粉煤灰基地聚水泥的研究

摘要：本文通過(guò)正交試驗(yàn), 在不摻水泥或水泥熟料及粘土的情況下，以原狀低鈣粉煤灰為原料，在堿性激發(fā)劑的作用下，制備了地聚水泥。得到制備粉煤灰地聚合水泥的最優(yōu)配方為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細(xì)度為800Kg/m²，采用NaOH與水玻璃復(fù)合的堿性激發(fā)劑進(jìn)行活性激發(fā)，復(fù)合激發(fā)劑模數(shù)為0.8；90℃蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為12h。在蒸汽養(yǎng)護(hù)和常溫養(yǎng)護(hù)條件下28d的抗折和抗壓飽水強(qiáng)度分別是9.8MPa、48.04MPa和6.7MPa、33.62MPa。同時(shí)探討了堿激發(fā)劑種類，粉煤灰種類以及養(yǎng)護(hù)制度等因素對(duì)制備地聚水泥的影響。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)；低鈣粉煤灰；堿激發(fā)；地聚水泥；強(qiáng)度

引言

　　地聚水泥的概念來(lái)源于法國(guó)教授Davidovits，他在對(duì)古建筑物的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，耐久的古建筑物中有網(wǎng)絡(luò)狀的硅鋁氧化合物存在，這類化合物與一些構(gòu)成地殼的物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，被稱為土壤聚合物(Geopolymer)。Davidovits教授研制了一類新型的堿激活膠凝材料――地聚水泥(Geopolymer Cement)。地聚水泥是一種集早強(qiáng)、環(huán)保、耐久等優(yōu)點(diǎn)于一體的新型綠色膠凝材料；它具有有機(jī)高聚物的鏈接結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)聚合物，基本結(jié)構(gòu)為硅氧四面體和鋁氧四面體，以離子鍵和共價(jià)鍵為主，范德華鍵為輔，因而顯示出獨(dú)特而優(yōu)異的性能；因其優(yōu)異性能，在汽車及航空工業(yè)、非鐵鑄造及冶金工業(yè)、土木工程、交通工程、塑料工業(yè)、有毒廢料及放射性廢料處理、藝術(shù)及裝飾等領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于硅酸鹽水泥，地聚水泥具有豐富的原料資源，能耗低，幾乎無(wú)污染，而且不消耗石灰石資源，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是一種環(huán)保型綠色建筑材料。近年來(lái)人們對(duì)地聚水泥進(jìn)行了廣泛的研究，成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、耐火、防腐等多個(gè)工業(yè)部門，但研究的被激活材料大多集中于高嶺土（或偏高嶺土）和礦渣，對(duì)用粉煤灰生產(chǎn)地聚水泥的研究相對(duì)較少，雖然有一定的進(jìn)展，但是粉煤灰不是主要的原料，而是作為摻合料；粉煤灰的摻量較大（≥50%）時(shí)，合成的地聚水泥強(qiáng)度不理想；達(dá)到較高的強(qiáng)度時(shí)其摻量較少；原因是高嶺土（或偏高嶺土）和礦渣活性要比粉煤灰的大，加之粉煤灰的質(zhì)量受煤源及燃燒工況不同的影響，其礦物成分和活性變化相當(dāng)大，發(fā)表的結(jié)果相互矛盾之處也非常多^[1-12]。此外，目前沒(méi)有對(duì)粉煤灰基地聚水泥做更深入細(xì)致的研究探討，例如：粉煤灰的礦物組成、不同細(xì)度、同一細(xì)度不同粒徑分布、不同活性激發(fā)方式以及不同養(yǎng)護(hù)制度等因素對(duì)其性能的影響。本文在不摻水泥或水泥熟料及粘土的情況下，制備了地聚水泥，探討了堿激發(fā)劑種類，粉煤灰細(xì)度以及養(yǎng)護(hù)制度等因素對(duì)制備地聚水泥的影響。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

　　所用原材料主要為粉煤灰和激發(fā)劑。其中，粉煤灰選用了3種低鈣粉煤灰，分別為江油干排灰（以下簡(jiǎn)稱“江干”），江油濕排灰（以下簡(jiǎn)稱“江濕”），金創(chuàng)濕排灰（以下簡(jiǎn)稱“金創(chuàng)”）；其化學(xué)成分見(jiàn)表1，形貌見(jiàn)圖1。激發(fā)劑選用了6種激發(fā)劑，其編碼和名稱分別為：1—NaOH；2—KOH；3—Na₂CO₃；4—結(jié)晶Na₂SO₄（這四種均為分析純）；5—水玻璃（工業(yè)級(jí)，模數(shù)M＝3.16， w(SiO₂)＝33％，濃度ρ=43.8％）；6—硅溶膠（工業(yè)級(jí)，固含量20％）。三種原狀粉煤灰的活性表征按照GB/T1596－2005中GB177進(jìn)行，測(cè)得28d強(qiáng)度之比（取整數(shù)）分別為：江油干灰85；江油濕灰86；金創(chuàng)濕灰73，得出江油濕灰活性最大，江油干灰次之，金創(chuàng)濕灰最差。

　　采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以粉煤灰種類，粉煤灰的細(xì)度，CaO含量，激發(fā)劑中R₂O的含量(R₂O為Na₂O或K₂O)，激發(fā)劑中w(SiO₂) / w(Na₂O)比值和養(yǎng)護(hù)制度6因素及其它們之間的交互作用為因素，每個(gè)因素采用四個(gè)不同的水平，以強(qiáng)度為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案。各方案試驗(yàn)時(shí)，凈漿稠度均為6mm，澆注成20mm×20mm×20mm水泥凈漿試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d脫模后分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、60°C蒸養(yǎng)、90°C蒸養(yǎng)和90°C干養(yǎng)至齡期，測(cè)其抗壓強(qiáng)度。

　　對(duì)表3抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行直觀分析，可以看出：（1）對(duì)于7d強(qiáng)度，F(xiàn)因素的極差最大，為最顯著影響因素，1水平最好；C因素極差也較大，是顯著影響因素，取4水平；D因素的極差略小于C因素，也為顯著影響因素；A的極差最小，是影響最小的因素，取1水平為好，粉煤灰的活性表征得到的結(jié)果是江油濕灰最好，可知國(guó)家現(xiàn)行粉煤灰活性表征的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于生產(chǎn)地聚水泥的粉煤灰不具有普適性。B因素取1水平；E因素取4水平。此時(shí)，最佳試驗(yàn)方案為：A1B1C4D4E4F1。（2）對(duì)于28d強(qiáng)度，因素影響顯著次序與7d強(qiáng)度分析結(jié)論相同：F＞C ＞D＞B＞E＞A，得到最佳試驗(yàn)方案仍為：A1B1C4D4E4F1。就強(qiáng)度綜合考慮，實(shí)驗(yàn)最佳方案確定為：A1B1C4D4E4F1。

　　對(duì)表3中抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4：

　　由表4可知，對(duì)于7d強(qiáng)度結(jié)果影響最為顯著的因素是細(xì)度因素；而對(duì)于28d強(qiáng)度結(jié)果影響最為顯著的是養(yǎng)護(hù)制度因素，其次為粉煤灰的種類與堿激發(fā)劑的模數(shù)、堿激發(fā)劑的模數(shù)與養(yǎng)護(hù)制度之間的交互作用；再次為粉煤灰的細(xì)度因素。

　　32.5R硅酸鹽水泥在相同成型條件下，20mm×20mm×20mm凈漿試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d脫模后分別養(yǎng)護(hù)7d和28d，測(cè)其抗壓強(qiáng)度分別是22.5MPa和40MPa。將正交試驗(yàn)表3中測(cè)得凈漿試塊抗壓強(qiáng)度高于32.5R硅酸鹽水泥的配方及最優(yōu)配方，澆注成40mm×40mm×40mm砂漿試塊，在90°C蒸養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)，再與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的32.5R硅酸鹽水泥強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

　　由表5可知，22＃配方及正交最優(yōu)配方的放大砂漿試塊在90°C蒸養(yǎng)條件下的強(qiáng)度均高于32.5R硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，在90°C蒸養(yǎng)條件下的正交最優(yōu)配方的放大砂漿試塊強(qiáng)度最高。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果便于實(shí)際廣范應(yīng)用，進(jìn)一步將22＃配方及正交最優(yōu)配方的40mm×40mm×40mm放大砂漿試塊常溫自然養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的32.5R硅酸鹽水泥強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

　　由表6可以看出，22＃配方在常溫自然養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展不及32.5R硅酸鹽水泥；而正交實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)配方此時(shí)強(qiáng)度仍然高于32.5R硅酸鹽水泥，這也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)得到的成果就強(qiáng)度需要而言完全可以代替32.5R硅酸鹽水泥。

　　進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)各因素，確定制備粉煤灰地聚合水泥材料的最佳方案為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細(xì)度為800Kg/m²；采用NaOH與水玻璃復(fù)合的堿性激發(fā)劑進(jìn)行活性激發(fā)，復(fù)合激發(fā)劑模數(shù)為0.8；養(yǎng)護(hù)制度為90℃蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為12h。測(cè)其物理力學(xué)性能見(jiàn)表7。

　　蒸養(yǎng)下的粉煤灰地聚合水泥材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度明顯高于32.5R硅酸鹽水泥；自然養(yǎng)護(hù)下的粉煤灰地聚合水泥材料28d抗折強(qiáng)度不及32.5R硅酸鹽水泥，但其抗壓強(qiáng)度高于它。在某些工程完全可以替代32.5R硅酸鹽水泥。

3. 微觀分析

　　對(duì)90°C蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)條件下的最優(yōu)配方試驗(yàn)樣品材料，進(jìn)行X射線衍射分析和掃描電鏡分析，結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

　　由圖2和3可以看出，水化試塊存在的晶體形態(tài)主要是石英()、碳酸鈣()、莫來(lái)石( )和鈉沸石結(jié)構(gòu)()；粉煤灰地聚合水泥材料存在一些沒(méi)有完全參加反應(yīng)的粉煤灰顆粒，但是在粉煤灰顆粒的表面聚集了一些反應(yīng)生成物；聚合反應(yīng)生成的鋁硅酸鹽基體相呈絮凝狀，與粉煤灰玻璃體結(jié)合較緊密。

4. 延伸試驗(yàn)

　　在正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)配方的基礎(chǔ)上，研究了其它礦物摻和料（含鈣工業(yè)廢渣1^#和2^#，簡(jiǎn)稱IW1^#和IW2^#）代替石灰后的配合料制備粉煤灰地聚合水泥材料的可行性。發(fā)現(xiàn)，在90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，IW1^#摻量為5％和10％的40×40×160mm膠砂試塊，7d抗壓強(qiáng)度分別為54.8MPa、62.5MPa；28d抗壓強(qiáng)度分別為123.9MPa和107.1MPa；常溫養(yǎng)護(hù)下，IW1^#摻量5％時(shí)28d抗壓強(qiáng)度為40.7MPa，均高于32.5R硅酸鹽水泥。而IW2^#10％、15％和20％的40×40×160mm膠砂試塊，90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下7d抗壓強(qiáng)度分別為68.1MPa、69.2MPa和43.1MPa；28d抗壓強(qiáng)度分別為100MPa、132.9MPa和75MPa，摻量為5%的各齡期強(qiáng)度也均高于32.5R硅酸鹽水泥。常溫養(yǎng)護(hù)條件下，IW2^#摻量為15％時(shí)的配合比40×40×160mm膠砂試塊，各齡期強(qiáng)度均高于32.5R硅酸鹽水泥，28d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為8.8MPa和40.1MPa。

5. 結(jié)論

　　通過(guò)試驗(yàn)可以總結(jié)得到以下結(jié)論：

　?。?） 采用堿激活方法合成了低鈣粉煤灰基地聚水泥。

　?。?） 制備粉煤灰地聚合水泥材料的最佳方案為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細(xì)度為800Kg/m²，可以通過(guò)球型磨和振動(dòng)磨粉磨混合，也可以采用粉磨后磨外人工混合，建議采用振動(dòng)磨粉磨混合；采用NaOH與水玻璃復(fù)合的堿性激發(fā)劑進(jìn)行活性激發(fā)，復(fù)合激發(fā)劑模數(shù)為0.8；養(yǎng)護(hù)制度為90℃蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為12h。

　?。?） NaOH與水玻璃復(fù)合激發(fā)早期強(qiáng)度高于KOH與水玻璃復(fù)合激發(fā)，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不及KOH激發(fā)。

　?。?） 對(duì)于蒸汽養(yǎng)護(hù)來(lái)說(shuō)溫度升高，強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

　　（5） 國(guó)家現(xiàn)行粉煤灰活性表征的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于生產(chǎn)地聚水泥的粉煤灰不具有普適性。

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