可再分散乳胶粉对地质聚合物砂浆性能影响研究

程国东刘 泽黄天勇

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州310030；2.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083；3.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京100041）

地质聚合物是活性硅铝酸盐材料在碱激发条件下生成的具有三维网状的四面体结构材料，硅原子和铝原子以氧原子相互桥接，在此结构中，硅氧四面体和铝氧四面体分别为电中性和电负性，整个体系需要为电中性，从而金属阳离子分布于其中来平衡整个体系的电性。相对于水泥，地质聚合物的生产过程减少了二氧化碳的排放，节能环保，并且具备硬化速度快、早期强度高、耐腐蚀、耐高温等很多性能优点。地质聚合物可以由粉煤灰、矿粉等含有活性硅铝酸盐的工业固体废弃物制备，成本低。对于地质聚合物的外加剂研究较少，少数学者研究了部分外加剂对地质聚合物浆体的减水与缓凝作用。诸华军自主研发了BCH缓凝剂对偏高岭土—矿渣基地质聚合物浆体的影响，当BCH掺量为5.0%时，地质聚合物浆体具有最佳缓凝效果，20℃时地质聚合物浆体的缓凝时间比未掺加BCH时增加了20.4倍；80℃养护28d的地质聚合物试块抗压强度别比未掺BCH的提高了5.80%。Wang等研究了木质素磺酸盐对地质聚合物的作用效果，结果表明，木质素磺酸盐对于地质聚合物没有减水作用，并且降低了地质聚合物的抗压强度。聚羧酸减水剂是水泥基材料的重要减水剂，Criado等研究了聚羧酸减水剂在地质聚合物中的作用，发现聚羧酸减水剂能够显著提高地质聚合物的工作性，并能降低地质聚合物的黏性和屈服应力。而Palacios等研究表明聚羧酸减水剂对于地聚物混凝土工作性的影响与减水剂官能团种类和使用的激发剂有关。本文以粉煤灰和矿渣为原料，以水玻璃和NaOH复配为激发剂、天然砂为骨料，研究了不同可再分散乳胶粉掺量对地质聚合物砂浆性能的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

普通 II级粉煤灰（II FA）及矿渣（BFS），其化学组成见表1。

表1 原材料的化学组成和物理性能

试验所用水玻璃来自江苏无锡亚泰联合化工耗材有限公司的工业级水玻璃（模数2.31，固含55%，波美度 50，含Na2O 12.8 wt.%，SiO29.2 wt.%，透明度0.8），所用NaOH（分析纯级）来自北京化工厂，所用砂为天然河砂，水为实验室自来水，可再分散乳胶粉来自河北廊坊某化工厂。

表2 粉煤灰和矿粉的物相定量分析结果图（wt.%）

1.2 试块配比

本试验配合比中FA/BFS按照3:7，水玻璃模数统一为1.4，水胶比0.32。具体配合比见表3。

表3 胶粉掺量对地质聚合物砂浆试验的影响配合比设计

1.3 试验方法

试验首先将粉煤灰、矿粉、砂子以及减水剂等原材料混合充分，激发剂用水玻璃与NaOH配置而成，激发剂倒入胶材中，在搅拌90s后，测试砂浆扩展度，随后即可入模（40mm×40mm×160 mm）成型，将其室温养护1d之后，拆模测试1d强度，其余放入养护室标准养护28d，用以测试28d强度，砂浆扩展度按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度试验方法》进行，抗折强度和抗压强度的试验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验方法》进行，并选用较优配比和较差配比制备净浆试块进行扫描电镜，XRD微观测试。

2 结果与讨论

2.1 砂浆扩展度和强度结果分析

根据表3试验结果绘制出在两种不同水玻璃掺量下，加入不同种类减水剂的砂浆扩展度图、砂浆抗折强度图以及砂浆抗压强度图，如图1～图3所示。

图1 不同配合比砂浆扩展度

由图1可知，配比1号和2号胶粉掺量分别为1.1%和1.6%，地质聚合物砂浆扩展度分别为220 mm和205 mm；配比4号胶粉掺量为2.6%时，地质聚合物砂浆扩展度最大为230 mm；而配比3号胶粉掺量为2.1%时，地质聚合物砂浆扩展度最小，为190 mm，比最大扩展度小40 mm；从配比1号到3号，即胶粉掺量从1.1%到2.1%，地质聚合物砂浆扩展度呈现减小的趋势，当胶粉掺量增大到2.6%，地质聚合物砂浆扩展度开始变大，并且大于其它配比条件下的砂浆扩展度。综上可得，胶粉在一定掺量范围内可能对地质聚合物砂浆工作性产生不利影响，而继续增大胶粉掺量，地质聚合物工作性可能会提高。

图2 不同胶粉掺量条件下粉煤灰—矿渣基地质聚合物砂浆抗折强度

图3 不同胶粉掺量条件下粉煤灰—矿渣基地质聚合物砂浆抗压强度

图2 和图3分别为不同胶粉掺量条件下粉煤灰—矿渣基地质聚合物抗折强度和抗压强度。由上述两图可知，随着胶粉掺量增大，地聚物砂浆1d抗折强度呈现先降低后增大又下降的趋势。配比2号胶粉掺量1.6%，1d抗折强度最小为3.7 MPa；配比3号胶粉掺量2.1%，1d抗折强度最大4.5 MPa，1d抗压强度随胶粉掺量增大而急剧下降，而后趋于平缓；配比1号胶粉掺量1.1%，1d抗压强度最大为43.0 MPa；配比2号胶粉掺量1.6%，1d抗压强度最大为36.0 MPa，28d抗折强度随胶粉掺量增加呈现先增大后下降又增大的趋势；配比2号胶粉掺量1.6%，28d抗折强度最大为7.3 MPa；配比3号胶粉掺量2.1%，28d抗折强度最小为6.3 MPa。28d抗压呈现先增大后又急剧下降，但就1d和28d强度而言，1-4号配比下的胶粉掺量均符合JC/T2381-2016《修补砂浆》标准。综合地质聚合物砂浆扩展度和强度结果，配比2号1.6%的胶粉掺量为制备粉煤灰—矿渣基地质聚合物砂浆的最佳掺量。

2.2 扫描电子显微镜（SEM）

图4 配比2号和配比4号地质聚合物砂浆的SEM图

图4 为配比2号和4号扫描电镜图。a图为配比2号样品的扫描电镜图，b图为配比4号样品的扫描电镜图。对比可以看出，a图中试样整体结构比较致密，基体生成相明显；b图中样品结构松散，表面存在较多坑洞和裂缝。两者表面未发现不规则颗粒状的矿渣颗粒，分析认为，矿渣中的无定形矿物相含量比粉煤灰中的无定形矿物相含量高，并且矿渣中氧化钙含量较多，碱激发条件下溶解更快，可以为体系提供大量Ca2+，生成大量C-S-H，反应速率更快。b图中样品表面存在少量球形颗粒，可能是未完全反应的粉煤灰颗粒，随着胶粉掺量增加，地质聚合物砂浆浆体粘性增加，同等条件下，地质聚合物浆体难以振实，导致反应不充分，地质聚合物基体结构松散。

2.3 射线衍射（XRD）

图5 配比2号和配比4号X射线衍射图

图5 是配比2号和4号样品的X射线衍射图。由图可知，其在20℃～40℃范围都有弥漫型的“鼓包峰”，这是碱激发反应生成凝胶相的主要标志，这一区间也被认为是主要反应产物—C-S-H/N(C)-A-S-H凝胶的衍射峰。说明此时有大量无定型凝胶N-A-S-H和C-A-S-H生成，原材料中使用了矿粉，因此，主要的产物凝胶是C-S-H与N(C)-A-S-H的混合物，另外，粉煤灰中的晶相如石英、莫来石等都未参与反应，而只是作为细骨料填充在反应生成的凝胶基质中。尽管胶粉掺量不同，但是从XRD的矿物相分析上配比2号和4号并无明显不同，分析猜测，对于地质聚合物，胶粉在一定程度上影响地质聚合物的反应进程，但是对总体反应产物并无明显的影响。

3 结论

（1）从砂浆扩展度可以得出，胶粉掺量2.1%时，地质聚合物砂浆扩展度最小，为190 mm；胶粉掺量2.6%时，地质聚合物砂浆扩展度最大，为230 mm；从配比1号到4号，随着胶粉掺量增加，地质聚合物砂浆扩展度先减小后增大。

（2）从砂浆强度可以得出，28d抗折强度，随胶粉掺量增加，地质聚合物砂浆抗折强度呈现先增大后下降又增大的趋势；胶粉掺量1.6%，28d抗折强度最大为7.3 MPa；胶粉掺量2.1%，28d抗折强度最小为6.3 MPa。地质聚合物砂浆28d抗压强度，呈现先增大后又急剧下降；胶粉掺量1.6%和2.1%，砂浆压强度分别为58.5 MPa和59.0 MPa。综合砂浆扩展度和强度，胶粉掺量1.6%时，地质聚合物砂浆性能最优。

（3）从扫描电镜图和X射线衍射图可以得出，胶粉掺量1.6%时，地质聚合物试样整体结构致密，基体生成相明显；胶粉掺量2.6%，地质聚合物试样整体结构松散，基体生成相不明显；胶粉掺量1.6%和2.6%时，地质聚合物中都有明显的无定形的水化产物生成，但是两者的水化产物种类无明显差别。分析猜测，对于地质聚合物，胶粉在一定程度上影响地质聚合物的反应进程，但是对总体反应产物并无明显的影响。