偏高岭土—粉煤灰基地质聚合物的制备及其性能研究

宋紫阁，冯永明，周文静

（1.新乡学院土木工程与建筑学院，新乡453000 2.河南绿锦市政园林工程有限公司，新乡453000 3.逸文环境发展有限公司，新乡453000）

1 前言

地质聚合物是法国科学家Joseph Davidovits[1]于20世纪70 年代发现的一种新型无机非金属材料，被认为是21 世纪具有巨大应用潜力的绿色胶凝材料。地质聚合物由于其特殊的三维网络结构，具有良好的力学性质。同时，地质聚合物具有收缩性较低[2]，早期强度高[3]，防火以及低能耗[4]等优点，在建筑材料以及能源领域引起了巨大的关注[5]。近年来，地质聚合物因其广阔的应用前景及可作水泥替代品得到广泛研究[3-4]。

C Lu 等人[6]研究了碱激发剂对地质聚合物强度的影响。余润翔等人[7]研究了利用碱激发技术制备了煤气化粗渣—粉煤灰基地质聚合物，并对所制备产物的性能进行研究。丁二宝等[8]研究了利用固态激发剂制备粉煤灰基地质聚合物的方法。

本文将偏高岭土作为一种填料引入到地质聚合物中，详细研究了制备工艺以及由废弃刹车片改性后的地质聚合物试样的力学性能和微观结构等相关性能。结果显示，地质聚合物组分中引入偏高岭土后，其抗压强度、抗折强度明显提高。这表明偏高岭土改性后的地质聚合物具有良好的应用前景。

2 实验

2.1 原材料

本文所用的粉煤灰为灵寿县加工厂的工业级产品。偏高岭土为巩义市生产的工业级产品，其细度为1250目，活性指数大于110。

采用X 射线荧光光谱仪（XRF）对原材料进行化学分析，其化学成分见表1。

表1.采用X 射线荧光光谱仪（XRF）对原材料进行化学分析

水玻璃，主要由二氧化硅组成，可以提供地质聚合反应阶段的OH-，还能够提供缩聚反应阶段所需的硅酸根离子团，是一种复杂的水溶性硅酸盐胶体溶液。本文实验中，碱激发剂选用市售的工业级（钠）水玻璃，其模数为3.3，固含量（固相与水的质量比）为34%。试验采用市售的AR 分析纯固体氢氧化钠颗粒，纯度为98.0%。

2.2 试验方法

将粉煤灰及偏高岭土粉末加入至水泥胶砂拌锅中，将粉体搅拌均匀，之后加入由氢氧化钠改性后的碱激发剂溶液，搅拌均匀。将搅拌后的均匀胶浆装入模具中，振动成型。在养护箱中养护成型后脱模，继续养护得到固体试件。制备流程如图1 所示。

图1 偏高岭土- 粉煤灰基地质聚合物材料制备技术路线

2.3 分析和测试

本文通过测试试件的抗压强度、抗折强度、折压比，以及其微观机理分析其性能研究。

抗折抗压强度试验：将成型的试件依据《水泥胶砂强度检验方法（JTG E30-2005）》进行抗折强度及抗压强度测试，实验组取每组3 个试件的平均值。通过计算得出其折压比。

SEM分析采用日本电子牛津能谱生产的JSM-6360LV型扫描电镜。

3 结果与讨论

3.1 激发剂模数及含固量对地质聚合物强度的影响

本实验通过添加氢氧化钠调节碱性激发剂的模数，通过添加纯净水调节地质聚合物的固含量，将液固混合后搅拌30 分钟，将搅拌后的胶浆注入模具后放置在标准养护箱中养护24h，脱模后放于自然环境下养护7 天，用抗折抗压试验机测定地质聚合物试件的抗压强度及抗折强度，结果如图2 及图3 所示。

图2 水玻璃模数对试件抗压强度的影响

图3 水玻璃模数对试件抗折强度的影响

如图2 及图3 所示，水玻璃的固含量及模数均对地质聚合物的强度产生了影响。当固含量较小（20%～28%）时，地质聚合物的抗压强度随着水玻璃模数的增加而逐渐降低。当固含量较大（＞28%）时，地质聚合物的抗压强度随着水玻璃模数的增加呈现先增加后减小的趋势，并且在模数达到1.2 时，其抗压强度最大。原因是，当水玻璃模数较高时，碱激发剂内碱性环境不充足，难以形成碱激发反应来激发粉煤灰的活性，因此试件强度较小；当水玻璃模数较低时，由于碱含量过高，加快了缩聚反应的进行，导致生成的固体凝胶包裹于原料粉煤灰，抑制了反应的进行，从而降低了抗压强度。因此，固含量≥32%，水玻璃模数为1.2 时，试件具有较高的抗压强度。针对不同固含量的水玻璃，地质聚合物的抗折强度均随着模数的增加呈现先增加后减小的趋势。并且当地质聚合物抗压强度和抗折强度均较大时，所对应的水玻璃固含量及模数范围区间存在较好的重叠性。地聚物折压比（抗折强度/抗压强度）大致为0.13 到0.21 之间。

综合来看，当模数MS=1.2,SC=32%时，地聚物强度性能最佳，分别为抗压强度σC=47.80MPa，抗折强度σB=7.27MPa，折压比B/C=0.15。折压比为考察板体类材料韧性较为重要的指标，在抗压强度接近的情况下，折压比越高，材料韧性越好。

3.2 养护方式的影响

按照3.1 节的结论，水玻璃模数选用1.2，固含量为32%，水灰比为0.60 时，制备粉煤灰基地质聚合物。

选取10%、20%和30%的偏高岭土粉末替代等质量的粉煤灰粉末，制备试件后，将试件放至不同的三种养护条件下继续养护：①自然养护：在30℃的烘箱中养护7天；②密封养护：在试件周围密封上保鲜膜，放入30℃的烘箱中养护7 天；③湿气养护：将试件放入至30℃，95%以上湿度的湿气养护箱中养护7 天。7 天后脱模，测其抗折强度及抗压强度。结果如下图。

由图4～图6 可知，不同偏高岭土掺量的地质聚合物在三种不同的养护方式下，抗压强度及抗折强度相差较大。可以看出，湿气养护条件下，不同偏高岭土掺量的粉煤灰基地质聚合物的强度均随着养护龄期的增加而增加，7 天后折压比均可超过0.12。形成对比的是，30℃自然养护条件下，偏高岭土—粉煤灰地聚物的强度总体偏低，低于2.5MPa，且随养护龄期增加而逐渐降低；密封养护条件下，偏高岭土—粉煤灰地聚物的抗折强度早期较高，但后期不稳定，增长不明显，折压比在0.13 上下。同时，湿养条件下，试件的折压比也远远高于另外两种养护方式。因此，综合强度及折压比考虑，试件在湿度为95%以上的湿养条件下达到的抗折、抗压强度及折压比最理想。

图4 不同养护方式下含量为10%的偏高岭土改性地聚物的力学性能

图5 不同养护方式下含量为20%的偏高岭土改性地聚物的力学性能

图6 不同养护方式下含量为30%的偏高岭土改性地聚物的力学性能

3.3 偏高岭土掺量及强度增长规律的影响

偏高岭土—粉煤灰基地质聚合物的强度与龄期的关系如图7 所示，用偏高岭土粉末替代等质量的粉煤灰粉末，偏高岭土掺量分别为0%、10%、20%、30%，养护条件为湿气养护。总体上看来，地聚物的强度随着龄期的增长，抗压强度和抗折强度均增加。

图7 地质聚合物力学强度随龄期增长的变化规律

由图7，不同偏高岭土掺量之间做对比可知：三种养护方式下早期抗压强度形成均较快，养护时间的延长对抗压强度的增长没有明显作用。随着偏高岭土掺量的增加，地质聚合物的抗压强度呈现出先增加后下降的趋势。抗折强度的变化也是同样的情况。对于偏高岭土—地聚物，抗折强度和抗压强度均随着偏高岭土掺量的增加呈现先增加后下降的趋势。当偏高岭土掺量为20%时，偏高岭土—地聚物的强度最高，也高于偏高岭土掺量为0%的粉煤灰基地质聚合物强度。综合考虑抗折强度及抗压强度，当偏高岭土掺量为20%时，偏高岭土—粉煤灰基地聚物的强度效果最好。

地聚物抗折强度的形成较抗压强度的形成缓慢。地聚物抗压强度在一天内可以达到最终强度的90%以上，但是抗折强度在7 天龄期内均有所增加。偏高岭土的加入提高了地聚物的抗折强度以及折压比，其中，20%偏高岭土掺量的粉煤灰基地质聚合物强度最高。

4SEM 表征分析

为了从微观角度研究偏高岭土—粉煤灰地聚物后，对含偏高岭土的地质聚合物断面进行了扫描电镜观测，结果如图8、图9 所示。

图8 地质聚合物SEM照片

图9 20%偏高岭土掺量的地质聚合物SEM照片

由图8 可知，偏高岭土掺量为0%时，地质聚合物凝胶相微观结构中有较多明显的裂纹，这严重降低了其力学性能。另外，从图9 可发现，添加有20%偏高岭土的地聚物微观结构中所存在的裂纹明显减少，这是由于偏高岭土颗粒表面存在有一些活性离子或基团，能与地聚物中O 等元素形成一定的化学吸附作用从而大大提高了地聚物基体的力学强度。

5 结论

（1）养护方式对地质聚合物的强度影响较大。试件在湿度为95%以上的湿养条件下达到的抗折、抗压强度及折压比最理想，湿养条件可以保证地质聚合物强度的稳定增长。

（2）当水玻璃模数选用1.2，固含量32%，水灰比为0.60，偏高岭土掺量为20%时，在湿养条件下制备的地质聚合物强度最高。

（3）通过对偏高岭土- 粉煤灰基地质聚合物的微观机理分析，将偏高岭土应用于粉煤灰基地质聚合物的制备中，有利于提高地质聚合物的强度。