之后加入、与碱激发剂混合后加入及在碱激发剂之前加入的3种合成工艺条件下，合成的矿物聚合材料的峰形逐渐弥散，可见具有无定形结构的生成物逐渐增多[15].与碱激发剂混合后加入的峰值最弥散，可见其硅铝原料与碱性液体的反应更充分[16]，效果最好.

图3 不同处理方式及不同加入量的木质纤维合成的矿物聚合材料的X射线衍射图Fig.3 XRD of geopolymer materials were made of cellulose fiber in different processing and adding amount

由图3可知，随着未预处理的木质纤维、粉煤灰预处理的木质纤维和偏高岭土预处理的木质纤维加入量的增加，矿物聚合材料的峰形逐渐由弥散转为尖锐，可见生成物中无定形结构逐渐减少[15]，阻隔了原料颗粒与液相间的反应，阻碍了非晶态胶凝相的生成.在木质纤维掺合的矿物聚合材料中，木质纤维的掺量为0.5%时，聚合材料的峰形较为弥散，表明原料中的硅铝溶解在碱性液体中，非晶态的胶凝相产生，水化反应较为充分.

3 结 论

研究了木质纤维的加入方式，不同处理的木质纤维在不同加入量下对矿物聚合材料韧性的影响，用SEM、XRD进行了表征，得出以下结论：

1）先于碱激发剂加入、与碱激发剂混合后加入、于碱激发剂之后加入的3种加入木质纤维到水泥胶砂搅拌机方式中，木质纤维与碱激发剂混合后加入对合成的矿物聚合材料增韧效果最好.

2）加入0.5%的未预处理和预处理的木质纤维，对矿物聚合材料的韧性增加最大，预处理过的木质纤维比未预处理的木质纤维的增韧效果更好，因为用粉煤灰预处理的木质纤维，粉煤灰包裹量更大、更紧密，所以用粉煤灰预处理的木质纤维增韧效果最好.

3）未预处理和预处理的木质纤维的加入量超过0.5%时，随着未预处理和预处理的木质纤维的量的增加，矿物聚合材料的韧性将减小.

4）经XRD分析：木质纤维与碱激发剂混合后加入的方式合成的矿物聚合材料，对非晶态凝胶相的生成及原料与液相间的反应具有促进作用；而随着未预处理和预处理的木质纤维的量的增加使生成的凝胶相相对减少.

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