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第42卷第4期2023年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.4April,2023碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理刘㊀扬1,陈㊀湘1,2,王柏文1,2,鲁乃唯1,肖欣欣1,2,罗㊀冬1,2(1.长沙理工大学土木工程学院,长沙㊀410114;2.长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室,长沙㊀410114)摘要:以粉煤灰㊁矿渣㊁电石渣为前驱体,采用氢氧化钠-水玻璃混合激发剂,将两者混合制备地聚物㊂考察前驱体配比和激发剂参数对粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物抗压强度的影响,通过压汞测试(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)等对材料微观结构进行研究㊂结果表明:地聚物抗压强度随电石渣取代粉煤灰量㊁液固比和激发剂模数的增加先增大后减小,当电石渣取代矿渣量减少或激发剂浓度增加时,抗压强度不断上升;地聚物的总孔隙率和大孔占比总体与抗压强度呈负相关,强度越高的地聚物微观结构越致密㊂试验得出的地聚物最优配比为粉煤灰㊁矿渣㊁电石渣质量比为32ʒ15ʒ3,液固比为0.55,激发剂浓度为30%(质量分数),激发剂模数为1.2,对应的28d 抗压强度为77.83MPa㊂㊀关键词:地聚物;电石渣;粉煤灰;矿渣;抗压强度;微观结构中图分类号:TU502㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)04-1353-10Preparation and Strength Mechanism of Alkali-Activated Fly Ash-Slag-Carbide Slag Based GeopolymerLIU Yang 1,CHEN Xiang 1,2,WANG Bowen 1,2,LU Naiwei 1,XIAO Xinxin 1,2,LUO Dong 1,2(1.School of Civil Engineering,Changsha University of Science &Technology,Changsha 410114,China;2.Key Laboratory for Safety Control of Bridge Engineering of Ministry of Education,Changsha University of Science &Technology,Changsha 410114,China)Abstract :In this paper,fly ash,slag and carbide slag were used as precursors,and sodium hydroxide and sodium silicate were used as mixed activators to prepare geopolymer.The effects of precursor ratio and activator parameters on the compressive strength of fly ash-slag-carbide slag based geopolymer were investigated,and the microstructure was observed by mercury intrusion porosimetry (MIP)and scanning electron microscopy (SEM).It is found that the compressive strength of geopolymer increases first and then decreases with the increase of the carbide slag replacing fly ash content,liquid-solid ratio,and activator modulus.When the carbide slag replacing slag content decreases,or the activator concentration increases,the compressive strength increases continuously.Adding carbide slag in the precursors with appropriate amount to replace fly ash positively affects the geopolymer compressive strength.The total porosity and the large pore proportion of geopolymer are generally negatively correlated with the compressive strength.The higher the strength is,the denser the microstructure of geopolymer is.The optimum ratio of geopolymer derived from the test is 32ʒ15ʒ3for the mass ratio of fly ash,slag and carbide slag,0.55for the liquid-solid ratio,30%(mass fraction)for the activator concentration,and 1.2for the activator modulus,which corresponds to a 28d compressive strength of 77.83MPa.Key words :geopolymer;carbide slag;fly ash;slag;compressive strength;microstructure 收稿日期:2022-11-24;修订日期:2023-01-18基金项目:国家自然科学基金(52178207)作者简介:刘㊀扬(1973 ),男,教授㊂主要从事桥梁结构安全控制与可靠度分析的研究㊂E-mail:liuyangbridge@0㊀引㊀言粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废弃物,矿渣是高炉炼铁过程中的副产品,不合理堆放不仅占用土1354㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷地,还会对环境和人体造成危害㊂电石渣是电石水解制备乙炔后生成的以Ca(OH)2为主要成分的工业废弃物,其较高的碱性会造成土地盐碱化[1-2]㊂如何实现这些工业废弃物的二次利用,是当前亟待解决的问题㊂地聚物由Davidovits[3]首次提出,是一种新型可替代硅酸盐水泥的具有非晶态到准晶态结构的无机胶凝材料,由硅氧四面体和铝氧四面体交互形成三维网状结构㊂地聚物以工业固体废弃物为主要原料,节能环保且工艺简单,是近年来研究的热点㊂国内外对粉煤灰基地聚物已有一定的研究,赵献辉等[4]阐述了激发剂离子㊁养护条件和钙组分对粉煤灰基地聚物材料性能的影响,分析了粉煤灰基地聚物材料的凝胶产物组成㊂使用粉煤灰制备地聚物存在聚合速度较慢㊁常温难以固化的问题[5-6]㊂用矿渣制备地聚物则发现凝结速度过快,收缩大㊂由于矿渣与粉煤灰均具有潜在的凝胶活性,因此将粉煤灰和矿渣复掺制备地聚物,发现能大大缩短粉煤灰基地聚物净浆的凝结时间,明显提升抗压强度,实现常温固化[7]㊂电石渣本身不具备单独制备地聚物的特性,有学者将其部分替代粉煤灰,发现电石渣的掺入促进了粉煤灰中SiO2和Al2O3与碱激发剂的反应,地聚物的机械强度大大提高[8]㊂地聚物的力学性能不仅因原料不同产生较大差异,还受碱激发剂种类和浓度等外部因素的影响[9]㊂适当增大地聚物体系的液固比有利于提高地质聚合反应程度和反应速率,但过高或过低的液固比均会影响聚合反应程度,不利于强度发展[10-11]㊂对于碱激发剂模数与浓度对地聚物抗压强度的影响程度,刘进琪等[12]通过正交试验发现模数对地聚物强度的影响最大,丁兆洋等[13]从水玻璃的电双层结构上分析了水玻璃模数改变对地聚物抗压强度的影响㊂彭晖等[14]在碱激发偏高岭土的正交试验中发现,碱激发剂浓度对抗压强度的影响最大,且抗压强度随碱激发剂浓度的增大不断上升㊂碱激发剂浓度的提高会导致OH-浓度升高, Chen等[15]提出NaOH浓度的增加有利于地聚物凝胶的生成,形成更致密的微观结构和更低的孔隙率㊂因此本文将以粉煤灰㊁矿渣㊁电石渣为前驱体,通过氢氧化钠和水玻璃复合激发剂活化制备地聚物,以期得到电石渣取代粉煤灰量㊁电石渣取代矿渣量㊁液固比㊁碱激发剂浓度和模数等因素对地聚物抗压强度的影响规律,并结合压汞测试(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)的结果,分析地聚物孔隙结构特征和微观结构与宏观抗压强度之间的关系㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料粉煤灰来自河南某电厂,为低钙粉煤灰;矿渣由华新湘钢水泥公司提供,是一种高钙含量的矿渣;电石渣来自河南郑州巩义市元亨净水材料厂㊂粉煤灰㊁矿渣和电石渣的化学成分见表1,XRD谱如图1所示㊂碱激发剂采用水玻璃溶液㊁固体NaOH与水的混合溶液,其中水玻璃溶液(SiO2的质量分数为26.54%,Na2O的质量分数为8.35%)来自河北省邢台市内丘力天化工有限公司,模数M=3.28;固体NaOH为河南省郑州市清源化工产品有限公司生产的工业级片状氢氧化钠(纯度为99.5%,质量分数)㊂表1㊀粉煤灰㊁矿渣和电石渣的主要化学组成Table1㊀Main chemical composition of fly ash,slag and carbide slagMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO Na2O Fe2O3MgO Other Fly ash47.9833.73 5.520 6.660.48 5.63Slag35.0015.3838.190.340.447.06 3.59 Carbide slag 2.51 1.0383.8811.930.5400.111.2㊀试验方案试验设计的26组配比方案见表2,依据试验方案,需配制不同模数和浓度的激发剂㊂试验采用的水玻璃溶液模数M=3.28,根据式(1)加入固体NaOH以调整碱激发剂的模数㊂m=[(M-M a)/M a]Mˑ0.08(1)式中:m为需要在每克水玻璃溶液中加入的固体NaOH的质量,g;M为水玻璃溶液的初始模数;M a为所求激第4期刘㊀扬等:碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理1355㊀图1㊀粉煤灰㊁矿渣和电石渣的XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of fly ash,slag and carbide slag表2㊀地聚物配比设计Table 2㊀Mix proportion design of geopolymerSampleAlkaline activator modulus Alkaline activator concentration (mass fraction)/%Liquid-solid ratio Precursor mass fraction /%Fly ash Slag Carbide slag A0 1.2300.5570300A1 1.2300.5568302A2 1.2300.5566304A3 1.2300.5564306A4 1.2300.5562308A5 1.2300.55603010B1 1.2300.5570282B2 1.2300.5570264B3 1.2300.5570246B41.2300.5570228B5 1.2300.55702010Y1 1.2300.5064306Y2 1.2300.5364306Y3 1.2300.5564306Y4 1.2300.5864306Y5 1.2300.6064306N1 1.2150.5564306N2 1.2200.5564306N3 1.2250.5564306N41.2300.5564306N5 1.2350.5564306M1 1.0300.5564306M2 1.1300.5564306M3 1.2300.5564306M4 1.3300.5564306M5 1.4300.5564306按照设计的配比将激发剂与凝胶材料搅拌合成地聚物浆体(浆体流动性满足浇筑的需要),注入50mm ˑ50mm ˑ50mm 的立方体模具,于振动台振动3min 后封膜,24h 后脱模,标准养护(温度(20ʃ2)ħ,湿度(95ʃ2)%)7㊁14㊁28d 后,依据‘水泥砂浆强度检验方法(ISO 法)“(GB /T 17671 2021)测试样品抗压强度,并对养护龄期为28d 的样品进行MIP㊁SEM 分析㊂压汞测试采用康塔仪器公司生产的PoreMaster 33型压汞仪,可测量孔径范围为5nm ~1080μm㊂扫描电子显微镜测试采用蔡司公司生产的EVO MA 25型扫1356㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2㊀结果与讨论2.1㊀电石渣取代粉煤灰量的影响表3为不同电石渣取代粉煤灰量下地聚物的抗压强度和MIP 结果,可以看出随电石渣掺量的增加,各龄期样品抗压强度均先增大后减小,其中28d 样品在电石渣掺量为6%时达到最大值77.83MPa㊂这是因为电石渣中的Ca(OH)2能有效激发粉煤灰的火山灰活性,使其发生更充分的地质聚合反应㊂图2为A0与A3的XRD 谱,从图中衍射峰面积看,A3在衍射角2θ为30.5ʎ处的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶量较A0更多,地聚物的机械强度得以提高[16]㊂而电石渣对粉煤灰取代量大于6%时,随电石渣掺量的增加,体系比表面积增大[17],相同体积下需水量增大,搅拌时浆体过于黏稠,样品孔隙率增大,影响地质聚合反应进程,因而使强度降低㊂表3㊀不同电石渣取代粉煤灰量下地聚物的抗压强度和MIP 结果Table 3㊀Compressive strength and MIP results of geopolymer with different carbide slag replacing fly ash content Sample Compressive strength /MPa 7d 14d 28d Total porosity /%Pore size distribution ratio /%>1000nm 100~1000nm 50~<100nm <50nm A045.0850.6662.17 5.6028.458.64 5.2157.70A145.8752.0167.46 6.0752.37 2.91 2.0142.71A249.3961.0967.56 6.2843.12 6.96 1.3148.61A359.2365.7777.83 5.1027.147.0110.6855.17A457.4461.9170.91 6.9234.78 6.28 4.7254.22A551.7653.0260.189.2354.83 5.55 3.5036.12图2㊀A0与A3的XRD 谱Fig.2㊀XRD patterns of A0and A3表3表明,随着电石渣对粉煤灰取代量从0%到10%,总孔隙率从5.60%增加到9.23%,说明地聚物中掺入电石渣后的孔隙率较掺入前更大㊂但取代量为6%时地聚物孔隙率有所下降,可能是因为此时地聚物的聚合反应程度较高,生成的更为致密的凝胶填充了孔隙,使孔径大于1000nm 的孔隙占比减少,因而总孔隙率降低㊂粉煤灰-矿渣基地聚物的总孔隙率和孔径大于1000nm 的孔隙占比均低于电石渣对粉煤灰取代量为2%㊁4%和8%的粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物,其抗压强度却低于后者,说明孔结构并非唯一衡量抗压强度的标准㊂不同电石渣取代粉煤灰量下地聚物的SEM 照片如图3所示,地聚物的微观结构中主要存在的是非晶体物质㊂在各样品中均能观察到较多的凝胶生成,难以观察到未反应的矿渣颗粒,且矿渣颗粒量少,说明掺入的矿渣反应较为完全㊂此外,在掺入电石渣的各样品中基本都观察到未反应的不规则片状Ca(OH)2晶体㊂因为粉煤灰反应活性较差,只能在中后期发生火山灰反应[18],所以各样品中存在较多未反应或部分反应的粉煤灰颗粒㊂粉煤灰-矿渣基地聚物与粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的微观结构均较为致密㊂电石渣掺入后样品的凝胶量多于掺入前,地质聚合反应程度提升,且取代量为6%时样品未反应的粉煤灰颗粒量明显少于其他取代量,说明在此电石渣取代量下,样品的粉煤灰水化程度更高㊂2.2㊀电石渣取代矿渣量的影响不同电石渣取代矿渣量下地聚物的抗压强度和MIP 结果如表4所示,可以发现,随电石渣掺量增大,各龄期的地聚物抗压强度均逐渐下降㊂结合表3发现取代量为4%㊁6%㊁8%和10%的各龄期样品抗压强度均低于A0(电石渣掺入前),且随电石渣对矿渣取代量从2%增加到10%,地聚物28d 抗压强度损失高达54.06%㊂第4期刘㊀扬等:碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理1357㊀图3㊀不同电石渣取代粉煤灰量下地聚物的SEM 照片Fig.3㊀SEM images of geopolymer with different carbide slag replacing fly ash content表4㊀不同电石渣取代矿渣量下地聚物的抗压强度和MIP 结果Table 4㊀Compressive strength and MIP results of geopolymer with different carbide slag replacing slag contentSample Compressive strength /MPa 7d 14d 28d Total porosity /%Pore size distribution ratio /%>1000nm 100~1000nm 50~<100nm <50nm B144.9660.9367.11 6.5530.407.768.1453.70B238.2949.5453.857.7149.77 5.21 1.4243.60B330.5738.0240.71 6.6953.3415.56 6.6424.46B429.5935.4538.247.0160.8610.217.6421.29B526.2128.3330.836.7561.1511.1213.1114.62图4㊀B5的SEM 照片Fig.4㊀SEM images of B5由表4可知,随电石渣取代矿渣量的增大,样品的总孔隙率无明显变化规律,但其孔径大于1000nm的孔隙占比随电石渣对矿渣取代量的增加而增大,这在一定程度上解释了B 组强度持续衰减的现象㊂图4为B5的SEM 照片,从图4中可以看出当电石渣以10%的掺量取代矿渣时,样品存在较多未反应的粉煤灰颗粒,以及粉煤灰表面黏附的一些针状物质,这种物质主要由未反应的水玻璃与水结合而成㊂综上分析可知,电石渣以取代矿渣的方式掺入粉煤灰-矿渣基地聚物二元体系,形成的粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物三元体系的强度并不理想㊂2.3㊀液固比的影响表5为不同液固比下地聚物的抗压强度和MIP 结果,可以看出,随着液固比从0.50增加到0.60,各龄期样品抗压强度均先增大后减小㊂图5是不同液固比下地聚物的SEM 照片,结合表5发现,在液固比小于等于0.55时,因激发剂用量的1358㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷量减少,强度提升㊂当液固比大于0.55时,由于矿渣活性高,反应结束较早,而粉煤灰反应速率低,因此在过高的液固比下,多余的碱激发剂导致体系水分富余,过量的水蒸发形成孔隙,因此在图5(c)中观察到液固比为0.60的样品内部有明显的气孔和裂纹㊂地聚物内部生成的气孔与裂纹不利于致密孔结构的形成,随液固比从0.55增长至0.60,样品总孔隙率从4.38%增加到10.08%,抗压强度随之降低㊂表5㊀不同液固比下地聚物的抗压强度和MIP 结果Table 5㊀Compressive strength and MIP results of geopolymer with different liquid-solid ratiosSample Compressive strength /MPa 7d 14d 28d Total porosity /%Pore size distribution ratio /%>1000nm 100~1000nm 50~<100nm <50nm Y144.7752.0857.36 5.7547.4813.137.1332.26Y248.9254.6461.28 4.5138.0215.14 6.6240.22Y354.9563.0672.94 4.3839.778.13 5.6546.45Y448.2254.7654.957.7052.0111.11 2.8434.04Y542.2850.8753.3210.0847.4313.34 3.1636.07图5㊀不同液固比下地聚物的SEM 照片Fig.5㊀SEM images of geopolymer with different liquid-solid ratios 2.4㊀碱激发剂浓度的影响表6为不同碱激发剂浓度下地聚物的抗压强度和MIP 结果,能看出各龄期地聚物抗压强度随碱激发剂浓度增大而升高,这是因为体系中OH -浓度随碱激发剂浓度的增大而提高,地聚物碱性增强,原料中硅铝酸盐组分加速溶解和聚合,地聚物缩聚反应更加充分[15,19]㊂由表6发现,随碱激发剂浓度从15%增加到35%,样品总孔隙率从15.68%逐渐降低至6.06%,其中碱激发剂浓度从15%到30%时地聚物总孔隙率减少了61.10%,而从30%至35%时仅降低了0.66%㊂表6㊀不同碱激发剂浓度下地聚物的抗压强度和MIP 结果Table 6㊀Compressive strength and MIP results of geopolymer with different alkaline activator concentrationsSample Compressive strength /MPa 7d 14d 28d Total porosity /%Pore size distribution ratio /%>1000nm 100~1000nm 50~<100nm <50nm N125.3327.4136.8315.6834.00 2.76 1.4161.83N231.6240.7048.4112.6039.83 4.33 2.1453.70N348.6162.8764.549.4751.28 3.64 3.3545.08N455.1864.0075.92 6.1023.6812.5316.6247.17N561.2169.2980.946.0621.6510.888.8758.60不同碱激发剂浓度下地聚物的SEM 照片如图6所示,因碱激发剂浓度较低,N1的地质聚合程度较低,观察到有较多未反应的原料㊁孔隙和裂纹㊂随着碱激发剂浓度的增大,碱含量的提升提高了硅铝原料的溶解速率,有效促进了凝胶的生成,未反应的原料及孔隙减少,结构更为致密,抗压强度逐渐升高㊂第4期刘㊀扬等:碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理1359㊀图6㊀不同碱激发剂浓度下地聚物的SEM 照片Fig.6㊀SEM images of geopolymer with different alkaline activator concentrations 2.5㊀碱激发剂模数的影响不同碱激发剂模数下地聚物的抗压强度和MIP 结果如表7所示,各龄期地聚物抗压强度先随碱激发剂模数的增加而升高,在模数为1.2时达到最高值,之后随模数的增加而降低㊂这是因为适当提高碱激发剂模数能提供更多SiO 2-3,有利于反应开始时形成紧密的富硅凝胶相,地聚物总孔隙率逐渐降低㊂若碱激发剂模数过高,则会因Na 2SiO 3含量过多而阻碍硅铝质原料溶解[19],并且模数越高的碱激发剂中水分含量越少,浆体过稠因而强度降低㊂当模数过低时,低Si /Al 比地聚物体系发生以下反应:[Al(OH)4]-+[SiO 2(OH)]2-ң[(OH)3Al O SiO 2(OH)]3-+H 2O [Al(OH)4]-+[SiO(OH)3]-ң[(OH)3Al O SiO(OH)2]2-+H 2O {(2)表7㊀不同碱激发剂模数下地聚物的抗压强度和MIP 结果Table 7㊀Compressive strength and MIP results of geopolymer with different alkaline activator moduli Sample Compressive strength /MPa 7d 14d 28d Total porosity /%Pore size distribution ratio /%>1000nm 100~1000nm 50~<100nm <50nm M145.5757.9665.928.7129.35 2.717.0760.87M247.4061.6769.22 5.8746.28 4.67 4.7344.32M352.2663.7975.49 5.2828.87 6.618.8555.67M450.3159.0171.65 6.7123.928.1510.1357.80M540.2753.4469.067.2426.67 5.537.4560.35由式(2)可知,在低Si /Al 比地聚物中,[SiO 2(OH)2]2-与[SiO(OH)3]-会快速与[Al(OH)4]-单体结合成低聚态的硅铝酸盐,不利于强度的发展,而且过低的Si /Al 比致使[SiO(OH)3]-单体的浓度较低,不利于三维网状结构的形成[20]㊂由表7可知,地聚物的总孔隙率随碱激发剂模数的增加先减小后增大,其在模数为1.0和1.4时的总孔隙率,与模数为1.2时仅分别相差3.43个百分点和1.96个百分点,这在一定程度上解释了地聚物28d 抗压强度在不同碱激发剂模数下变化较小的现象㊂不同碱激发剂模数下地聚物的SEM 照片如图7所示,在碱激发剂模数从1.0增加到1.4的样品中均观察到较为致密的微观结构,未反应的粉煤灰㊁矿渣和电石渣较少,说明地质聚合反应程度较高,再次解释了在不同碱激发剂模数下地聚物的总孔隙率和抗压强度未表现出明显差异的现象㊂综上分析,考虑抗压强度㊁孔结构特征㊁凝结速率及浆体流动性等因素,试验得出的地聚物最优配比为粉煤灰㊁矿渣㊁电石渣质量比为32ʒ15ʒ3,液固比为0.55,激发剂浓度为30%,激发剂模数为1.2㊂该配比所制备试件的28d 抗压强度为77.83MPa,较粉煤灰-矿渣基地聚物提升了25.19%㊂1360㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图7㊀不同碱激发剂模数下地聚物的SEM 照片Fig.7㊀SEM images of geopolymer with different alkaline activator moduli 2.6㊀孔径分布分析图8㊀地聚物大孔占比变化曲线Fig.8㊀Large pore ratio change curves of geopolymer 结合表3~表7发现,粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物孔径的主要分布范围为:大于1000nm 和小于50nm㊂由于孔径小于50nm 的孔隙被认为是无害孔隙[21],考虑地聚物无害孔隙和有害孔隙的占比对宏观强度有一定影响,本文以样品总孔隙率乘以孔径大于等于50nm 的有害孔隙的权重为大孔占比,绘制各因素下地聚物的大孔占比变化曲线,如图8所示㊂图9为地聚物的总孔隙率变化曲线,结合图8发现,在液固比㊁激发剂浓度和激发剂模数因素下的地聚物,随大孔占比的减少,总孔隙率减小,可能是因为激发剂参数改变而生成的凝胶主要填充了大孔尤其是大于1000nm的孔隙,降低了总孔隙率,宏观抗压强度随之提升㊂在不同前驱体配比的样品中,大孔占比和总孔隙率未表现出明显的相关性,其机理有待笔者进一步研究㊂以大孔占比为横坐标,以与其对应的28d 抗压强度为纵坐标,构建大孔占比与28d 抗压强度的关系曲线,如图10所示㊂由图10可知,除电石渣取代粉煤灰量这一因素之外,其他因素下地聚物28d 抗压强度均随大孔占比增多而降低,且电石渣取代矿渣量㊁激发剂浓度和激发剂模数因素下地聚物的宏观强度受大孔占比影响较大,液固比因素下的影响相对较小㊂图9㊀地聚物总孔隙率变化曲线Fig.9㊀Total porosity change curves ofgeopolymer 图10㊀地聚物大孔占比与28d 抗压强度关系Fig.10㊀Relationship between large pore ratio and 28d compressive strength of geopolymer㊀第4期刘㊀扬等:碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理1361 3㊀结㊀论1)本文在其他学者的基础上再次印证了电石渣掺入粉煤灰-矿渣基地聚物的可行性,并综合分析了碱激发剂对粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物抗压强度的影响㊂电石渣以取代粉煤灰的方式掺入粉煤灰-矿渣基地聚物,强度得到提升,以取代矿渣的方式掺入则不利于强度发展㊂试验得出的地聚物最优配比为粉煤灰㊁矿渣㊁电石渣质量比为32ʒ15ʒ3,液固比为0.55,激发剂浓度为30%,激发剂模数为1.2,该配比所制备试件的28d 抗压强度为77.83MPa㊂2)粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的抗压强度随电石渣对粉煤灰取代量㊁液固比和碱激发剂模数的增加表现出先增大后减小的趋势;随电石渣对矿渣取代量的增加,抗压强度逐渐减小;碱激发剂浓度越大,抗压强度越大㊂3)粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的孔径主要分布范围为:大于1000nm及小于50nm,除电石渣对粉煤灰取代量这一因素之外,其他因素下均得到了地聚物随总孔隙率和大孔占比的减少,微观结构更加致密,抗压强度逐渐上升的规律,且在电石渣取代矿渣量㊁碱激发剂浓度和模数的影响下,地聚物28d抗压强度因总孔隙率改变而产生的变化较为显著㊂参考文献[1]㊀赵立文,朱干宇,李少鹏,等.电石渣特性及综合利用研究进展[J].洁净煤技术,2021,27(3):13-26.ZHAO L W,ZHU G Y,LI S P,et al.Research progress on characteristics and comprehensive utilization of calcium carbide slag[J].Clean Coal Technology,2021,27(3):13-26(in Chinese).[2]㊀曹春霞,王㊀波,成怀刚,等.电石渣及二氧化碳资源化利用现状与展望[J].化工矿物与加工,2022,51(2):1-9.CAO C X,WANG B,CHENG H G,et al.The status and outlook of the resource utilization of calcium carbide slag and carbon dioxide[J].Industrial Minerals&Processing,2022,51(2):1-9(in Chinese).[3]㊀DAVIDOVITS J.Geopolymers and geopolymeric materials[J].Journal of Thermal Analysis,1989,35(2):429-441.[4]㊀赵献辉,王浩宇,周博宇,等.粉煤灰基地聚物的性能影响因素及其凝胶产物研究进展[J].硅酸盐通报,2021,40(3):867-876.ZHAO X H,WANG H Y,ZHOU B Y,et al.Research development on 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浅谈碱激发水泥、混凝土的力学性能混凝土力学性能是钢筋混凝土结构设计和施工的基础，是保证结构安全的最基本性能。
混凝土是一种非均质材料，其力学性能会受到多种因素的影响，如水胶比、骨料性能、龄期、试件尺寸、加载速度、混凝土浇筑方法和加载方式以及试验方法等。
对于硅酸盐水泥混凝土而言，国内外做了大量较为详尽的研究工作，并制定了一系列的设计规范或标准，以指导工程实际；而对碱激发矿渣混凝土来说，我国目前还没有统一的规范或标准，大多的研究与测试都是参照硅酸盐水泥混凝土进行，对于混凝土基本力学性能之间关系的确定也很少，这也制约了碱矿渣混凝土材料的发展与应用。
本章重点讨论碱激发矿渣水泥混凝土的力学性能，包括其强度、弹性模量、受力应力-应变、泊松比及其之间的关系。
一、抗压强度和抗折强度强度是碱激发混凝土最基本的静态力学性能之一。
相对于普通混凝土，碱激发矿渣混凝土的水化反应是在碱性环境中进行，速度较快，形成的界面过渡区密集且均匀。
因此，其凝结硬化快，早期强度高。
影响碱激发混凝土强度的因素有很多，包括碱激发剂的种类和用量、胶凝材料的种类和细度、原材料相对比例、养护方法及龄期等。
（一）激发剂对强度的影响碱激发剂的种类和用量对碱矿渣混凝土的抗压强度均有影响。
常用的碱激发剂主要有NaOH、Na2CO3、Na2SO4、固体或液体水玻璃以及它们的混合物，其中以水玻璃激发矿渣体系的强度最高。
Collins等和Bakharev的研究结果表明，水玻璃溶液激发水泥比固体硅酸钠具有更高的强度。
另外，激发剂（以Na2O%计）的掺量对碱矿渣水泥砂浆、混凝土强度也有重要的影响，当采用水玻璃（M s=1.0）为激发剂时，激发剂的掺量存在一个最佳值，结果如表1所示。
碱含量在4%到12%时，随着碱含量的增加，砂浆的抗折强度和抗压强度先增大后减少，最佳的碱含量为8%。
表1 激发剂掺量对碱矿渣水泥砂浆强度的影响然而，由于原材料的来源不同，制备工艺、养护制度以及水玻璃的模数等不同，都会影响到最佳碱含量。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910209394.4(22)申请日 2019.03.19(71)申请人 安徽理工大学地址 232001 安徽省淮南市泰丰大街168号(72)发明人 万祥龙 陈智博 胡凯强 高美玲 赖声发 (74)专利代理机构 北京智桥联合知识产权代理事务所(普通合伙) 11560代理人 杜瑞锋(51)Int.Cl.C04B 7/24(2006.01)C04B 7/28(2006.01)C04B 12/00(2006.01)(54)发明名称一种有机碱激发的地质聚合物及其制备方法(57)摘要本发明属于聚合物领域，具体涉及一种地质聚合物，还涉及上述的地质聚合物的制备方法。
一种有机碱激发的地质聚合物，其特征在于，该聚合物是以低碳粉煤灰和/或炉渣灰、水玻璃或硅酸钠或硅溶胶为主要原料，以水溶性不饱和有机碱为激发剂，以过硫酸铵或过硫酸钾为引发剂聚合而获得的。
本发明的有益效果在于，采用不饱和有机碱和引发剂能明显减少地质聚合物的渗碱问题，提高反应的速度，制备了性能优异的地质聚合物，具有很好的实际应用意义。
通过不饱和有机季铵碱激发再聚合的方式，解决了无机碱容易渗碱的问题，加速反应得到有机与无机物复合的地质聚合物，具有很好的社会效益与应用意义。
权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 109734339 A 2019.05.10C N 109734339A权 利 要 求 书1/2页CN 109734339 A1.一种有机碱激发的地质聚合物，其特征在于，该聚合物是以低碳粉煤灰和/或炉渣灰、水玻璃或硅酸钠或硅溶胶为主要原料，以水溶性不饱和有机碱为激发剂，在引发剂作用下聚合而获得的。
2.如权利要求1所述的一种有机碱激发的地质聚合物，其特征在于，引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾；或者是引发剂为苯甲酰甲酸甲酯、三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、1-羟基环己基苯基甲酮中的任一种。
碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究共3篇碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究1碱激发矿渣微粉是一种新型的高性能胶凝材料，它主要由矿渣微粉、混凝土掺合料、碳酸钙、碱激发剂、硅酸盐等组成。
这种材料具有结构稳定、耐久性好、抗裂性强、抗渗性好等特点，被广泛应用于各种建筑工程中。
组成结构方面，碱激发矿渣微粉主要由矿物质、玻璃相和结晶质相组成。
其中矿物质主要是硅酸盐矿物，包括方解石、镁铁闪锌矿等。
玻璃相是指熔融的矿渣中未晶化的部分，其化学组成与液态矿渣相似。
结晶质相是指矿渣中已经结晶化的部分，如水化硅酸钙、钙铝酸盐等。
在材料性能方面，碱激发矿渣微粉具有很多优良的特点。
首先，这种材料具有很高的强度和硬度，其抗压强度往往高达50-100MPa。
其次，其经久耐用性特别好，即使在恶劣的环境条件下也能够保持良好的性能。
此外，它的收缩性低，热膨胀系数小，不容易出现龟裂的情况，从而保障了建筑物的安全性和稳定性。
因为碱激发矿渣微粉具有较为优异的性能，所以在很多建筑工程中，其被广泛应用，如工业厂房、桥梁、隧道、水利工程等。
不过，如果使用不当，也有可能出现一些问题，如胶凝时间延长、龟裂现象的出现等，因此，在使用时一定要注意防范出现这些问题。
此外，针对不同的工程项目，还应该针对性的选择其配方和使用方法，以达到最佳效果。
碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究2碱激发矿渣微粉胶凝材料是一种新兴的胶凝材料，由矿渣微粉、碱性激发剂和其他辅助材料组成。
近年来，人们针对这种材料的研究越来越多，下面我们将从材料的组成、结构和性能三个方面来分析它的特点。
一、组成碱激发矿渣微粉胶凝材料通常由以下两个主要成分构成：1.矿渣微粉：矿渣是由冶炼过程中产生的废渣经过较高温度下的熔融而形成的。
矿渣微粉是矿渣经过粉碎、细磨等处理后得到的细粉末。
与传统胶凝材料中的水泥相比，矿渣微粉具有较高的玻璃体含量和较低的硅酸盐含量，因此矿渣微粉的使用可以减少对自然资源的消耗和环境破坏。
碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究??【摘要】本研究旨在探讨碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能的影响。
通过对钢渣矿渣胶凝材料的特点和碱激发对其性能的影响进行分析，设计了实验方法与流程，并进行了实验结果的分析。
研究发现，碱激发可以显著提高钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能。
性能改善措施可以进一步提升材料性能。
本研究为钢渣矿渣胶凝材料的应用提供了重要的理论和实验基础。
未来可以深入探讨碱激发对材料性能的影响机制，并开展更多的性能改善措施研究。
综合以上研究结果，碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能具有重要的促进作用，为该类材料的应用和研究提供了新的思路和方向。
【关键词】碱激发、钢渣矿渣、胶凝材料、凝结硬化性能、研究、实验方法、实验结果、性能改善、结论、展望、总结。
1. 引言1.1 研究背景钢渣矿渣是冶金工业生产过程中产生的一种废弃物，大量的钢渣矿渣排放对环境造成了严重污染。
寻找一种能够有效利用钢渣矿渣的方法，不仅可以降低环境污染，还可以实现资源的再利用，具有重要的经济和环境意义。
近年来，随着建筑工程的发展和需求的增加，对胶凝材料提出了更高的要求。
钢渣矿渣由于其含有大量的氧化铁、钙、镁等成份，使其具有潜在的胶凝活性。
研究碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能，对于提高胶凝材料的综合性能，推动矿渣资源的综合利用具有重要意义。
本研究旨在通过添加不同类型的碱激发剂，探究其对钢渣矿渣胶凝材料性能的影响，从而提高其凝结硬化性能，为实现钢渣矿渣资源化利用提供技术支持。
通过实验研究和数据分析，深入探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机制，为今后的研究和工程应用提供参考依据。
1.2 研究意义本研究旨在通过碱激发的方式改善钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能，探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机理，为该材料在工程领域的应用提供技术支撑。
通过实验方法与流程的设计，以及对实验结果的分析，可以深入了解碱激发的作用机制，找到钢渣矿渣胶凝材料的性能改善措施。
第31卷第3期非金属矿V ol.31 No.3 2008年5月Non-Metallic Mines May, 2008地质聚合物具有快凝早强，抗压强度高，密度低，耐酸碱腐蚀，耐高温，低渗透性，优良的耐久性等优点，可用于交通及抢修工程、土木工程、固化核废料及有毒废料、防火材料等领域，有望成为未来绿色环保无熟料水泥的新型胶凝材料，为近年国际上胶凝材料研究的热点[1,2]。
地质聚合物是一种由碱激发硅铝质材料而形成的胶凝材料，其制备是以高硅高铝质的天然黏土、无机非金属矿物及工业废渣（如粉煤灰、煤矸石以及矿渣等）为原料,在化学激发剂的作用下，通过玻璃体结构中的 -O-Si-O-Al-O- 链的解聚生成[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-四面体,进而发生缩聚反应生成新的-O-Si-O-Al-O-的无机聚合物网络结构[3~8]胶凝材料，与Portland水泥胶凝材料的CSH、CH、AFm等无机小分子结构组成的硬化体有本质的区别。
粒化高炉矿渣具有潜在的水硬活性[9]，可作为制备地质聚合物的原材料，这对于固体废弃物资源化利用，节能减排，构建资源节约型、环境友好型的的绿色生产过程意义重大[10]。
本实验采用NaOH作为碱激发剂激发粒化高炉矿渣来制备地质聚合物，对其力学性能及水化程度等进行了较系统的研究，旨在对其进一步应用于工业提供依据。
1 原料及实验方法1.1 原料选用陕西龙钢粒化高炉矿渣，其化学成分(wt%)为：CaO，38.9；SiO2，32.7；Al2O3，15.1；MgO，6.23；Fe2O3，2.52；TiO2，1.10；其它，3.45。
激发剂为分析纯NaOH，天津化学试剂三厂生产。
1.2 实验方法将矿渣用FN101-A型鼓风干燥箱干燥3h，自然冷却后，把原料装入SYM Φ500×500水泥球磨机进行磨细，然后再干燥3h，自然冷却后，装入密封袋保存作为实验原料待用。
力学性能试验采用尺寸为3.16×3.16×5(cm)的净浆试件, 所有试件在成型1d后拆模, 并自然养护至各龄期进行测试；凝结时间根据GB1346-89进行实验。
摘要中国钢铁产量巨大，2015年的实际产量约为7.795亿吨。
钢渣和矿渣是钢铁冶炼过程中产生的工业废渣，目前每生产1 t钢材会产生100~200 kg钢渣，每生产1 t生铁会产生大约300 kg矿渣。
矿渣的活性较高，可以应用在水泥与混凝土领域，目前中国的矿渣利用率可以达到85%以上。
然而钢渣由于硬度大且活性低，综合利用率仅为20%左右。
高碱度钢渣的矿物组成中含有硅酸三钙，可以通过一些方法激发其胶凝性能。
加气混凝土是一种保温隔热材料，可以用作新型墙体材料。
本文以高碱度钢渣和矿渣为原材料，双氧水为引气剂，采用免蒸压养护方式，制备出了两种干密度级别的碱钢渣-矿渣基加气混凝土。
试验研究了不同免蒸压养护方式对制品抗压强度的影响，同时参照国家相关标准测定了制品的物理性质，干燥收缩，耐久性，热工性能及放射性。
通过XRD、SEM、FT-IR、TG-DSC等技术手段，观察了制品的微观形貌，分析了制品的水化产物和反应机理。
研究结果表明：试验的最优配合比为钢渣掺量40%，矿渣掺量60%，水玻璃模数1.6，碱含量6%，水胶比0.42，碱溶液温度30°C，B06和B05制品的双氧水产量分别为4%和8%；采用蒸汽养护时制品的抗压强度随养护温度的升高而增大，采用标准养护时制品的抗压强度随养护时间的增大而增大，两种免蒸压养护方式制备的产品，抗压强度级别均能达到干密度级别对应的标准规定；B06和B05干密度级别制品的孔径分别约为0.3~0.6 mm和0.5~1 mm，孔隙率分别为69.8%和74.6%，含水率分别为33.9%和36.7%，吸水率分别为79.1%和96.8%；B06和B05干密度级别制品的干燥收缩值均能够达到国家标准干燥收缩值≤0.50 mm/m的要求；B06干密度级别制品的抗冻性能够达到国家标准，但B05干密度级别制品的抗冻性略差；B06和B05干密度级别制品均具有良好的保温隔热性能，B06制品的导热系数0.1429 W/(m·K)≤标准规定值0.16 W/(m·K)，B05制品的导热系数0.1264 W/(m·K)≤标准规定值0.14 W/(m·K)；养护方式对碱钢渣-矿渣基加气混凝土水化产物种类的影响不大，水化样的矿物成分主要为惰性RO相，碳化生成的CaCO3，以及水化生成的水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和水化铝硅酸钙凝胶（C-S-A-H）；钢渣和矿渣在碱激发条件下的水化过程是铝氧键和硅氧键的断裂、溶解和再聚合生成新物质的过程。
碱激发胶凝材料的地聚物制备1. 背景介绍地聚物是一种具有优异力学性能的聚合物材料，具有优良的耐热性、耐腐蚀性和抗老化性。
由于其独特的性质，在建筑、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。
2. 碱激发胶凝材料碱激发胶凝材料是一种新型的地聚物，其制备过程中利用了碱性环境对地聚物进行交联，从而提高了其力学性能和耐久性。
由于碱激发胶凝对地聚物性能的提升，其在建筑材料、航空航天材料等领域具有广阔的应用前景。
3. 制备工艺制备碱激发胶凝材料的地聚物需要经过若干步骤：3.1 原料准备：选用高纯度的地聚物作为基础材料，同时选用适合的碱性激发剂。
3.2 溶液制备：将地聚物和碱性激发剂按照一定的比例加入溶剂中，并进行充分搅拌。
3.3 反应控制：在加入碱性激发剂后，需要在一定的温度和时间范围内进行反应控制，以保证地聚物与碱性激发剂的充分反应。
3.4 混合和成型：将反应后的溶液进行混合，并进行成型，形成所需的碱激发胶凝材料。
4. 实验方法为了制备具有优异性能的碱激发胶凝材料的地聚物，需要进行一系列的实验研究：4.1 原料筛选：对地聚物和碱性激发剂进行筛选，选择最优配方。
4.2 溶液制备：确定最佳的溶剂种类和比例，进行溶液制备。
4.3 反应控制：通过调控温度、时间等参数，控制地聚物与碱性激发剂的反应过程。
4.4 性能测试：对制备的碱激发胶凝材料进行力学性能、热性能等方面的测试，评估材料的性能表现。
5. 结论通过上述实验方法，可以得到具有优异性能的碱激发胶凝材料的地聚物。
这些材料不仅具有较高的力学性能和耐久性，同时也具有很好的加工性和工程应用性，可以在建筑、汽车、航空航天等领域得到广泛的应用。
6. 展望随着碱激发胶凝材料的地聚物的制备工艺的不断完善和技术的进步，其在各个领域的应用前景必定会更加广阔。
未来可以进一步研究其在新能源材料、环境材料等方面的应用，为社会和经济的发展做出更大的贡献。
研究进展随着工业技术的不断发展，碱激发胶凝材料地聚物的研究也在取得新的进展。
