矿渣和CaCl2对偏高岭土地聚合物的力学性能影响

刘天授，张晓飞，杨 浩，沈丽莹

（1.中联煤层气有限责任公司，北京100011；2.中国地质大学<北京>，北京100083）

地聚合物最初是Joseph Davidovits[l]在1978年提出的，地质聚合物是以高硅铝质含量高的天然矿石或工业废弃物为原材料，通过碱性溶液激发而形成的新型无机聚合材料。地质聚合物与常规的硅酸盐水泥比较具有原料价格低廉、生产工艺简单、生产过程绿色无污染等特点。地聚合物本身的性能优良，在高温环境中使用性能稳定、不怕腐蚀、耐久性强。地聚合物原料通过碱激发的作用，在常温下即能形成一种以-Si-O-A1-O-为基本结构单元的三维网络状胶凝材料[2]。与传统的硅酸盐水泥相比，碱激发地聚合物材料具有强度高、低收缩、固化快、耐久性能好和绿色环保等优点[3-5]。

目前国内外研究较多的用来制备地聚合物材料的原料主要有偏高岭土、高炉矿渣、钢渣、粉煤灰等，本文主要研究偏高岭土地聚合物。偏高岭土是高岭土高温失水后的产物，富含硅铝酸盐，目前现有的大量实验证明，单一的偏高岭土地聚合物，固化太慢，不易形成早期强度，在应用方面受到一定的限制，为了解决这一问题，现分别在偏高岭土中加入矿渣和CaCl2，通过实验来探究矿渣和CaCl2对偏高岭土地聚合物的激发作用，及对偏高岭土地聚合物早期力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

原材料：偏高岭土（metakaolin，简称MK）的原料是高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O简称2AS2H2），将高岭土在一定温度下进行（600℃~900℃）煅烧，脱水后其层状结构被破坏，但是成分几乎不变，制成具有更高活性的偏高岭土。偏高岭土的热力学状态稳定，受碱性溶液激发可以生成凝胶材料。

本文实验中使用的偏高岭土是来源于河北省灵寿县河北捷贵矿产品有限公司，偏高岭土化学组成见表1。

表1 偏高岭土的化学组成

矿渣：矿渣是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后所得的工业固体废渣，本文实验中的矿渣细粉，具有很好的分散性，属于S95级的矿渣。具有较高的火山灰活性，活性指数≥95%。

本文实验中使用的矿渣是来源于河北省灵寿县博恒矿产品贸易有限公司，矿渣的化学组成见表2。

表2 矿渣的化学组成

碱激发剂：氢氧化钠，品牌麦克林，由安徽佰奥生物科技有限公司生产，颗粒状，纯度不小于95%。

速溶硅酸钠，俗称泡花碱，由桐乡市恒立化工有限公司生产，模数2.0，固含量75%。

1.2 试块制备

按照表3和表4设计的的地聚合物各组分配合比，配置水泥浆。制备过程如图1所示。

表3 添加CaCl2地聚合物各组分配合比

表4 添加矿渣地聚合物各组分配合比

图1 地聚合物制备流程图

制备地聚合物泥浆时，首先配置碱激发剂溶液，配置时NaOH会遇水放热，溶液待温度降到常温再使用。然后将称取好的固体粉末倒入水泥净浆搅拌机中混合均匀，然后打开搅拌机程控开关，边搅拌边把配置好的碱溶液倒进去，搅拌完成以后,将水泥浆注入到50mm×50mm×50mm试模中,用振动筛振动成型。然后放置于温度为(75±2)℃，相对湿度为(80±5)%的水浴箱中进行养护。养护24h后脱模，继续养护3d测试抗压强度。

2 实验结果分析

2.1 抗压强度

本文中测试抗压强度用到的标准是GB/T 17671－1999《水泥胶砂强度检验方法》。地聚合物凝结时间用标准法维卡仪测定，凝结时间测试方法按照国家标准GB1346-89的方法进行。

试验过程及成型试块如图2和图3所示。

试块在温度为(75±2)℃，相对湿度为(80±5)%的水浴箱中进行养护3d后的各抗压强度结果如图4和图5所示。

图4 添加CaCl2地聚合物抗压强度

图5 添加矿渣地聚合物抗压强度

2.2 结果讨论

从实验的结果可以看出，掺入矿渣和CaCl2都可以在碱溶液的激发下和偏高岭土发生地质聚合反应，凝结成块。地聚合物的强度的形成，主要是活性硅铝矿物在碱激发剂提供的碱性环境下-Si-O-Si-键和-Al-O-Al-键发生先解聚再聚合，生成-Si-OAl-O-结构，最终形成高分子聚合的胶凝材料[7]。随着偏高岭土中掺入矿渣量的增多，促进了地聚合物反应的发生，主要是因为矿渣的本身活性比较强，且含有较多的氧化钙，矿渣与偏高岭土发生水化反应，生成NA-S-H凝胶和C-S-H凝胶，这两种凝胶互相填充，致使生成的地聚合物孔隙率降低，结构更加的致密，有利于强度的增强。但是随着矿渣掺量的增多，试块的抗压强度呈下降趋势，主要是反应中产生了较多的CS-H凝胶，而C-S-H凝胶的形成过程中会吸收较多的水分，使地聚合物产生干缩、开裂等现象而导致强度降[8]。CaCl2对偏高岭土的地聚反应也具有促进作用，可以加快反应的进行，但是CaCl2与偏高岭土在碱溶液的激发下反应生成了白色空心颗粒物，从而严重降低了试块的强度，且随着CaCl2加量的增多，生成的白色颗粒也逐渐增多。

3 结论

（1）矿渣和CaCl2都对偏高岭土的地聚反应具有促进作用，加快了地聚合物早期强度的形成。

（2）随着矿渣掺量的增加，试块的抗压强度不断增加，当矿渣掺量达到30%的时候试块3d的抗压强度达到最大，为20.1MPa。

（3）CaCl2加入偏高岭土中，会与之反应生产空心颗粒物，从而使试块松散，严重影响石块的抗压强度，随着CaCl2掺量的增加，生成的颗粒物逐渐增多，抗压强度呈下降趋势。