低掺量粉煤灰基地聚物胶凝材料性能试验研究

王英， 王颖洁， 朱美春， 方从启

低掺量粉煤灰基地聚物胶凝材料性能试验研究

王英， 王颖洁， 朱美春， 方从启*

（上海师范大学 建筑工程学院，上海 201418）

为了研究粉煤灰基地聚物胶凝材料的组成对其性能的影响，对C类粉煤灰分别掺入少量（质量分数小于17%）偏高岭土和矿渣粉后，进行了两种地聚物胶砂试块的力学性能试验研究，并与相同配比、相同制作养护条件下的普通硅酸盐水泥胶砂试块进行了比较.试验结果表明：纯粉煤灰（C类）地聚物胶凝材料强度低于P.O 42.5水泥；当外掺料质量分数大于17%时，粉煤灰基地聚物胶凝材料强度超过同龄期（14 d）的水泥；掺入矿渣粉的粉煤灰基地聚物抗压强度高于掺入等量偏高岭土的粉煤灰基地聚物.

地聚物胶凝材料； 粉煤灰； 偏高岭土； 矿渣； 力学性能

0 引 言

地聚物在1978年由DAVIDOVITS［1］首先提出，是指用大量的硅铝酸盐固体（如粉煤灰）、适量的外掺料（如高岭土等），加入碱性激发液（如氢氧化钠、硅酸钠溶液等），通过化学反应，生成的坚硬如岩石般的无机高分子聚合物.这种无机高分子材料具有优异的耐久性，以及耐高温、耐腐蚀等性能，而且在制备过程中基本不排放CO2，还具有无需高温煅烧、能耗低等优点，因此近年来成为研究热点.地聚物有望替代水泥，在土木、水利、海洋、航天等领域具有非常广阔的应用前景.

由于地聚物的合成是由地聚物胶凝材料，以及碱激发液等多种材料组成，每种材料的比例、制备条件等因素都直接影响到合成地聚物的性能.用地聚物胶凝材料替代水泥制备地聚物混凝土，其力学性能、收缩性、热工性能等各方面的参数都直接与胶凝材料特性相关.JING等［2］研究了粉煤灰和偏高岭土的不同配比、粉煤灰是否研磨、用水量、黄砂用量等因素对粉煤灰地聚物强度的影响.SHANG等［3］研究了矿渣-粉煤灰基地聚物的材料配比、水胶比、碱激发剂用量等因素对地聚物抗压强度的影响.HE等［4］研究了不同种类碱激发剂对不同粉煤灰掺量的水泥胶砂强度的影响.LI等［5］研究了激发剂模数、硅铝摩尔比、液固比等因素对钼尾矿地聚物胶凝材料力学性能的影响.LIU等［6］研究了硅灰对凝结硬化过程以及对硬化浆体抗压强度的影响.

本研究选定碱激发液后，在相同的制作和养护条件下，以C类粉煤灰为主，掺入少量（质量分数小于17%）的偏高岭土或矿渣，得到的粉煤灰基地聚物胶凝材料及其力学性能，探索两种外掺料的不同掺杂量与粉煤灰基地聚物胶凝材料力学性能的关系，为粉煤灰基地聚物混凝土的配制提供参考.

1 试 验

1.1　原料及配比

原材料为C类Ⅱ级粉煤灰，其主要化学组成和技术指标分别如表1，2所示.矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉，其主要技术指标如表3所示.偏高岭土的主要成分和性能如表4所示.标准砂为中国ISO标准砂［7］.分析纯氢氧化钠片状固体（纯度96%）；液体硅酸钠（模数3.3，波美度40Be（20 ℃）；SiO2，质量分数26.5%；Na2O，质量分数8.3%）；P.O 42.5普通硅酸盐水泥.

表1　粉煤灰的主要化学组成 %

表2　粉煤灰主要指标检测结果

表3　矿渣的主要技术指标

表4　偏高岭土的主要成分和性能

本试验分别测试了普通硅酸盐水泥胶砂试块、低掺量粉煤灰基地聚物胶砂试块（分别掺入偏高岭土和矿渣）的力学性能.试块尺寸为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体.胶砂的质量配比采用胶凝材料∶水∶标准砂=1∶0.5∶3.对于水泥胶砂试块，胶凝材料为普通硅酸盐水泥；对于地聚物胶砂试块，胶凝材料为低掺量偏高岭土和粉煤灰，或者低掺量矿渣和粉煤灰. 偏高岭土（或矿渣）的掺量分别取0，2%，7%，12%和17%，水泥胶砂试块作为对照组.

本试验配制地聚物胶砂试块所用的碱激发剂为液体硅酸钠和氢氧化钠固体混合而成.参照已有的研究结论［8-10］，选择调整后硅酸钠模数为1.35的混合液作为碱激发剂.

根据以上的材料配比，每组3个尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的地聚物胶砂试块，材料用量如表5，6所示.3个水泥试块的材料用量为：标准砂1 350 g，水泥450 g，水225 g.

表6　粉煤灰基矿渣胶砂试块材料用量（3个试块） g

1.2　试件制备

由于固体氢氧化钠溶于水要放热，使溶液温度升高.为了消除温度对实验的影响，实验前提前24 h将碱性激发剂制备好，待冷却至室温后再进行胶砂试块制备.碱激发剂的制备方法是先计算单位质量（100 g）硅酸钠原液（模数3.3）的模数调整为1.35所需加入的纯氢氧化钠质量，然后再根据氢氧化钠的纯度（96%）确定最终氢氧化钠固体的用量.根据每批次制作试块数量，称量相应的氢氧化钠固体，将其溶于相等质量的纯净水中，制备氢氧化钠溶液，待冷却至室温、固体充分溶解以后，加入计算好质量的硅酸钠溶液，制成碱激发剂备用.

原材料水泥、标准砂、偏高岭土和矿渣等，提前置于105 ℃烘箱烘干，而后冷却至室温备用.

胶砂制作时，先将自来水、胶凝材料和碱激发剂加入胶砂搅拌机的锅内，开动机器，低速搅拌30 s，然后加入标准砂，再高速搅拌30 s，随后停拌90 s，再高速搅拌30 s. 每次制作胶砂量为3个40 mm×40 mm×160 mm试块的量.

胶砂制备后立即进行成型.将空试模和模套固定在振动台上，把胶砂分2层装入试模，每层装入后振动60次，最后将试件表面抹平，并在试模上贴试件编号字条.

制备完成的胶砂试件在室温中静置60 min后，移入60 ℃电炉中养护24 h.电炉养护完成后，拆模、试件表面标记编号，然后移入（20±1）℃的水中养护至龄期7 d和14 d.

1.3　性能试验

胶砂试件养护至测试龄期，在试验前15 min从水中取出，并用湿布覆盖至开始试验为止.

抗折强度测定时，将试件的一个侧面放在抗折强度试验机支撑圆柱上，以（50±10）N∙s-1的速率均匀加载，直至试件折断，记录折断时施加于棱柱体中部的荷载.重复试验操作，直至完成每组3个胶砂试件测试，并用湿布覆盖试件折断后的两个半截棱柱体，便于接下来进行抗压强度测试.

抗压强度测试时，在半截棱柱体的侧面上进行.将半截棱柱体试件置于抗压强度试验机压板中心，以（2 400±200）N∙s-1的速率均匀加载，直至试件破坏，记录破坏时的最大荷载.重复试验操作，直至完成每组6个半截胶砂试件测试.

2 结果与讨论

参照文献［5］的方法，根据测试得到的胶砂试块抗折荷载和抗压荷载，计算得到抗折强度和抗压强度. 抗折强度的确定原则是：以每组3个棱柱体抗折强度的平均值作为试验结果；若3个强度值中有1个超出平均值±10%时，应取其余2个平均值作为抗折强度的试验结果. 抗压强度的确定原则是：以每组3个棱柱体抗压测试后得到的6个半截试块抗压强度测试值的算数平均值作为试验结果；若6个测定值中有1个超出平均值的±10%时，取其余5个平均值作为抗压强度测试结果. 抗折强度和抗压强度测试结果分别如表7，8所示，其中试块编号PM为对照组普通硅酸盐水泥胶砂试件.

表7　粉煤灰基偏高岭土胶砂试块测试强度

表8　粉煤灰基矿渣胶砂试块测试强度

为了便于直观比较数值大小和判断趋势，将表7，8中的数据按照不同强度类型和不同龄期，绘制出图形，如图1，2所示.

图1　胶砂试块抗折强度

图2　胶砂试块抗压强度

由图1，2可知：纯粉煤灰地聚物试块与同龄期的水泥试块相比，抗折强度和抗压强度都较低.若采用与评定水泥强度相同的方法，则本试验配制的C类粉煤灰地聚物胶凝材料强度低于P.O 42.5水泥的强度.

由图1可知：当矿渣或者偏高岭土的掺量较低（<12%）时，对粉煤灰基地聚物胶砂试块的抗折强度影响不大，但是随着掺量增加，抗折强度有提高的趋势，预计掺量增加至20%以上时，抗折强度可能超过同龄期的水泥.

由图2可知：随着偏高岭土或者矿渣掺量的增加，粉煤灰地聚物胶砂试块抗压强度逐渐增加；当掺量达到17%及以上时，抗压强度超过同龄期的水泥.从图2还可知：当偏高岭土或者矿渣掺量相同时，两者对粉煤灰基地聚物胶砂试块抗压强度的影响不一样，矿渣粉煤灰基地聚物胶砂试块强度更高.

3 结论及展望

本研究对粉煤灰（C类）基地聚物中分别掺入不同比例的偏高岭土或者矿渣粉，通过试验的方法，测试了胶砂试块的抗压强度和抗折强度，并与相同配比和相同制作养护条件下的水泥胶砂试块进行比较，得出了一些有关地聚物胶凝材料的组成对其力学性能影响的结论：

（1） 纯粉煤灰（C类）地聚物胶凝材料的强度低于水泥.

（2） 在粉煤灰中掺入17%（质量分数）以上偏高岭土或者矿渣后，地聚物胶凝材料强度高于P.O 42.5水泥.

（3） 矿渣粉煤灰基地聚物强度高于等量掺杂的偏高岭土粉煤灰基地聚物，更适合配置强度较高的地聚物混凝土.

后续将对F级粉煤灰，以及更高掺量的外掺料对地聚物胶凝材料性能的影响进行研究.

［1］ DAVIDOVITS J. Geopolymers and geopolymeric materials ［J］. Journal of Thermal Analysis， 1989，35（2）：429-441.

［2］ JING W， LIU L， LIN F. Preparation and study on fly ash based geopolymer ［J］. Journal of Science of Teachers’ College and University， 2006，26（4）：40-42.

［3］ SHANG J L，LIU L. Study on preparation and mechanical properties of slag and fly ash based geopolymeric ［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2011，30（3）：741-744.

［4］ HE T S， WEI G Q. Effect of activators excitated cement specimen with different amount of fly ash on strength ［J］. Concrete， 2009，235（5）：62-64.

［5］ LI F， CUI X W， LIU X， et al. Research on preparation of geochemical cementitious material with activated molybdenum tailings［J］. Non-Metallic Mines， 2021，44（1）：96-99.

［6］ LIU Y W， ZHANG Z H， SHI C J， et al. Influence of silica fume on performance of high-strength geopolymer［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2020，48（11）：1689-1699.

［7］国家质量技术监督局. 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）： GB/T 17671—1999 ［S］. 北京： 中国标准出版社， 1999.

［8］ MAO M J， REN J Y， ZHANG W B， et al. Study on the mechanical properties of fly ash geopolymer concrete ［J］. Concrete， 2016，319（5）：78-80.

［9］ HAN T Y. Analysis of influencing factors on geo-polymerization process of alkali-activated fly ash ［D］. Changsha：Changsha University of Science & Technology， 2016.

［10］ YANG S Y， ZHAO R D， JIN H S， et al. Research on influence parameters of early strength of fly ash-based geopolymer mortar ［J］. Advanced Engineering Sciences， 2020，52（6）：162-169.

Experimental study on performances of fly ash-based geopolymer cementitious material with low admixtures content

WANGYing， WANGYingjie， ZHUMeichun， FANGCongqi*

（School of Civil Engineering， Shanghai Normal University， Shanghai 201418， China）

In order to study the correlations between the mechanical performances and the components of fly ash-based geopolymer cementitious material， two groups of geopolymer mortar specimens by mixing slag powder and metakaolin separately （mass fraction less than 17%） with Class-C fly ash were tested. Meanwhile， as a comparative group， the cement mortar specimens with the same mix proportion and curing condition were produced as well. The test results indicated that the strength of fly ash geopolymer cementitious material was less than that of P.O 42.5 cement； while the strength of fly ash based geopolymer cementitious material with more than 17% （mass fraction） admixtures exceeded that of P.O 42.5 cement when specimens’ age was over 14 days. Furthermore， the compressive strength of fly ash based geopolymer mixing with slag powder was higher than that of geopolymer mixing with metakaolin of equal quantity.

geopolymer cementitious material； fly ash； metakaolin； slag； mechanical performance

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.022

2021-11-22

上海市科学技术委员会科研计划项目（18070502900）

王 英（1970—）， 女， 副教授， 主要从事新型绿色环保节能混凝土方面的研究. E-mail： wycyt2000@shnu.edu.cn

方从启（1963—）， 男， 教授， 主要从事混凝土结构、混凝土材料方面的研究. E-mail： cognqifang@shnu.edu.cn

王英， 王颖洁， 朱美春， 等. 低掺量粉煤灰基地聚物胶凝材料性能试验研究 ［J］. 上海师范大学学报（自然科学版）， 2022，51（4）：550‒555.

WANG Y， WANG Y J， ZHU M C， et al. Experimental study on performances of fly ash-based geopolymer cementitious material with low admixtures content ［J］. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：550‒555.

TU 528.41

A

1000-5137（2022）04-0550-06

（责任编辑：顾浩然）