碱激发剂对地聚合物抗压强度的影响分析

李克亮 杜晓蒙 陶业成

华北水利水电大学（450045）

碱激发剂对地聚合物抗压强度的影响分析

李克亮 杜晓蒙 陶业成

华北水利水电大学（450045）

使用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、NaOH、水玻璃和水制备地聚合物，研究Na2O用量和水玻璃模数对地聚合物抗压强度的影响规律，从而提高地聚合物抗压强度。

地聚合物；碱激发剂；抗压强度

硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但是硅酸盐水泥本身也存在不足，能源与资源消耗大，在熟料煅烧过程中，因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量有害气体，导致严重环境污染[1].与硅酸盐水泥相比，地聚合物强度高，干缩小，具有独特的抗火、耐高温、抗酸侵蚀、抗硫酸盐侵蚀等性能，且能耗小，污染物排放量低[2]。碱激发剂对地聚合物性能有重要影响，本文通过试验分析碱激发剂浓度和水玻璃的模数对地聚合物抗压强度的影响。

1 地聚合物原材料与配合比

1.1 原材料

1）粉煤灰

粉煤灰是从煤粉炉烟道中收集的粉尘，化学成分以SiO2和Al2O3为主，通常含有60%～90%的玻璃体。本试验用于制备地聚合物的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其化学成分见表1，其中，SiO2和Al2O3两者总量达到82.02%。

表1 粉煤灰化学组成（%）

2）粒化高炉矿渣粉

高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，是一种具有玻璃体结构的硅铝质材料，具有很高的潜在活性。本试验用于制备地聚合物的粒化高炉矿渣粉为S95级矿渣粉，其化学成分见表2。

表2 粒化高炉矿渣粉化学成分（%）

3）碱激发剂

地聚合物中使用碱激发剂的主要作用是使铝硅质材料玻璃体网络结构发生解体、缩聚，最终形成地聚合物结构。地聚合物的碱激发剂主要是苛性碱[3]和碱金属硅酸盐。本项目使用的苛性碱为NaOH。碱金属硅酸盐为水玻璃，与苛性碱配合使用。本试验中使用的水玻璃的模数为2.8，固含量50.5%。

1.2 配合比

本试验使用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、NaOH、水玻璃和水制备地聚合物，配合比见表3。其中，矿渣与粉煤灰质量比为1∶1,水与矿渣、粉煤灰质量和的比为0.29,此处水包含了水玻璃中所含有的水。碱激发剂中Na2O用量（占矿渣与粉煤灰质量和的百分数）取5%、7%以及10%，在每种Na2O用量下，改变NaOH与水玻璃的比例，分别为5∶5，4∶6和3∶7，调整水玻璃模数为1.4、1.68和1.96。

表3 地聚合物配合比

2 地聚合物抗压强度影响因素

2.1 水玻璃模数对地聚合物抗压强度的影响

Na2O在一定用量（分别为5%、7%、10%）下，水玻璃模数为1.4、1.68和1.96时，地聚合物3 d、7 d和28 d的抗压强度试验结果见表4。图1、图2和图3分别为Na2O用量分别为5%、7%、10%时，不同水玻璃模数下地聚合物的抗压强度。

由表4、图1、图2和图3可知,随着龄期增长,地聚合物抗压强度均有较大幅度增长。在Na2O用量为5%时，水玻璃模数从1.4增加为1.96，地聚合物28 d抗压强度从76.9 MPa降低至52.4 MPa。在Na2O用量为7%时，水玻璃模数从1.4增加为1.96，地聚合物28 d抗压强度则从76.3 MPa降低至49.5 MPa。在Na2O用量为10%时，水玻璃模数从1.4增加为1.96，地聚合物28 d抗压强度则从70.2 MPa降低至34.8 MPa。试验结果表明：在Na2O用量不变的情况下，地聚合物的强度随着水玻璃模数的减小而增加。

表4 地聚合物抗压强度

图1 Na2O用量为5%时不同水玻璃模数下地聚合物的抗压强度

图2 Na2O用量为7%时不同水玻璃模数下地聚合物的抗压强度

图3 Na2O用量为10%时不同水玻璃模数下地聚合物的抗压强度

铝硅质材料中的铝硅玻璃相在激发剂的作用下发生解聚作用形成低聚的SiO4和AlO4[4]。随后低聚态的SiO4和AlO4产生缩聚作用形成胶体。因此，矿物聚合物强度的大小主要取决于胶体相的形成量。对水玻璃的研究表明，水玻璃的模数对其中硅氧四面体的结构有较大影响。在水玻璃中，存在着多种聚合度的硅氧四面体基团，且随着水玻璃溶液中SiO2浓度的降低，即随着模数的降低，溶液中低聚（如单聚、双聚、三聚）硅氧四面体的含量增加，高聚硅氧四面体的含量减少。当模数小于1.6时，水玻璃溶液中开始出现单聚结构的基团，其比例随着模数的减少而增加。研究表明，水玻璃的模数降低，低聚合度硅氧四面体的含量增加，促进了铝硅玻璃相的解聚及胶体沉淀相的形成，从而提高了地聚合物强度。

2.2 Na2O用量对地聚合物抗压强度的影响

在水玻璃同一模数（分别为1.4、1.68和1.96）下改变Na2O的用量为5%、7%以及10%，比较水玻璃同一模数下不同Na2O用量对地聚合物抗压强度的影响，试验结果见表4。图4、图5和图6为水玻璃模数分别为1.4、1.68、1.96时，不同Na2O用量下地聚合物的抗压强度。

图4 模数为1.4时不同Na2O用量下地聚合物的抗压强度

图5 模数为1.68时不同Na2O用量下地聚合物的抗压强度

图6 模数为1.96时不同Na2O用量下地聚合物的抗压强度

由图4、图5和图6可知，在水玻璃模数为1.4的情况下，Na2O用量为5%、7%和10%时，地聚合物28 d抗压强度是3 d抗压强度的2.33倍、2.15倍和2.62倍。在水玻璃模数为1.68的情况下，Na2O用量为5%、7%和10%时,地聚合物28 d抗压强度是3 d抗压强度的1.89倍、1.68倍和2.06倍。在水玻璃模数为1.96的情况下，Na2O用量为5%、7%和10%时，地聚合物28 d抗压强度是3 d抗压强度的2.15倍、2.01倍和1.82倍。试验结果说明：在水玻璃模数较低的情况下,在Na2O用量比较大时具有较大的强度增进率；在水玻璃模数较高的情况下，在Na2O用量比较低时具有较大的强度增进率。

3 结论

Na2O用量不变时，地聚合物的抗压强度随着水玻璃模数的减小而增加。

水玻璃模数较低时，Na2O用量大，则地聚合物强度增进率大；水玻璃模数较高时，Na2O用量低，则地聚合物强度增进率大。

水玻璃模数降低，低聚合度硅氧四面体的含量增加,促进了玻璃相的解聚和胶体沉淀相的形成，从而提高了地聚合物抗压强度。

[1]袁鸿昌,江尧忠.地聚合物材料的发展及其在我国的应用前景[J].硅酸盐通报,1998,23(2)：46-51.

[2]徐建忠,唐肖然.用粉煤灰和制革废水污泥等制备地聚合物材料[J].建筑材料学报,2007,10(1)：105-109.

[3]王聪.碱激发胶凝材料的性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.

[4]郑娟荣,覃维祖.地聚物材料的研究进展[J].新型建筑材料, 2002,23(4)：11-12.

项目资助：河南省科技攻关项目

项目编号：152102210118.