水玻璃碱渣用于制备地聚合物的试验研究

谈志平，王龙生，徐展

（苏州微观世界新材料有限公司，江苏 苏州 215100）

0 前言

随着环境保护要求的进一步加强，各种工业废弃物的综合利用得到了广泛的关注。粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣因排放量大受到格外关注，其综合利用率不断提高，目前矿渣的综合利用率已达 100%，粉煤灰和钢渣的综合利用率也稳步提升[1-3]。而一些非主流的工业废渣因产量相对较低，对其综合利用研究较少，其排放对环境造成严重的负担。

水玻璃碱渣是在水玻璃生产过程中固相溶解后生产的沉淀物，沉淀物主要由晶态二氧化硅和硅酸钠水合物组成，还有部分硅酸钙及氢氧化钙。由于硅酸钠水合物对熟料矿物的水化进程影响较大，水玻璃碱渣不适宜作为掺合料应用于水泥混凝土中。由于水玻璃碱渣中含有的高碱物质是制备地聚合物的关键组分[4,5]，本文尝试将水玻璃碱渣作为高碱组分与偏高岭土及粉煤灰配制耐久性能优良的地聚合物，以期寻求一个可以批量处置水玻璃碱渣的有效途径。

各氧化物组成范围的变化会导致地聚合物结构类型的差异，地聚合物有 PS、PSS、PSDS 三种结构类型，其中 PSS 型地聚合物的劈裂抗拉强度和剪切强度最高、抗渗性能最佳，因而应用最为广泛（PSS 型地聚合物中 SiO2/ Al2O3的摩尔比为 4±1）[5]。

1 试验

1.1 试验原料

（1）水玻璃碱渣：苏州某水玻璃企业，具体化学成分及 XRD 参见表1 和图1。

表1 水玻璃碱渣、偏高岭土和粉煤灰的化学成分 %

图1 水玻璃碱渣的 XRD 分析

（2）偏高岭土：山西金诚，比表面积 403m2/kg。

（3）粉煤灰：国华Ⅱ级灰，45μm 筛余 14%，流动度比 103%。

（4）水泥：鹤林 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，28d 强度为 51.7MPa。

（5）细集料：河砂，细度模数 2.6，含泥量为1.5%。

（6）粗集料：石灰石质碎石，5～25mm 连续粒级，含泥量 0.1%。

（7）外加剂：苏博特产 PCA-1 减水剂，减水率为23%。

（8）氢氧化钠：分析纯，国药集团。

1.2 试验方法

将水玻璃碱渣粉磨至比表面积为 400～450m2/kg，按照地聚合物的配比原则，调节水玻璃碱渣、偏高岭土及粉煤灰的比例，使得各氧化物的摩尔比符合 PSS 型地聚合物的理论值，在一定范围内调整偏高岭土与粉煤灰的比例、水玻璃碱渣与氢氧化钠的比例及水灰比，以期在保证地聚合物力学性能的前提下尽可能提高水玻璃碱渣的用量。在力学性能试验中，将地聚合物净浆制成 (40×40×160)mm3的试块，检验方法参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法》。

2 试验结果与讨论

2.1 偏高岭土与粉煤灰的比例对地聚合物力学性能的影响

由于偏高岭土中的 SiO2/Al2O3摩尔比为 2.5，粉煤灰中的 SiO2/Al2O3摩尔比为 2.3，两者较为接近，要得到 PSS 结构的地聚合物，必须加入硅质校正原料。水玻璃碱渣中的 SiO2/Al2O3摩尔比为 250，可以用作硅质校正原料，当水玻璃碱渣用量占偏高岭土和粉煤灰质量的 0.6%～0.7% 时，即可保证混合物的 SiO2/Al2O3摩尔比接近 4，不足的高碱物质由氢氧化钠补充，补充后混合物的 Na2O/Al2O3为 0.3。为保证地聚合物的工作性能，固定水灰比为 0.4，调整粉煤灰与偏高岭土的质量比，以纯偏高岭土为基准，粉煤灰的质量取代率从0～50%，测试地聚合物净浆的力学性能（见表2 和图2）。

表2 粉煤灰取代率对地聚合物抗压强度的影响

图2 粉煤灰取代率对地聚合物抗压强度的影响

结果表明，随着粉煤灰取代率的提高，地聚合物的 1d 和 3d 抗压强度有较大幅度的下降，但 7d 和 28d抗压强度的下降幅度不大。尽管粉煤灰与偏高岭土的SiO2/Al2O3摩尔比接近，但两者的反应活性相差较大，偏高岭土中的 Si-O 和 Al-O 发生断裂—重组反应，最终水化产物以离子键和共价键为主，其结构类似于陶瓷材料，因此表现出良好的早期活性，而粉煤灰发生火山灰反应的速度较慢，因此早期强度有着明显的下降。粉煤灰还具有良好的微集料效应，可优化材料体系的颗粒级配，当粉煤灰用量较多时，微集料效应弱化，水化活性不足，因此，当粉煤灰取代率超过 30% 时，地聚合物的 28d 强度亦明显下降。考虑到粉煤灰与偏高岭土的价格差异，在地聚合物中，粉煤灰与偏高岭土的质量比为3:7 较为合适。

2.2 氢氧化钠的用量对地聚合物性能的影响

基于粉煤灰和偏高岭土的性能价格对比，选定地聚合物中粉煤灰与偏高岭土的质量比为 3:7，当水玻璃碱渣用量占偏高岭土和粉煤灰质量的 0.62% 时，即可保证混合物的 SiO2/Al2O3摩尔比为 4。固定水玻璃碱渣的用量，调整氢氧化钠的用量（外掺，占混合物质量的 1.4%～5.7%），改变混合物中 Na2O/Al2O3的摩尔比（波动范围为 0.1～0.4），测试地聚合物净浆的力学性能（见表3 和图3）。为保证地聚合物的工作性能，固定水灰比为 0.4。

表3 氢氧化钠用量对地聚合物抗压强度的影响

图3 氢氧化钠用量对地聚合物抗压强度的影响

结果表明，地聚合物的抗压强度随着氢氧化钠的用量先提高后降低，在氢氧化钠用量占混合物质量的4%时达到峰值（此时 Na2O/Al2O3的摩尔比接近 0.3），这说明适量的碱是地聚合物产生良好力学性能的前提，碱量过低，Al、Si 溶出率低，聚合反应的产物减少；碱量过高，多余的 Na2SiO3作为无定形的硅酸析出，影响地聚合物的稳定性，对地聚合物的力学性能产生不利影响。在将水玻璃碱渣应用于地聚合物的制备过程中，氢氧化钠的用量为地聚合物质量的 4% 为宜。

2.3 水灰比对地聚合物性能的影响

至今为止，由于尚未发现可以有效调节地聚合物拌合物工作性能的减水剂，地聚合物拌合物的工作性能主要依赖于用水量的调节，水灰比已成为权衡工作性能与力学性能的关键点，此次试验中，选定地聚合物中粉煤灰与偏高岭土的质量比为 3:7，水玻璃碱渣用量占偏高岭土和粉煤灰质量的 0.62%，氢氧化钠用量占混合物质量的 4%，水灰比调节范围为 0.3～0.5，测试水灰比对地聚合物力学性能的影响，结果见表4 和图4。

表4 水灰比对地聚合物力学性能的影响

图4 水灰比对地聚合物力学性能的影响

试验结果表明，随着水灰比的增大，地聚合物的抗压强度逐渐降低，当水灰比低于 0.4 时，地聚合物抗压强度的下降幅度相对较小，当水灰比大于 0.4 时，地聚合物抗压强度的下降幅度明显增大。由于过小的水灰比影响地聚合物的工作性能，水灰比低于 0.3 时，地聚合物的成型都较为困难。水灰比增大时，颗粒之间的聚合作用下降，地聚合物拌合物的孔隙率增加，这些都导致地聚合物的力学性能下降。权衡工作性能与力学性能之间的关系，地聚合物的水灰比为 0.4 较为适宜。在此水灰比下，地聚合物有着良好的工作性能，且有着相对较高的力学性能。

3 结论

（1）水玻璃碱渣中含有晶态二氧化硅和硅酸钠水合物，可用作硅质调节材料，提高地聚合物中 SiO2/Al2O3的摩尔比，为批量处置水玻璃碱渣提供了一个有效的可行途径。

（2）粉煤灰与偏高岭土的质量比为 3:7，水玻璃碱渣用量占偏高岭土和粉煤灰质量的 0.62%，氢氧化钠用量占混合物质量的 4%，水灰比为 0.4，可制备出力学性能优良的地聚合物。