偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物的制备与性能研究

粉煤灰地聚合物材料性能及应用的研究进展俞华栋【摘要】粉煤灰地聚合物在微观结构上与传统偏高岭土基地聚合物相似,但制备成本大幅降低,且某些性能甚至还会超越偏高岭土基地聚合物,因此受到国内外学者的高度关注.针对粉煤灰基地聚合物反应机理,着重介绍了粉煤灰特性、激发剂及水组分含量对所得地聚合物性能的影响,阐述了粉煤灰地聚合物在处置利用固废中的应用.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2018(044)016【总页数】3页(P81-83)【关键词】粉煤灰;地聚合物;性能【作者】俞华栋【作者单位】浙江天地环保科技有限公司,浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TU502地质聚合物(Geopolymer，简称地聚物)是一类新型的无机胶凝材料，主要通过含铝硅酸盐的矿物在碱性环境中反应生成无机聚合物[1]。

地聚合物拥有无规则的三维网状结构，其主体由硅氧四面体、铝氧四面体构成，空隙中填充了碱金属离子。

其链接结构以离子键和共价键为主，范德华力、氢键为辅，同时具有高分子材料、水泥及陶瓷材料的结构特点。

因此地聚物可呈现出良好的力学性能、耐久性、耐化学腐蚀、耐高温和环境友好等优点[2]，在耐火隔热材料、建筑材料、重金属固化和核废料固封等方面得到广泛的应用[3,4]。

与传统的胶凝材料相比，可以用于制备地聚合物的原料包容度高。

富含硅铝成分的矿物、固废、尾矿，如粉煤灰、矿渣和煅烧高岭土等均用作制备地聚合物的原材料。

此外，其制备工艺简单，制备过程的能耗低。

在常压条件下，通过使用一些激发剂还可促使其强度快速发展，整个环节的碳排放量仅为传统硅酸盐水泥的10%～20%，因此，地聚物是一类优秀的绿色建筑材料[2]。

1 地聚合物制备出于绿色环保的考虑，现阶段制备地聚合物的原料为多种含铝硅酸盐矿物和工业固体废弃物。

在碱激发条件下，一些典型矿物的活性顺序按以下顺序依次增大：高岭土、火山灰、粉煤灰、炉渣、沸石、偏高岭土[5]。

由于粉煤灰(含有SiO2和Al2O3)与天然铝硅原材料在组成及结构上的相似性，其成为制备地聚合物一种原材料。

第40卷第4期2021年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.4April,2021偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究管柏伦1,郭荣鑫1,齐荣庆1,2,付朝书1,张㊀敏1,张文帅1(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南省土木工程防灾重点实验室,昆明㊀650500;2.西南林业大学土木工程学院,昆明㊀650500)摘要:本研究以偏高岭土和粉煤灰为原料,以不同模数(0.75㊁1.00㊁1.25㊁1.50)和碱浓度(质量分数)(40%㊁44%㊁48%)的钾水玻璃为碱激发剂,微珠㊁蛭石和珍珠岩为细骨料来制备地聚物砂浆试件㊂主要通过测试地聚物砂浆试件常温及1000ħ高温作用后的抗压强度,探明碱激发剂模数和浓度对砂浆试件力学性能的影响,并利用XRD㊁SEM 手段对地聚物的物相组成及微观形貌进行表征㊂结果表明:当碱浓度不变时,除40%碱浓度外,其余试件的抗压强度随模数的增大先升高后略微降低或者基本不变㊂当模数不变时,除模数为0.75的试件外,其余试件的抗压强度随碱浓度的增大先升高后降低㊂当模数为1.00且碱浓度为44%时,试件的抗压强度最高,历经1000ħ高温后地聚物砂浆试件相对残余强度仍能维持42%及以上,该温度下水化产物为白榴石(KAlSi 2O 6)和钾霞石(KAlSiO 4),地聚物在常温下有大量絮状的水化产物生成且微观结构较为致密㊂关键词:偏高岭土-粉煤灰基地聚物;砂浆;抗压强度;碱浓度;模数;高温;微观结构中图分类号:TU526㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)04-1250-08Mechanical Properties of Geopolymer Mortar Based on Metakaolin and Fly AshGUAN Bolun 1,GUO Rongxin 1,QI Rongqing 1,2,FU Chaoshu 1,ZHANG Min 1,ZHANG Wenshuai 1(1.Yunnan Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.School of Civil Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650500,China)收稿日期:2020-10-16;修订日期:2021-01-18基金项目:国家自然科学基金(52068038);云南省教育厅科学研究基金(2019J0044)作者简介:管柏伦(1996 ),男,硕士研究生㊂主要从事碱激发胶凝材料等相关研究工作㊂E-mail:1650941424@通信作者:齐荣庆,博士,讲师㊂E-mail:qrqing@Abstract :In this study,geopolymer mortar specimens were prepared with metakaolin and fly ash as raw materials,potassium sodium silicate with different modulus (0.75,1.00,1.25,1.50)and alkali concentration (mass fraction)(40%,44%,48%)as alkali activator,and microbeads,vermiculite and perlite as fine aggregate.The compressive strength of geopolymer mortar specimens at room temperature and 1000ħhigh temperature were tested,the influences of the modulus and concentration of alkali activator on the mechanical properties of mortar specimens were explored,and the phase composition and micro-morphology of geopolymer were characterized by XRD and SEM.The test results show that when the alkali concentration is unchanged (except concentration of 40%),the compressive strength of most specimens increase first and then decrease slightly or remain basically unchanged with the increase of modulus.When the modulus remains unchanged (except modulus of 0.75),the compressive strength of most specimens increase first and then decrease with the increase of alkali concentration.When the modulus is 1.00and the alkali concentration is 44%,the compressive strength of the specimen is the highest.After 1000ħhigh temperature,the relative residual strength of the sample still maintains at 42%or above.The hydration products after 1000ħare leucite (KAlSi 2O 6)and potassiumnephritic (KAlSiO 4).And a large number of flocculent hydration products are formed at room temperature and the microstructure is relatively compact.Key words :geopolymer based on metakaolin and fly ash;mortar;compressive strength;alkali concentration;modulus;high temperature;microstructure第4期管柏伦等:偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究1251㊀0㊀引㊀言建筑火灾频发使得建筑结构安全面临严重威胁,而混凝土作为传统的建筑材料在温度超过1000ħ时强度几乎损失殆尽[1]㊂因此,为混凝土加固一层耐高温隔热材料来提高其耐火性能非常必要,而地聚物和轻质隔热填料在耐高温和隔热方面分别发挥着其优越的性能㊂地聚物是指富含硅铝质原料的物质在碱的作用下生成[SiO 4]和[AlO 4]三维网络结构的新型胶凝材料[2],因其具有早期强度高和耐高温性能优异的特点而被广泛研究[3]㊂有学者研究表明,粉煤灰基和偏高岭土基地聚物的耐高温性能优良:Duan 等[4]用粉煤灰和偏高岭土以1ʒ1(质量比)制备的地聚物在1000ħ高温后恒温2h 的抗压强度损失率仅为30%;郑娟荣等[5]研究表明以标准砂为细骨料时,偏高岭土基地聚物砂浆在1000ħ高温后恒温2h 仍有50%以上相对残余抗压强度㊂还有学者表示碱激发剂的模数和浓度是影响地聚物性能的关键因素:侯云芬等[6]认为K 2SiO 3溶液激发效果最佳,随着其浓度的提高,粉煤灰基地聚物的抗压强度逐渐提高,当浓度为2mol /L 时,强度达到最大;但Palomo 等[7]认为增大激发剂碱浓度会使得溶液pH 值较高,增加地聚物的聚合时间,限制离子的迁移和凝结硬化,从而致使力学性能下降;陈士堃[8]认为碱浓度在25%~35%之间,模数较高的偏高岭土基地聚物具有较好的力学性能㊂Wang 等[9]认为地聚物的强度会随着模数的减小而持续增大;但郑娟荣等[10]认为地聚物的抗压强度都随水玻璃模数的增加先升高后降低在模数为1.4时达到峰值;李启华等[11]发现碱激发剂模数在1.2~1.4之间㊁掺量为25%(水玻璃占地聚物的质量分数)左右的水玻璃对于粉煤灰基系统早期强度发展较好㊂除地聚物外,微珠㊁蛭石和珍珠岩等轻质材料也因其耐高温和隔热性能良好被广泛应用于建筑中:姚韦靖等[12]认为玻化微珠经1000ħ高温后结构仍旧完好,是性能极佳的耐高温材料;吴仕成等[13]发现随着玻化微珠掺量的增加,水泥基材料导热系数逐渐减小,隔热性能得到提升;程小伟[14]以膨胀珍珠岩等为无机隔热材料制备隧道防火涂料,当涂料涂层10mm 时,耐火极限可达2.5h;夏海江等[15]表示膨胀蛭石具有难熔的结构骨架,轻质低导热,能应用于超过1000ħ的环境中㊂综上所述,地聚物和隔热材料都有着良好的耐高温性能,但对于同时使用地聚物和保温隔热材料并探究其高温后抗压强度的研究较少,而碱浓度和模数对地聚物性能的影响存在争议㊂因此,本文选用钾水玻璃(复掺氢氧化钾调整模数)作为碱激发剂,粉煤灰和偏高岭土复掺为硅铝原料,微珠㊁蛭石和珍珠岩作为隔热填料,研究碱激发剂的浓度和模数对地聚物砂浆的力学性能的影响,并采用XRD㊁SEM 等技术手段对地聚物物相组成及微观结构进行表征㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料图1㊀偏高岭土和粉煤灰XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of metakaolin and fly ash所用偏高岭土(MK)为河南省巩义市辰义耐材磨料有限公司生产,粒径为10μm;粉煤灰(FA)为云南省宣威火电厂生产的Ⅰ级粉煤灰㊂粉煤灰和偏高岭土化学组成见表1,XRD 谱见图1㊂碱激发剂采用河北省永清县聚利得化工有限公司所生产的钾水玻璃(硅酸钾溶液),其中SiO 2和K 2O 的质量分数分别为25.16%㊁9.57%,钾水玻璃的初始模数为2.71,加入KOH 将模数调节为需求值,KOH 为天津市风船化学试剂科技有限公司所产分析纯,KOH 含量ȡ85%(质量分数)㊂微珠为河南省巩义市辰义耐材磨料有限公司生产,粒径为0.106~0.212mm㊂蛭石为河北灵寿县强东矿产品加工厂生产,粒径为0.25~0.425mm㊂珍珠岩为昆明吉祥保温材料有限公司所生产,粒径为0.106~0.212mm㊂试验所用拌合水为自来水㊂由表1可知,偏高岭土和粉煤灰的化学组成主要为SiO 2和Al 2O 3,分别占质量的99%和77.19%㊂图1是1252㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷偏高岭土和粉煤灰的XRD谱,由图可知,粉煤灰的结晶相较多,主要为石英(SiO2)和莫来石(3Al2O3㊃2SiO2);偏高岭土的主要衍射峰在2θ=20ʎ~30ʎ之间,该衍射峰相对较弱,主要为无定型态,结晶相较少;主要晶相有锐钛矿(TiO2)和石英(SiO2)㊂表1㊀偏高岭土和粉煤灰的主要化学组成(质量分数)Table1㊀Main chemical composition of fly ash and metakaolin(mass fraction)/% Material SiO2Al2O3CaO TiO2MgO K2O Na2O Fe2O3SO3P2O5 MK55.0043.000.100.200.050.500.050.50 FA53.0024.19 3.30 2.86 1.34 1.730.348.090.670.24 1.2㊀配合比试验设计12个配合比砂浆试件㊂碱浓度以K2O的当量计,占硅铝质原料(偏高岭土和粉煤灰质量和)的40%㊁44%㊁48%;偏高岭土和粉煤灰按质量比1ʒ1混合㊂碱激发剂的模数分别为0.75㊁1.00㊁1.25㊁1.50㊂微珠等保温材料具有较高的吸水率,经过多次试配确定水胶比为0.9㊂钾水玻璃中固含量计入胶凝材料计算,含水量计入用水量计算㊂隔热填料中微珠㊁蛭石㊁珍珠岩按质量比5ʒ3ʒ4混合㊂详细配合比见表2㊂表2㊀试验配合比Table2㊀Mix ratio of specimens/g No.MK FA Water glass KOH Water Insulation filler40%-0.75302.3302.3460.2235.7900.21088.140%-1.00302.3302.3613.6218.2932.41088.140%-1.25302.3302.3767.0200.7964.61088.140%-1.50302.3302.3920.4183.3996.91088.144%-0.75302.3302.3506.2259.3935.81088.144%-1.00302.3302.3675.0240.0971.21088.144%-1.25302.3302.3843.7220.81006.71088.144%-1.50302.3302.31012.5201.61042.11088.148%-0.75302.3302.3552.3282.9971.41088.148%-1.00302.3302.3736.4261.91010.11088.148%-1.25302.3302.3920.4240.91048.71088.148%-1.50302.3302.31104.5219.91087.41088.1㊀㊀注:40%-0.75表示碱浓度为40%且模数为0.75的配比,其余配比以此类推㊂1.3㊀试件制备每个配合比成型6个试件,其中3个试件用于常温测试,另外3个试件用于高温测试㊂试件尺寸为70.7mmˑ70.7mmˑ70.7mm,在基础配合比不变的情况下,调整水胶比为0.6,每组配合比成型净浆试件选出2个用于XRD物相分析,净浆试件尺寸为25mmˑ25mmˑ25mm㊂试件装模完毕后,在75ħ的环境中固化12h养护,然后拆模,随后放入标准养护室(温度(20ʃ1)ħ,湿度>95%)养护至7d㊂1.4㊀试验方法试件达到养护龄期后取出,一部分试件进行高温试验,高温试验采用编程式箱式电炉以10ħ/min的升温速率将试件加热到目标温度1000ħ,恒温3h,待试件自然冷却后与常温组试件一起进行抗压强度测试(所报道的强度值为3个平行试件的平均值)㊂抗压测试结束后选取试件中心碎块放入丙酮溶液中浸泡3d 以终止其水化,然后取出碎块置于真空干燥皿中干燥,选取部分样品使用美国FEI公司发射丝扫描电子显微镜观察微观形貌,选取压碎净浆试件样品研磨后过0.08mm方孔筛,粉样封存于试样袋中,然后使用日本理学公司XRD Rigaku Ultima IV型X射线衍射仪进行物相分析㊂2㊀结果与讨论2.1㊀抗压强度地聚物砂浆养护7d后的抗压强度见表3,表4给出了高温后地聚物砂浆的相对残余抗压强度,即相同第4期管柏伦等:偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究1253㊀模数相同碱浓度下高温作用后的抗压强度与常温时的抗压强度之比㊂表3㊀地聚物砂浆的抗压强度Table 3㊀Compressive strength of geopolymer mortar/MPa Alkali concentration /%0.75-20ħ 1.00-20ħ 1.25-20ħ 1.50-20ħ0.75-1000ħ1.00-1000ħ1.25-1000ħ1.50-1000ħ407.08ʃ0.8016.52ʃ1.9418.44ʃ1.3920.31ʃ2.07 4.64ʃ0.417.81ʃ0.627.74ʃ0.608.86ʃ0.47448.08ʃ1.1022.24ʃ1.1020.84ʃ0.1021.24ʃ1.42 6.06ʃ0.7112.13ʃ0.5610.12ʃ1.169.77ʃ0.914810.28ʃ1.2420.28ʃ0.6219.80ʃ1.4618.88ʃ2.159.14ʃ0.8210.24ʃ0.959.38ʃ1.247.87ʃ0.68㊀㊀注:0.75-20ħ表示模数为0.75在20ħ时试件的强度,40%表示碱浓度为40%时试件强度,其余以此类推㊂表4㊀高温后地聚物砂浆的相对残余抗压强度Table 4㊀Relative residual compressive strength of geopolymer mortar after high temperatureAlkali concentration /%0.75 1.00 1.25 1.50400.660.470.420.44440.750.550.490.46480.890.500.470.42㊀㊀注:0.75表示模数为0.75的试件经历1000ħ高温后的强度与该模数下常温试件强度之比,40%表示碱浓度为40%的试件经历1000ħ高温后的强度与该碱浓度下常温试件强度之比㊂2.1.1㊀模数对强度的影响图2㊀激发剂的模数对地聚物砂浆抗压强度的影响Fig.2㊀Effect of modulus of activator on compressive strength of geopolymer mortar 碱激发剂模数对地聚物砂浆抗压强度的影响见图2㊂由图可知,常温下当水玻璃的模数为0.75时,除48%-20ħ组抗压强度达到10.28MPa 外,其余各组强度均低于10MPa㊂这可能是因为水玻璃模数太低使得其水化过程中产生Si(OH)4太少,而Si(OH)4有利于消除粉煤灰周围硅氧阴离子团的过饱和现象从而促进粉煤灰的解聚[16],因此粉煤灰解聚不完全使得砂浆强度偏低㊂当模数为1.00时,除个别配比外,其余试件的强度均达到最高,其中44%-20ħ组强度最高,为22.24MPa㊂这可能是因为水玻璃中低聚合度硅氧四面体的含量增加进一步促进硅铝原料的溶解解聚,生成更多胶体沉淀,使得强度升高[16-17]㊂当模数继续升高至1.50时,大部分配比试件的强度都略有降低㊂这可能是因为在较高的模数下,高聚合度硅氧四面体含量增加,不利于原料中硅铝相的解聚,抑制缩聚反应过程,导致强度降低[18]㊂在经历1000ħ高温后,地聚物砂浆的强度较常温下普遍降低,其强度随模数的变化规律与常温时大致相同㊂由表4可知,高温后试件的相对残余抗压强度在42%~89%之间;而水泥胶砂试件在1000ħ高温后仅有15.8%的相对残余抗压强度[19],因此该材料具有较好的耐高温性能㊂当模数为1.00且碱浓度为44%时,试件在经历1000ħ高温后残余强度达到最高,为12.13MPa,仍有55%相对残余强度,为最佳耐高温组㊂该材料具有较好的耐高温性能可能是因为部分未反应的颗粒在高温下发生烧结形成更强的结合力使得强度增加,从而抵消了一部分在高温下引起的热损伤[20]㊂2.1.2㊀碱浓度对强度的影响图3描述了激发剂碱浓度对地聚物砂浆抗压强度的影响㊂由图可知,除0.75模数外,其余各模数下试件的强度均随着碱浓度的增大先增大后减小㊂当碱浓度为44%,各组强度达到最高,这可能是因为随着碱浓度的升高,原料颗粒溶解更充分,生成更多的凝胶体来填充多孔体系,使得结构更为致密[17]㊂而当碱浓度继续升高至48%时,各组强度反而下降,这可能是因为在较高的浓度下,水化反应太快,水化产物附着在粉1254㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷图3㊀激发剂的浓度对地聚物砂浆抗压强度的影响Fig.3㊀Effect of the concentration of activator on compressive strength of geopolymer mortar 煤灰表面来不及分散,水化难以继续进行而导致强度降低[17]㊂后续扫描电镜的观测也证实了这点㊂在经历1000ħ高温后,当模数为1.00时,试件的强度随着碱浓度的增大呈现出先增大后减小的趋势,其余各模数下试件强度均保持稳定,这与常温时的规律相似㊂2.2㊀XRD 分析图4和图5分别为不同模数和不同碱浓度下地聚物净浆的XRD 谱㊂由图可知,地聚物常温下存在的晶相主要为石英(quartz)和莫来石(mullite),仅有少量的白云母(muscovite)和钾长石(microcline),结合图1可知,石英和莫来石来自未反应的原料㊂常温下地聚物在2θ=20ʎ~40ʎ之间出现弥散的馒头峰,这是地聚物的典型特征谱,表明偏高岭土-粉煤灰基地聚物水化产物主要为无定型硅铝酸盐凝胶[21-22]㊂地聚物高温后的水化产物主要为白榴石(leucite)和钾霞石(kalsilite)㊂图4(a)为常温下碱浓度为44%时不同模数下的XRD 谱㊂石英的主衍射峰随着模数的增加先下降后升高,模数为1.00时最低,莫来石峰的变化也符合这个规律,这说明此时原料溶解得最为充分,因此宏观表现为该模数下的试件强度最高㊂当模数增加至1.50时,石英峰反而升高,这可能是水玻璃模数偏大时,高聚合度硅氧四面体含量增加,使得原料中硅铝相的解聚不充分,最终生成的无定型凝胶相较少[18]㊂此外,在地聚物中还有少量白云母和钾长石,Selman 等[23]也探测到白云母的存在㊂图4㊀不同模数下地聚物净浆的XRD 谱Fig.4㊀XRD patterns of geopolymer clean pulp with different modulus 图4(b)为1000ħ高温后碱浓度为44%时不同模数下的XRD 谱㊂由图可知,在经历1000ħ高温后,原有的晶体与凝胶相均转化为白榴石和钾霞石㊂李娜等[24]也探测到这两种晶相的存在,认为地聚物生成了更加稳定的陶瓷相结构;黄丽婷等[25]认为白榴石常用作烤瓷材料,是一种良好的耐高温晶体,因此试件在经历1000ħ高温后仍有较高的残余强度㊂白榴石的主衍射峰随着模数的增加先升高后下降,模数为1.00时最高,宏观表现为高温后该模数下的试件强度偏高㊂图5(a)为常温下模数为1.00时不同碱浓度下的XRD 谱㊂由图可知,石英的主衍射峰随着碱浓度的增加先下降后升高,石英峰与莫来石的衍射峰在48%碱浓度时最强,这说明过高的碱浓度不利于原料的溶解,可能是因为部分水化产物的包裹使得反应减慢使反应生成的无定型凝胶减少㊂图5(b)为高温后模数为1.00时不同碱浓度下的XRD 谱㊂由图可知,1000ħ高温作用后,各碱浓度下的衍射峰几乎均为白榴石,白榴石的主衍射峰随着碱浓度的增加先升高后下降,碱浓度为44%时最高,这与强度规律一致㊂㊀第4期管柏伦等:偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究1255图5㊀不同碱浓度下地聚物净浆的XRD谱Fig.5㊀XRD patterns of geopolymer clean pulp with different alkali concentrations2.3㊀SEM分析图6为地聚物砂浆的微观形貌图㊂图6㊀地聚物砂浆的SEM照片Fig.6㊀SEM images of geopolymer mortar图6(a)㊁(b)和(c)为同一碱浓度(44%)下不同模数(0.75㊁1.00和1.50)的SEM照片㊂由图6(a)可以看到未反应而呈板状结构的偏高岭土,此外还有不少空心腔和未反应的粉煤灰颗粒,Kong等[26]认为粉煤1256㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷灰包含大量具有空心球的颗粒,当这些颗粒部分溶解时,会在小尺寸孔的基质中产生孔隙㊂因此看到的空心腔可能是由于溶解的粉煤灰颗粒留下的空间㊂同样的板状结构在图6(c)中也可以见到,而从图6(b)可以看到大量絮状的水化产物,其微观结构也较密实㊂上述现象与强度规律一致,过低或者过高的碱激发剂模数都不利于水化㊂图6(b)㊁(d)和(e)为同一模数(1.00)下不同碱浓度(44%㊁40%和48%)的SEM照片㊂图6(d)中虽然有不少的水化产物,但也存在未反应偏高岭土㊁裂纹和空隙,这些空隙可能是因为反应过程中凝胶相中水分排出后留下[27],这使得当碱浓度较低时,试件强度较低㊂从图6(e)可以看到未反应完全的粉煤灰颗粒周围包裹着一层水化产物,这与文献[17]的描述一致,可能是这层水化产物薄膜使得后续反应变慢导致强度降低㊂图6(f)㊁(g)和(h)为同一碱浓度(44%)下不同模数(0.75㊁1.00和1.50)高温后的SEM照片㊂由图结合XRD谱及文献[28]可知,图中白色颗粒为白榴石(KAlSi2O6),它作为烤瓷材料为试件高温后的强度提供了保障㊂图6(f)可见少量的白榴石嵌入骨料的孔隙中;随着模数的增加,生成更多的白榴石,同时白榴石与骨料镶嵌较为紧密,这使得该组宏观力学性能较好;随着模数的继续增大,仍然可见大量的白榴石,但它与骨料的界面过渡区密实程度大大降低,过渡区出现了清晰可见的裂缝,这使得该组强度有所下降㊂此外,还可以观测到大量烧结后的空心腔,粉煤灰地聚物的这种多孔系统为加热过程中的水分提供了逃逸途径[27],从而抵消部分热应力带来的强度损伤,这使得试件经历1000ħ高温后仍有较高残余强度㊂3㊀结㊀论(1)当碱浓度不变时,大部分试件的强度随模数的增大先升高后略微下降或者基本不变㊂当模数不变时,大部分试件强度随碱浓度的增大先升高后降低㊂在模数为1.00且碱浓度为44%时抗压强度最高,为22.24MPa㊂㊀(2)地聚物砂浆有着较为良好的耐高温性能,经历1000ħ高温后试件仍能维持42%及以上相对残余强度;试件残余强度最高为12.13MPa,该组仍有55%相对残余强度㊂(3)地聚物净浆常温下的主要水化产物无定型凝胶,此外还有少量钾长石和白云母;1000ħ高温后的水化产物转化为白榴石和钾霞石㊂(4)地聚物砂浆在模数为1.00且碱浓度为44%时的微观结构较为致密,且有大量絮状的水化产物,过低或者过高的模数都存在着较为明显未反应的偏高岭土和粉煤灰,而过高的碱浓度可能使得水化产物薄膜包裹未反应粉煤灰,使得后续水化反应变慢㊂参考文献[1]㊀徐㊀彧,徐志胜.高温作用后混凝土强度试验研究[J].混凝土,2000(2):44-45+53.XU 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2008年 6月郑州大学学报(工学版)Jun 2008第29卷 第2期Journa l of Zhengzhou U n i ve rs i ty (Eng ineer i ng Sc ience)V o l 29 N o 2收稿日期:2008-01-14;修订日期:2008-04-07 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50572096).作者简介:郑娟荣(1964-),女,博士,郑州大学教授,从事高性能混凝土和新型胶凝材料的研究及应用研究.E -ma i:l Zheng jr @ .文章编号:1671-6833(2008)02-0044-04偏高岭土基地质聚合物合成条件的试验研究郑娟荣,刘丽娜(郑州大学土木工程学院,河南郑州,450001)摘 要:研究了由不同产地的高岭土经不同煅烧条件所得的偏高岭土、水玻璃类型和模数、碱含量及养护条件等对地质聚合物合成的影响规律.结果表明:某种苏州高岭土经800 煅烧6h 活性最好,即在碱液中硅铝溶出率最大;当水玻璃模数为1.4,碱含量为10%时,制得的地质聚合物在20 (相对湿度大于90%)的条件下养护28d ,其抗压强度达到82.5M Pa .合成地质聚合物中的偏高岭土的活性、水玻璃模数、碱含量和养护条件达到最佳匹配条件时,其抗压强度最大.关键词:地质聚合物;原材料;养护条件;抗压强度中图分类号:TQ 172.79 文献标识码:A0 引言地质聚合物是法国的J .Davidov its 在20世纪70年代开发的,并取名为Geopo l y m er [1-2].地质聚合物具有普通水泥所没有的独特性能:优良的耐热性、耐酸性、耐久性和制备过程的节能环保性,因此,近30年来受到国内外材料研究者的极大关注.Dav i d ovits 最初使用偏高岭土(煅烧高岭土)作为制备Geopo l y m er 的原料.现在将制备Geopo l y m er 的原料扩大到粉煤灰、矿渣、硅灰、天然铝硅酸盐矿物等[3-5].笔者通过试验找出规律并进行了深入的分析,得出的结论是在一定养护条件下,合成地质聚合物中的偏高岭土的活性、水玻璃模数和碱含量达到最佳匹配条件时,其抗压强度最大.1 实验部分1.1 原材料偏高岭土:由高岭土A (苏州土)和高岭土B (济源土),其化学成份如表1所示,分别经不同煅烧温度和保温时间焙烧、自然冷却至室温,过0.08mm 的方孔筛而得.碱性激活剂:由市售水玻璃和N a OH 或KOH (化学纯级试剂)配制而成一定模数的水玻璃.1.2 样品制备将偏高岭土和碱激发剂按表2中的比例搅拌成均匀的浆体并浇注到40mm 40mm 40mm 的钢模中,在一定温度和保湿条件下养护到规定的时间,试块供抗压强度测试使用.表1 高岭土的化学成份Tab 1 Ch e m ical co mpositions of kaoli n es %编号产地Si O 2A l 2O 3LO I A 苏州42.3938.4316.57B河南济源44.1537.3310.891.3 测试方法抗压强度测试方法:按照国家标准GB /T 17671-1999的方法进行.偏高岭土中活性A l 2O 3和S i O 2的测定方法:准确称取1g 样品,放入250mL 的锥形瓶中,加入5g /L 的Na OH 溶液200mL ,采用回流冷凝的方法煮沸30m in ,然后加入8mL 浓盐酸,再煮沸5m i n ,冷却后过滤,将滤液定容到250m L 的容量瓶中,做为活性S i O 2和A l 2O 3的待测溶液,其活性Si O 2和A l 2O 3分别用氟硅酸钾容量法和EDTA 络合滴定法测定[6-7].2 结果及讨论2.1 高岭土的不同煅烧温度对合成地质聚合物性能的影响将高岭土A 和高岭土B 分别在500,600,700,800,900,1000 下煅烧6h ,得到相应的偏高岭土,将其与模数为1.5(固含量为46.39%)第2期郑娟荣等 偏高岭土基地质聚合物合成条件的试验研究45的水玻璃合成相应的地质聚合物,在65 下养护1.5h ,测定其抗压强度如图1所示.随着高岭土的煅烧温度升高,所合成的地质聚合物的抗压强度升高,当温度达到800 时,抗压强度最大;当温度提高至900 时,其抗压强度开始下降;当温度提高至1000 时,其抗压强度为零,这可能是当温度升至900 以上,偏高岭土开始结晶并转化为莫来石和方石英,此时就失去了活性.而且在相同条件下,煅烧高岭土A 比煅烧高岭土B 所合成的地质聚合物的抗压强度要高得多.表2 地质聚合物的配比T ab 2 M ix ratios of geopoly mer编号混合配合比锻烧温度/5006007008009001000A L C 1 0.841 0.841 0.811 0.751 0.721 0.70W /S 0.400.400.420.440.450.46BL C 1 1.521 1.521 1.451 1.211 1.141 1.07W /S0.270.270.280.320.340.35注:L C 为碱液与锻烧高岭土质量比;W /S 为水固比;锻烧时间为6h.图1 高岭土的煅烧温度与地质聚合物的抗压强度的关系F ig .1 R elati on bet w een ca l c i nation te mp eratu re of kao li n e and co mpressi ve stren gth of geopoly m er2.2 高岭土的不同煅烧时间对合成地质聚合物性能的影响将高岭土A 在800 煅烧2,6,10,16h ,得到相应的偏高岭土,将其与模数为1.5(固含量为46.39%)的水玻璃合成相应的地质聚合物,在65 下养护1.5h ,测定其抗压强度的结果如图2所示.图2 高岭土的煅烧时间与地质聚合物抗压强度的关系F ig .2 R elati on bet w een ca l c i nation ti m e of kao li n e and co mpressi ve stren gth of geopoly m er由图2可以看出,高岭土A 在800 有一个最佳煅烧时间,其值为6h;当低于或超过这一时间时,所合成的地质聚合物的抗压强度下降.这可能是在煅烧时间较短时,高岭土的层状结构还没完全被破坏,降低偏高岭土的活性;在高温下长时间煅烧使偏高岭土向弱结晶的尖晶石转变[8],也降低偏高岭土的活性.从表1可看出,高岭土A 是苏州土,高岭土B 是河南济源土,这2种土的化学成份相差不大,但合成地质聚合物的性能却相差很大.为了解引起这种差异的原因,对高岭土A 和高岭土B 在不同煅烧条件下煅烧后,其在碱溶液中活性Si O 2和A l 2O 3的溶出率进行了测定,其结果如图3所示.从图3可看出:煅烧高岭土的硅铝溶出率(即活性)的变化规律与合成相应的地质聚合物的抗压强度的变化规律(见图1和图2)一致,高岭土经800 煅烧6h 后,其硅铝溶出率总量最大.其原因可能是地质聚合物的凝结硬化机理主要包括解聚、定向迁移、再聚合等过程[9],煅烧高岭土的活性越高,在碱液中解聚溶出的硅铝离子越多,通过迁移,最后聚合形成的产物越多,结果所合成的地质聚合物硬化体的抗压强度越大.从表2还可看出,用相同的碱配制稠度相同的地质聚合物浆体,其水固比随高岭土煅烧温度升高而升高;而高岭土A 的水固比高于高岭土B 的水固比,其地质聚合物硬化体的抗压强度与水固比没有反比关系,这进一步说明煅烧高岭土的活性是影响地质聚合物硬化体抗压强度的一个主要因素.2.3 水玻璃的类型、模数和碱含量的影响水玻璃俗称泡花碱,是一种碱金属硅酸盐.根据其碱金属氧化物种类的不同,又分为硅酸钠水玻璃(N a 2O n S i O 2)和硅酸钾水玻璃(K 2O n S i O 2)等,它们是化学激发胶凝材料中常用的碱46郑州大学学报(工学版)2008年图3 高岭土的煅烧温度与其在碱液中硅铝溶出率的关系F ig.3 R elati on bet w een ca l c i nation te mp eratu reof kao li n e and elu ti on Si O2and A l2O3conten tof ca l c i n ed kao li n e in alkali sol u tion激发剂.二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔比n称为水玻璃的模数.笔者研究了水玻璃的类型(即硅酸钠水玻璃和硅酸钾水玻璃)和水玻璃模数(1.0,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,2.0)对地质聚合物合成的影响,其中碱含量固定为10%,试块在65 下养护1.5h,其抗压强度的试验结果如图4所示.从图4可以看出,无论是钠水玻璃还是钾水玻璃作激发剂,地质聚合物的抗压强度都随水玻璃模数的增加而升高,在模数为1.4时达到峰值,然后随着水玻璃模数的增加降低;由钾水玻璃作图4 水玻璃的种类和模数与其地质聚合物的强度的关系F i g.4 Re l ation b et w een typ e and m odu l u s of water-glass and co m pressive strength s of geopoly m er激发剂的地质聚合物的抗压强度比钠水玻璃作激发剂的地质聚合物的抗压强度略高,这种差异在水玻璃模数低于1.6时较明显.为了解碱含量的变化对地质聚合物抗压强度的影响规律,笔者进行了2组试验,一组是将800 煅烧6h后的偏高岭土与水玻璃模数为1.4的钠水玻璃混合,控制其中碱含量为12%、10%、8%和6%;另一组是将800 煅烧6h后的偏高岭土与纯N a OH溶液混合,控制其中碱含量为15%、20%和25%.试块都在65 下养护1.5h,其抗压强度的试验结果如表3所示.表3 地质聚合物的抗压强度随含碱量的变化规律Tab 3 R elation between the co mpressive strength s and a l kali conten t of geopo l y m er项目碱含量/%121086152025抗压强度/M Pa54.564.052.025.805.08.5表4 不同养护温度下的地质聚合物的抗压强度T ab 4 Co m pressive strength s of geopoly m er under differen t cur i ng te m peratures水玻璃模数碱含量/N a2O%抗压强度/M Pa20 65 907d28d1.5h24h1.5h24h1.41068.582.564.465.545.655.5由表3分析发现,当模数为1.4的钠水玻璃为碱性激发剂时,碱含量为10%的地质聚合物抗压强度最高;碱量再增大,强度开始降低;碱量减小,强度也降低,要想地质聚合物具有一定强度,碱含量应该大于6%;当以纯N a OH溶液为激发剂时,碱含量高达25%,地质聚合物的抗压强度才8.5M Pa,这一结果说明水玻璃引入的初始S i O2有极其重要的作用.水玻璃的模数越大,其中Si O2的聚合度越大;当水玻璃模数大于2时,其硅酸聚合度为15~150[10].本试验结果也表明,当水玻璃模数大于2时,地质聚合物只有极低的强度,说明没有发生地质聚合反应;当水玻璃模数为1.4时,碱液中含有一定量的单体[S i O4].当碱含量大于6%时,首先解聚出偏高岭土中的铝离子,这种铝离子与碱液中的单体[S i O4]发生聚合反应,反应到一定程度就成核,为进一步的聚合反应创下条件.当合成地质聚合物的原材料中偏高岭土的活性、水玻璃的模数和碱含量以及养护温度最佳时,偏高岭土在碱液中的解聚和地质聚合物的聚合反应越充分,试块的抗压强度会越高.当碱含量过多时,会与空气中的CO2反应生成碳酸盐导致材料强度下降;碱含量过大导致材料下降第2期郑娟荣等 偏高岭土基地质聚合物合成条件的试验研究47的另一个主要原因可能是地质聚合物体系中的解聚和聚合反应速度不匹配造成的.养护温度(在保湿条件下)过高也会限制地质聚合物强度的发展(如表4),这是因为温度对地质聚合物体系中的解聚和聚合反应速度都有影响,结果破坏了其中的匹配关系.从表4可看出,当用某种苏州高岭土经800 煅烧6h得的偏高岭土为原料,水玻璃模数为1.4,碱含量为10%时,制得的地质聚合物在一天内脱模(静置在室内空气中,室温约20 ),并在20 (相对湿度大于90%)的条件下养护28d,其抗压强度达到82.5M Pa.3 结 论(1)高岭土经不同温度(500,600,700,800, 900,1000 )煅烧6h后,所合成的地质聚合物的抗压强度随高岭土的煅烧温度升高而提高,到达900 开始下降.(2)高岭土在800 经不同煅烧时间(2,6, 10,16h)后,所合成的地质聚合物的抗压强度在煅烧时间为6h时达到最大值,800 6h是最佳煅烧条件.(3)高岭土经高温煅烧后,所合成的地质聚合物硬化体的抗压强度与煅烧高岭土在碱溶液中硅铝溶出率(即活性)有相关性.(4)经800 煅烧6h得的偏高岭土,在模数为1.4、碱含量为10%的水玻璃激发下,制得的地质聚合物在20 (相对湿度大于90%)的条件下养护28d,其抗压强度达到82.5M Pa.参考文献:[1] DAV I DOV ITS J.M ine ra l po ly m ers and m ethods o fmak i ng them,U.S.P atent4349386[P].1982-09-30.[2] DAV IDOV I T S J.Synthe ti c m i ne ra l po l ym er co m poundof t he s ilicoalu m i na tes fa m ily and prepara ti onprocess,U S.Pa 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粉煤灰基地质聚合物力学性能研究丁兆栋（甘肃能源化工职业学院，甘肃　白银　730900）摘　要：目前，我国对于粉煤灰基地质聚合物的力学特性研究还不够充分，根据我国当前的研究情况来看，不同学者的研究侧重点有着很大的不同，其中关于粉煤灰基地质聚合物力学性能的研究有所欠缺，需要进一步加强相关研究。

本文通过具体实验的方式来对粉煤灰基地质聚合物力学性能进行了深入的研究与分析，阐述了研究结果和研究结论，希望能够对我国粉煤灰相关领域的研究作出一定的贡献，起到一定的参考作用。

关键词：粉煤灰；地质聚合物；力学性能；抗压强度；研究分析粉煤灰基地质聚合物作为碱激发胶的材料之一，因为粉煤灰的活性难以激发，在常温下粉煤灰体系难以凝结等原因，需要对粉煤灰基地质聚合物力学性能进行研究。

本文通过12组胶砂试件的抗压强度和抗折强度，对粉煤灰基地质聚合物的力学性能进行了相关的试验，并分析了碱渣对粉煤灰基地质聚合物的改性机理。

一、试验方案及试验流程（一）粉煤灰原材料选择本次试验中所选择的粉煤灰原材料来自甘肃省某热电厂，粉煤灰等级为一级，其中二氧化硫指数为45.31%，三氧化二铝指数为41.19%，主要结晶相为莫来石，粉煤灰的主要成分构成是玻璃体和莫来石，其中莫来石呈针状，玻璃体表面较为光滑，经过检测粉煤灰在100%含水率的情况下pH 值为5.932。

（二）氢氧化钠材料选择本次试验中所采用的氢氧化钠为市场中出售的一般种类氢氧化钠颗粒，为甘肃省某化学试剂公司生产，氢氧化钠试剂呈白色固体颗粒状，颗粒大小较为均匀，在经过检测确认氢氧化钠材料合格后将其溶解于水中，制成氢氧化钠溶剂，作为试验原材料备用。

（三）碱渣材料选择本次试验所使用的碱渣材料样本来自甘肃省某制碱厂，经过检测所选择的碱渣材料在100%含水率下的pH 值为8.332，其中的化学成分主要有CaCO 3 （64/wt%）、Ca （OH ）2 （10/wt%）、CaCl 2 （6/wt%）、NaCl （ 4/wt%）、CaSO 4 （2/wt%）、SiO 2（4/wt%）、Al 2O 3 （2/wt%）、Acid insolubles （8/wt%）。

宋紫阁1,冯永明2,周文静3(1.新乡学院土木工程与建筑学院,新乡4530002.河南绿锦市政园林工程有限公司,新乡4530003.逸文环境发展有限公司,新乡453000)。

为了改善地质聚合物的力学性能,采用粉煤灰作为主要原料,液体水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂,将偏高岭土作为填料替代部分粉煤灰,制备了应用偏高岭土的粉煤灰基地质聚合物。

对偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物进行了扫描电子显微镜、抗折抗压强度以及折压比等表征,研究了偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物结构以及强度的影响。

结果显示:在粉煤灰基地质聚合物中添加偏高岭土会加快强度的形成,并且提高了粉煤灰基地质聚合物的强度。

;偏高岭土;粉煤灰;抗压强度;抗折强度;折压比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。

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。

摘要地质聚合物是一种新型胶凝材料，因其具有优异的性能，近年来引起了国内外研究学者的广泛关注。

本文利用偏高岭土和粉煤灰为原料，通过碱激发制备地质聚合物。

利用正交设计研究了偏高岭土的细度、粉煤灰的掺量和碱激发剂的模数对地质聚合物力学性能的影响，并研究了其工作性能和凝结性能。

研究表明：（1）高岭土在850℃下煅烧并保温2h制备具有活性的偏高岭土，偏高岭土在常温下由氢氧化钠和水玻璃溶液制成的碱激发剂激发，可以制备地质聚合物。

（2）偏高岭土地质聚合物的早期强度发展很快，通过掺入粉煤灰调控其反应进程，改善其粘聚性，偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物浆体的流动性随着粉煤灰掺量的增加而变好。

（3）通过正交实验得出影响偏高岭土—粉煤灰基地质聚合物力学性能的大小因素分别为偏高岭土细度、粉煤灰掺量和水玻璃模数。

最佳配方为：偏高岭土为最细，粉煤灰掺量为25%，水玻璃模数为1.3；（4）同一粉煤灰含量的混合原料在采用不同模数的水玻璃激发时，随水玻璃模数的增大，凝结时间增长。

关键词：地质聚合物；偏高岭土；粉煤灰；工作性能；凝结时间AbstractGeopolymer is a new gelled material which attracted lots of attentions, both at home and abroad in recent years, for its excellent properties.In this thesis, geopolymer has been synthesized from raw materials what are metakaolinite and fly ash under activation of NaOH solution and sodium silicate solution.We discuss that how fineness of the metakaolinete, content of fly ash and modulus of sodium silicate affect the mechanical properties of Flyash-Metakaolinite based geopolymer by using orthogonal experimental design.Meanwhile，the working performance and setting time of geoploymer are studied.Research shows: (1) Flyash-Metakaolinite based geopolymer has been synthesized at room temperature from metakaolinite under activation of NaOH solution and sodium silicate solution.We get metakaolinite with high activity from kaolinite which has been calcined at 850℃,and holds 2 hours.(2)Metakaolinite-based geoploymer has good performance in the development of the early strength.The reaction process is regulated by mixing the flyash and hence the workability is improved. The content of fly ash in the total raw materials increased, the flowability of the slurry of Flyash-Metakaolinite based geopolymer is getiing better. (3)We know that fineness of the metakaolinete, content of fly ash and modulus of sodium silicate are thre influencing factors. The best formula is the finenest metakaolinite, fly ash accounted for 25% of the total raw materials and modulus of modified water glass was 1.3.(4)When the raw materials with the same content of flyash getted activated by sodium silicate with different modulus,the setting time getting longer along with the increase of the modulus of the sodium silicate.Keywords: Geopolymer Metakaolinite Fly ash Working performanceSetting time目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (2)1.1 地质聚合物简介 (2)1.2 地质聚合物的制备 (3)1.2.1 偏高岭土地质聚合物的制备 (3)1.2.2 粉煤灰地质聚合物的制备 (4)1.3 地质聚合物的反应机理 (6)1.4 地质聚合物发展中的有利条件和遇到的问题 (7)1.4.1 地质聚合物的有利条件 (8)1.4.2 地质聚合物发展中遇到的问题 (9)1.5 地质聚合物的应用前景 (10)1.6 本文研究的主要内容 (11)第二章试验部分 (11)2.1 试验原材料 (11)2.2 试验仪器及设备 (12)2.3 试验材料准备及预处理 (13)2.3.1 偏高岭土制备 (13)2.3.2不同模数改性水玻璃的配制 (13)2.3.3 试验原料配比 (15)2.4 试验方法 (16)2.4.1 地质聚合物试样制备 (16)2.4.2 地质聚合物浆体流动度的测定 (17)2.4.3 抗压强度试验 (17)2.4.4 正交优化设计试验 (17)第三章结果与讨论 (18)3.1 正交实验分析 (18)3.1.1 偏高岭土细度对材料抗压强度的影响 (19)3.1.2 粉煤灰掺量对材料抗压强度的影响 (20)3.1.3 水玻璃模数对材料抗压强度的影响 (22)3.2 偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物性能研究 (23)3.2.1 流动性研究 (23)3.2.2 凝结时间研究 (24)第四章结论与展望 (25)4.1 结论 (25)4.2 展望 (26)致谢 (26)参考文献 (27)第一章绪论1.1 地质聚合物简介地质聚合物最早由法国的Davidovits J教授在研究古罗马建筑和埃及金字塔时提出的[1]。

◆120技术／研究R esear ch韩丹1车云轩2宋鹏2王琦1(1．济南大学材料科学与工程学院，济南250022；2．济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，济南250022)中图分类号：TQ l72．6文献标识码：B文章编号：1007—6344(2014)05—0120—04摘要：以高岭土为原料，煅烧为具有火山灰活性的偏高岭土，vX N a O H，水玻璃为碱激发剂，标准养护条件下制备偏高岭土基地质聚合物。

测试样品的力学性能，并利用X R D、SE M、D SC和T G、FT—I R等测试手段来研究矿物组成、反应机理、微观形貌；结果显示：高岭土的煅烧温度为800℃，煅烧时间2h，水玻璃模数为1．3，碱含量15％条件下，抗压强度最高可达721{)M h矿物聚合物的28d抗压强度相比于’t{，j d有较大幅度提高关键词：偏高岭土地质聚合物力学性能掺量U刖昌地聚合物最早由法国科学家J os eph D avi dovi t s提出，它[5】是一种以无机【s i04】、【A104][四面体为主要组成，结构上具有空间三维网络状键接结构的新型无机硅铝胶凝材料。

地质聚合物中偏高岭土地质聚合物材料性能优良，应用前景好，聚合反应在室温到200。

C下就可完成，不需要高温锻烧或烧结，这就降低了能耗；而且生产过程中几乎没有N O x、SO x和C O等空气污染物的产生，对环境污染少，这在极力强调环保经济的今天是极其重要的。

之前已有大量地质聚合物方面的研究，为制得高抗压强度的偏高岭土基地质聚合物，不同的制备参对应的煅烧制度，养护条件也不同。

本文实验是在室温条件下成型偏高岭土地质聚合物，养护条件为标准养护，研究了偏高岭土的煅烧制度，碱激发剂的模数，碱含量等参数对偏高岭土基地质聚合物抗压强度的影响，以制得高抗压强度的地质聚合物。

1实验与方法1．1实验原料高岭土：产自河北省石家庄市灵寿县，细度为500目；水玻璃：济南市市售水玻璃，模数为3．28，N a20含量为8．2％，Si O：含量为26．1％，含水率为40％；N aO H为粒状分析纯试剂，由天津市大茂化学试剂厂生产；硅酸盐水泥：济南市山水水泥集团生产。

第54卷 第4期2023年7月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .4 J u l .2023引文格式:沈珂羽.碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的力学性能研究[J ].太原理工大学学报,2023,54(4):735-740.S H E N K e y u .S t u d y o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r m o d i f i e d f l y a s h -m e t a k a o l i n g e o p o l ym e r c o n c r e t e [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2023,54(4):735-740.收稿日期:2022-07-11;修回日期:2022-08-09通信作者:沈珂羽(1997-),研究生,主要从事地聚合物混凝土和结构工程研究,(E -m a i l )t y s h e n k e yu @126.c o m 碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的力学性能研究沈珂羽(悉尼大学工程学部土木工程学院,澳大利亚悉尼)摘 要:ʌ目的ɔ地聚合物混凝土由于强度高㊁耐久性好㊁低碳环保等优点受到了广泛关注,然而抗裂性差㊁韧性差等缺陷制约了其应用㊂ʌ方法ɔ将10组不同体积掺量的碳纤维掺入粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土中,分析碳纤维体积掺量对地聚合物混凝土轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比的影响㊂ʌ结论ɔ结果表明,掺入碳纤维可同时对地聚合物混凝土产生增强㊁增韧的效应;随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比均呈先增加后减小的变化趋势,最优碳纤维掺量为0.8%~1.0%;碳纤维对地聚合物混凝土抗折强度的提升效能约优于抗压强度的2倍㊂为碳纤维改性地聚合物混凝土的工程应用提供进一步的参考㊂关键词:地聚合物混凝土;碳纤维;轴心抗压强度;抗折强度中图分类号:T U 528.4 文献标识码:AD O I :10.16355/j .c n k i .i s s n 1007-9432t yu t .2023.04.018 文章编号:1007-9432(2023)04-0735-06S t u d y o n M e c h a n i c a l P r o pe r t i e s of C a r b o n F i b e r M o d i f i e d F l y A s h -m e t a k a o l i n G e o p o l ym e r C o n c r e t e S H E N K e yu (C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g ,t h e U n i v e r s i t y o f S y d n e y ,S y d n e y ,A u s t r a l i a )A b s t r a c t :ʌP u r po s e s ɔG e o p o l y m e r c o n c r e t e h a s a t t r a c t e d w i d e a t t e n t i o n b e c a u s e o f i t s h i g h s t r e n g t h ,g o o d d u r a b i l i t y ,l o w c a r b o n ,a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ,b u t i t s a p pl i c a t i o n i s r e -s t r i c t e d b y t h e p o o r c r a c k r e s i s t a n c e a n d t o u g h n e s s .ʌM e t h o d ɔI n t h i s s t u d y ,10g r o u ps o f c a r b o n f i b e r s w i t h v a r y i n g v o l u m e c o n t e n t s w e r e m i x e d i n t o f l y a s h -m e t a k a o l i n g e o p o l ym e r c o n c r e t e ,a n d t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e c o n t e n t s o n a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n gt h ,e l a s t i c m o d u l u s ,f l e x -u r a l s t r e n g t h ,a n d t h e f o l d i n g -c o m p r e s s i o n r a t i o o f g e o p o l y m e r c o n c r e t e w e r e a n a l yz e d .ʌC o n c l u -s i o n s ɔT h e r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g c a r b o n f i b e r c o u l d s t r e n g t h e n a n d t o u g h e n g e o p o l ym e r c o n -c r e t e a t t h e s a m e t i m e .W i t h t h e i n c r e a s e i n c a r b o n f i b e r c o n t e n t ,t h e a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n gt h ,e l a s t i c m o d u l u s ,f l e x u r a l s t r e n g t h ,a n d f o l d i n g -c o m p r e s s i o n r a t i o o f g e o p o l y m e r c o n c r e t e a l l i n -c r e a s e d a t f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e d ,a n d t h e o pt i m u m c a r b o n f i b e r c o n t e n t w a s 0.8%~1.0%.T h e i m p r o v e m e n t e f f e c t o f c a r b o n f i b e r o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f g e o p o l ym e r c o n c r e t e w a s a b o u t t w i c e t h a t o f t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h .F u r t h e r r e f e r e n c e i s p r o v i d e d f o r t h e e n g i n e e r i n g a p pl i c a -t i o n o f c a r b o n f i b e r m o d i f i e d g e o p o l ym e r c o n c r e t e .Copyright ©博看网. All Rights Reserved.K e yw o r d s :g e o p o l y m e r c o n c r e t e ;c a r b o n f i b e r ;a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ;f l e x u r a l s t r e n g t h 地聚合物混凝土(G C )是以粉煤灰㊁偏高岭土等硅铝质材料通过碱性激发形成的聚合物作为胶凝材料的混凝土[1]㊂与普通混凝土相比,地聚合物混凝土具有早期强度高㊁渗透性弱㊁耐化学侵蚀性好㊁耐火性能好等优点[2-3];此外,地聚合物混凝土采用工业固废粉煤灰㊁赤泥㊁煤矸石等作为原材料,无需添加水泥,且制作工艺简单,节能低碳环保[4-5]㊂然而,地聚合物混凝土存在抗拉强度低㊁脆性大㊁延性不足等缺陷[6-7],限制了其工程应用㊂为了改善地聚合物混凝土的脆性,国内外学者常采用掺入高性能纤维等多种方式对混凝土进行改性,其中碳纤维具有轻质㊁高强㊁耐腐蚀㊁耐高温等突出优点,被广泛应用于土木工程领域[8]㊂许金余等[9]将玄武岩纤维和碳纤维分别加入地聚合物混凝土中,比较2种纤维的改性效果,发现碳纤维改善效果优于玄武岩纤维,当碳纤维体积率为0.2%时效果最佳;孟宪建等[10]研究发现当短切碳纤维掺量为0.5%时,高钙粉煤灰地聚合物混凝土的抗压强度最高,当碳纤维掺量高于0.2%时,能有效抑制裂缝的产生与发展;T A N G e t a l [11]研究结果表明碳纤维可提高再生骨料混凝土的抗压强度及极限应变㊂以上研究表明,受碳纤维几何尺寸㊁分散程度及地聚合物基体性能等影响,地聚合物混凝土力学性能存在较大差异,而且将碳纤维应用于粉煤灰和偏高岭土地聚合物混凝土的研究并不多见㊂本文以粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土为基体,以20mm 短切碳纤维为改性材料制备纤维改性地聚合物混凝土,研究纤维掺量对地聚合物混凝土轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比等力学性能指标的影响,为碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的深入研究及工程应用提供参考㊂1 试验概况1.1 原材料试验所用原材料主要包括碳纤维㊁分散剂㊁粉煤灰㊁偏高岭土㊁碱激发剂㊁石子㊁砂子和水等㊂碳纤维购自山东省威海市,型号规格为T Z 300(24K ),主要技术参数见表1;分散剂以聚丙烯酰胺(P AM )与聚氧化乙烯(P E O )按照质量比4:1的比例进行混合制成;粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,主要化学成分及含量见表2;偏高岭土的主要化学成分及含量见表2;碱激发剂由水玻璃与分析纯氢氧化钠以预定比例制成;粗骨料为粒径5~20mm 连续级配碎石;细骨料为最大粒径不大于2.5mm 的河砂;部分试验材料如图1所示㊂表1 碳纤维的主要技术参数T a b l e 1 M a i n t e c h n i c a l pa r a m e t e r s o f c a rb o n f i b e r 型号抗拉强度/M P a 拉伸模量/G P a 伸长率/%直径/μm 长度/mm T Z 300(24K )35302301.5720表2 粉煤灰与偏高岭土的化学成分质量分数T a b l e 2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n s a n d t h e i r c o n t e n t s o f f l y as h a n d m e t a k a o l i n %名称S i O 2A l 2O 3C a O F e 2O 3M g O N a 2O K 2OT i O 2S O 3偏高岭土52.6245.420.170.450.110.250.130.85-粉煤灰52.5231.624.579.350.73---1.21（a ）碳纤维（b ）偏高岭土（c ）粉煤灰图1 部分试验材料F i g .1 I m a ge s of s o m e m a t e r i a l s 1.2 试样制备为系统研究碳纤维掺量对地聚合物混凝土力学性能的影响,制备了共10种碳纤维体积掺量的地聚合物混凝土如表3所示,混凝土单位体积材料中粉煤灰㊁偏高岭土㊁水玻璃㊁N a O H ㊁砂㊁石子的用量分别为213.8㊁267.3㊁269.2㊁58.6㊁591㊁1048k g/m 3,水胶比为0.34,不同碳纤维体积掺量对应的混凝土试件编号见表3.文献[12]表明,结合化学分散剂的多级物理分散法形成的碳纤维混凝土中纤维分散性良好如图2所示,因此本文参考该方法进行㊂碳纤维改性地聚合物混凝土主要制备过程为:首先进行碳纤维的分散,之后将分散好的碳纤维㊁碱激发剂与粉煤灰㊁偏高岭土㊁砂㊁石子等原材料倒入搅拌机进行搅拌,先慢搅180s ,然后停止搅拌静置20s ,再快速搅拌120s ;最后将搅拌好的浆体倒入所需样件模具中,并放到振动台振动60s,在浆体成型之后脱模,放入标准养护箱进行养护至28天龄期㊂637太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图2 碳纤维在混凝土水泥相中的分散情况F i g .2 D i s pe r s i o n of c a r b o n f i b e r s i n c o n c r e t e c e m e n t p h a s e s 轴心抗压强度测试采用150mmˑ150mmˑ300mm 的棱柱体试件,抗折强度测试采用150mmˑ150mmˑ600mm 的棱柱体试件,每组制备3个试块,共计60个试块㊂表3 单位体积纤维改性地聚合物混凝土中碳纤维的用量T a b l e 3 A m o u n t o f m a t e r i a l s i n 1m 3f i b e r m o d i f i e dg e o p o l y m e r i c c o n c r e t e k g/m 3试件编号C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 8C 9碳纤维/%0.20.40.60.81.01.21.41.61.81.3 试验方法试验依据‘混凝土物理力学性能试验方法标准“(G B /T 50081-2019)[13],采用S H T 4605微机控制电液伺服万能试验机如图3所示进行轴心抗压强度与抗折强度的测试,轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度㊁折压比分别按照下列公式进行计算:图3 试验所用设备F i g .3 E q u i pm e n t u s e d i n t h e t e s t 轴心抗压强度:f c p =FA.(1)弹性模量:E c =F a -F 0A ˑL εa -ε0.(2)抗折强度:f f =F u lb h2.(3)折压比:α=f ff c p.(4)式中:f c p 为轴心抗压强度,MP a ;F 为样件破坏荷载,N ;A 为承压面面积,mm 2;E c 为弹性模量,M P a ;F a 为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载,N ;L 为测量标距,mm ;F 0为应力为0.5M P a 时的载荷,N ;εa 为F a 对应的平均应变;ε0为F 0对应的平均应变;f f 为混凝土的抗折强度,M P a ;F u 为破坏荷载,N ;l 为支座间跨度,mm ;b 为截面宽度,mm ;h 为截面高度,mm ;α为折压比㊂2 结果与讨论2.1 轴心抗压强度图4为地聚合物混凝土轴心抗压强度随碳纤维掺量的变化规律㊂从图中可看出,掺入碳纤维可不同程度地提高地聚合物混凝土的轴心抗压强度,即碳纤维对地聚合物混凝土具有增强效应㊂随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土轴心抗压强度呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺入量为0.2%~0.8%时,混凝土的轴心抗压强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺入量为0.8%时达到最大值53.95M P a,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,轴心抗压强度提高了25.06%;随着碳纤维掺入量的进一步增加,地聚合物混凝土的轴心抗压强度逐渐降低㊂从本文的试验结果分析,建议粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的最佳碳纤维掺量可取0.8%~1.0%,此时地聚合物混凝土轴心抗压强度可提升约22%.轴心抗压强度轴心抗压强度提高幅度605040302010轴心抗压强度/ M P a50403020100轴心抗压强度提高幅度0.200.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8碳纤维掺量/ %图4 轴心抗压强度随碳纤维掺量的变化F i g .4 C h a n g e s o f a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n gt h w i t h c a r b o n f i b e r c o n t e n t2.2 弹性模量图5为地聚合物混凝土的弹性模量随碳纤维掺量的变化规律㊂与轴心抗压强度变化规律类似,地聚合物混凝土的弹性模量随碳纤维掺量的增加呈先增加后减小的变化趋势,当碳纤维掺量为0.8%时,弹性模量达到最大值25.66G P a,与未掺碳纤维的737 第4期 沈珂羽:碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的力学性能研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.混凝土相比提高了约30%.当碳纤维掺量大于1.4%时,地聚合物混凝土的弹性模量反而低于未掺碳纤维的混凝土㊂从本文的试验结果分析,建议粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的最佳碳纤维掺量可取0.8%~1.0%,此时混凝土弹性模量可提升约27%.353025201510弹性模量/ G P a 0.200.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8碳纤维掺量/ %C0图5 弹性模量随碳纤维掺量的变化F i g .5 C h a n g e s o f e l a s t i c i t yw i t h m o d u l u s c a r b o n f i b e r c o n t e n t 2.3 抗折强度图6为地聚合物混凝土抗折强度随碳纤维掺量的变化规律㊂从图中可看出,掺入碳纤维可不同程度地提高地聚合物混凝土的抗折强度㊂随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土抗折强度呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺量为0.2%~1.0%时,混凝土的抗折强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺量为1.0%时达到最大值7.46M P a,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,抗折强度提高了43.44%;随着碳纤维掺量的进一步增加,地聚合物混凝土的抗折强度逐渐降低㊂抗折强度的变化一定程度上反映了地聚合物混凝土抗拉性能及抗裂性能的变化,从本文试验结果可推断,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的抗拉性能及抗裂性能得到了改善,最佳的碳纤维掺量可取0.8%~1.0%,此时地聚合物混凝土的抗折强度可提升约42%.对比图6和图4可知,掺入碳纤维使地聚合物混凝土抗折强度的提升幅度显著大于抗压强度的提升幅度,以掺入0.4%~1.2%碳纤维为例,抗压强度提升幅度为15.58%~25.06%,而对应的抗折强度提升幅度可达29.28%~43.44%㊂由此推断,碳纤维对地聚合物混凝土抗折强度的提升效能大于抗压强度㊂2.4 折压比折压比是混凝土抗折强度与抗压强度的比值,常用来分析混凝土材料的抗裂性与韧性,折压比大抗折强度抗折强度提高幅度1086420抗折强度/ M P a50403020100抗折强度提高幅度0.200.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8碳纤维掺量/ %图6 抗折强度随碳纤维掺量的变化F i g .6 C h a n g e s o f f l e x u r a l s t r e n gt h w i t h c a r b o n f i b e r c o n t e n t 说明材料的抗裂性及韧性好;反之,抗裂性及韧性较差[14]㊂图7为地聚合物混凝土折压比随碳纤维掺量的变化规律㊂从图中可看出,不掺碳纤维的地聚合物混凝土折压比为0.121,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的折压比提升至0.131~0.142,说明碳纤维对地聚合物混凝土具有增韧作用㊂随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土折压比呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺量为0.2%~1.0%时,地聚合物混凝土的抗折强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺量为1.0%时达到最大值0.142,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,折压比提高了17.36%;随着碳纤维掺量的进一步增加,地聚合物混凝土的折压比逐渐降低㊂从本文试验结果可推断,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的抗裂性及韧性得到了改善,最佳的碳纤维掺量可取0.8%~1.0%,此时地聚合物混凝土的折压比可提升约16%.0.240.200.160.120.080.040抗压比0.200.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8碳纤维掺量/ %C0图7 折压比随碳纤维掺量的变化F i g .7 C h a n g e s o f c o m pr e s s i o n r a t i o w i t h c a r b o n f i b e r c o n t e n t 3 讨论以上试验结果表明,掺入碳纤维后地聚合物混凝土的轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比表现出相似的变化规律,即随着碳纤维掺量的增加837太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.地聚合物混凝土的力学性能先提升后降低,最优的碳纤维掺量为0.8%~1.0%.出现这种现象的原因可能与混凝土凝结硬化及受力过程中产生的微细观变化相关㊂3.1 碳纤维在地聚合物混凝土凝结硬化过程中的作用效应 地聚合物混凝土凝结硬化过程中伴随着孔隙水蒸发产生的干燥收缩㊁温度变化产生的体积收缩及泌水产生的塑性收缩,由于混凝土中骨料和凝胶体变形存在差异,因此体积收缩要受到混凝土自身的约束,这些约束使混凝土内部产生拉应力,当拉应力超过混凝上的抗拉强度时混凝土就会产生微细裂纹,随着收缩的进一步加剧微细裂纹向周边扩展,使地聚合物混凝土形成初始裂缝㊂当地聚合物混凝土中掺入均匀分散的碳纤维时,呈乱向随机分布状态的碳纤维与地聚合物基质相互交叉,形成一个三维网络结构,纤维可承受较大拉应力,阻碍了混凝土的收缩,从而减少了初始裂缝,如图8所示;此外,微细的碳纤维可以切断混凝土内部的泌水通道,减少混凝土内部和表层裂缝的产生㊂碳纤维的以上效应减少了混凝土中裂缝的产生,使混凝土的初始结构得到显著改善㊂碳纤维裂缝图8 碳纤维的阻裂作用示意图F i g .8 S c h e m a t i c d i a gr a m o f c a r b o n f i b e r c r a c k r e s i s t a n c e 3.2 碳纤维在地聚合物混凝土受力过程中的作用效应 当地聚合物混凝土受到轴向压力时,由于碳纤维的弹性模量高于地聚合物混凝土,一方面均匀分布的碳纤维可承受更大的荷载,另一方面当混凝土受到竖向压力产生微细裂纹时,微裂纹的两端可能与碳纤维相交,碳纤维可通过桥接作用促使混凝土内部应力场趋向均匀,裂纹一端的应力集中现象得到缓解,微裂纹的进一步扩展受到抑制,如图9所示,从而提高混凝土的抗压强度及弹性模量㊂当试块受到弯曲压力时,在跨中附近试块底面产生拉应力,均匀分散的碳纤维承受了大部分拉应力,一定程度上抑制了裂纹的发展和延伸,因此抗折强度提高,试块的抗裂性及韧性提升,如图10所示㊂裂缝10 μm10 μm（a ）C0（b ）C8图9 掺碳纤维前后地聚合物混凝土的微观结构F i g .9 M i c r o s t r u c t u r e o f g e o p o l ym e r c o n c r e t e b e f o r e a n d a f t e r c a r b o n f i b e r b l e n d i n g图10 碳纤维应力传递过程F i g.10 C a r b o n f i b e r s t r e s s t r a n s f e r p r o c e s s 当碳纤维掺量超过临界掺量时,尽管采用改进的6步分散法,仍难以保证碳纤维在混凝土中均匀分散,碳纤维出现团聚现象㊂根据姚鑫[15]的计算结果,纤维束与混凝土基体接触面积与纤维含量呈反比,因此当碳纤维掺量超过均匀分散最大限度时,随着碳纤维含量增加,成团现象加剧,碳纤维与混凝土基质黏结面积减小,在碳纤维与混凝土黏结面处形成孔洞薄弱面,降低了碳纤维与基质之间的桥接应力[16];此外,由于碳纤维的疏水性,使碳纤维与骨料之间产生更多气泡从而降低了混凝土的密实程度,因此抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比均降低㊂4 结论1)掺入适量碳纤维可同时对地聚合物混凝土产生增强㊁增韧的效应:当碳纤维掺量小于0.8%时,随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土轴心抗压强度㊁弹性模量㊁抗折强度及折压比均呈逐渐增加的趋势,当碳纤维掺量为0.8%~1.0%时,碳纤维对地聚合物混凝土的增强㊁增韧效应达到最优㊂2)碳纤维对地聚合物混凝土抗折强度的提升效能大于抗压强度,当碳纤维掺量为0.8%~1.0%时,地聚合物混凝土轴心抗压强度提升幅度约22%,相应的抗折强度提升幅度可达到42%.3)碳纤维对混凝土性能的提升效应为凝结硬化阶段对体积收缩裂缝的抑制及受力阶段直接受拉㊁桥接作用㊁对受力体系产生围压等综合效应共同作用的结果㊂4)碳纤维可有效改善改性粉煤灰-偏高岭土地937 第4期 沈珂羽:碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的力学性能研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.047太原理工大学学报第54卷聚合物混凝土的抗裂性差㊁韧性差等实际问题,为其进一步的工程应用提供数据支持和理论参考㊂参考文献:[1]张大旺,王栋民.地质聚合物混凝土研究现状[J].材料导报,2018,32(9):1519-1527.Z HA N G D W,WA N G D M.R e s e a r c h s t a t u s o f g e o p o l y m e r c o n c r e t e[J].M a t e r i a l s R e p o r t s,2018,32(9):1519-1527.[2]赵建伟,崔潮,戈娅萍,等.地质聚合物的土木工程耐久性能的研究进展[J].硅酸盐通报,2016,35(9):2832-2840.Z HA O J W,C U I C,G E Y P,e t a l.R e c e n t d e v e l o p m e n t o f r e s e a r c h o n d u r a b i l i t y o f g e o p o l y m e r f o r c i v i l s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s[J].B u l l e t i n o f t h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y,2016,35(9):2832-2840.[3]丁琴,陶明,李响.地聚合物混凝土配比及力学性能研究[J].黄金科学技术,2022,30(2):243-253.D I N G Q,T A O M,L I X.S t u d y o n p r o p o r t i o n a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f g e o p o l y m e r c o n c r e t e[J].G o l d S c i e n c e a n d T e c h n o l-o g y,2022,30(2):243-253.[4] H A B E R T G,D E L A C A I L L E R I E J B D E,R O U S S E L N.A n e n v i r o n m e n t a l e v a l u a t i o n o f g e o p o l y m e r b a s e d c o n c r e t e p r o d u c-t i o n:r e v i e w i n g c u r r e n t r e s e a r c h t r e n d s[J].J o u r n a l o f C l e a n e r P r o d u c t i o n,2011,19(11):1229-1238.[5] M C L E L L A N B C,W I L L I AM S R P,L A Y J.C o s t s a n d c a r b o n e m i s s i o n s f o r g e o p o l y m e r p a s t e s i n c o m p a r i s o n t o o r d i n a r yp o r t l a n d c e m e n t(A r t i c l e)[J].J o u r n a l o f C l e a n e r P r o d u c t i o n,2011,19(9/10):1080-1090.[6] R A N J B A R N,Z H A N G M.F i b e r-r e i n f o r c e d g e o p o l y m e r c o m p o s i t e s:a r e v i e w[J].C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s,2020(107):103498.[7]杨达,卢明阳,宋迪,等.地质聚合物水泥的研究进展[J].材料导报,2021,35(Z1):644-649.Y A N G D,L U M Y,S O N G D,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o f g e o p o l y m e r c e m e n t[J].2021,35(Z1):644-649.[8]许金余,李为民,范飞林,等.碳纤维增强地聚合物混凝土的S H P B试验研究[J].建筑材料学报,2010,13(4):435-440.X U J Y,L I W M,F A N F L,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n i m p a c t p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d g e o p o l y m e r i c c o n c r e t e u-s i n g a S H P B[J].J o u r n a l o f B u i l d i n g M a t e r i a l s,2010,13(4):435-440.[9]许金余,李为民,杨进勇,等.纤维增强地质聚合物混凝土的动态力学性能[J].土木工程学报,2010,43(2):127-132.X U J Y,L I W M,Y A N G J Y,e t a l.D y n a m i c p r o p e r t i e s o f f i b e r r e i n f o r c e d g e o p o l y m e r i c c o n c r e t e[J].C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2010,43(2):127-132.[10]孟宪建.碳纤维对粉煤灰地聚物复合材料性能的影响[J].非金属矿,2018,41(2):51-54.M E N G X J.E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r o n p e r f o r m a n c e s o f f l y a s h-b a s e d g e o p o l y m e r c o m p o s i t e s[J].N o n-M e t a l l i c M i n e s,2018,41(2):51-54.[11] T A N G Z,L I W,T AM V W Y.M e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f C F R P-c o n f i n e d s u s t a i n a b l e g e o p o l y m e r i c r e c y c l e d c o n c r e t e u n d e ra x i a l c o m p r e s s i o n[J].E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,2020(224):111246.[12]王卓然.碳纤维增强混凝土梁的抗冲击性能研究[D].太原:太原理工大学,2021.[13]中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.普通混凝土力学性能试验方法标准G B/T50081-2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.[14]曹瑞东.碳/P V A纤维高强混凝土高温性能及爆裂问题研究[D].太原:太原理工大学,2020.[15]姚鑫.黄麻/P V A纤维水泥土力学及抗裂性能研究[D].太原:太原理工大学,2021.[16]孟文华.碳纤维增强混凝土基本力学性能及单轴受压本构关系研究[J].新型建筑材料,2017,44(9):23-25,43.M E N G W H.S t u d y o n b a s i c m e c h a n i c s a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f u n i a x i a l c o m p r e s s i o n o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e[J].N e w B u i l d i n g M a t e r i a l s,2017,44(9):23-25,43.(编辑:万佳)Copyright©博看网. 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