粉煤灰基地聚合物修補(bǔ)材料的組成設(shè)計(jì)與性能

鄧新，徐方，朱新平，陳倩，倪明亮

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢430074）

粉煤灰基地聚合物修補(bǔ)材料的組成設(shè)計(jì)與性能

鄧新，徐方，朱新平，陳倩，倪明亮

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢430074）

以粉煤灰、礦粉兩種工業(yè)廢料為主要原材料，模數(shù)為1.2～1.8的水玻璃作為激發(fā)劑制備地聚合物。采用五因素四水平的正交試驗(yàn)組成設(shè)計(jì)方案，測(cè)試了水膠比（W）、堿激發(fā)劑摻量（S）、礦粉取代率（B）和水玻璃模數(shù)（M）在不同水平下試樣的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析和因素指標(biāo)分析，得出這種綠色環(huán)保型修補(bǔ)材料的組成設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。綜合分析得出，當(dāng)水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時(shí)，制備出的地聚合物性能良好，達(dá)到綠色環(huán)保型建筑修補(bǔ)材料的要求。

地聚合物；粉煤灰；礦粉；水玻璃；修補(bǔ)

地聚合物最早由法國(guó)科學(xué)家Joseph Davidovits于1978年提出。地聚合物具有耐久性好、抗?jié)B性強(qiáng)、早強(qiáng)等優(yōu)越的性能［1-4］，其生產(chǎn)過(guò)程不需經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的“兩磨一燒”工藝，能源消耗和CO2的排放極低，是一種綠色環(huán)保型材料［5］。近年來(lái)，國(guó)際上地聚合物研究的主要合成材料由傳統(tǒng)的高嶺土轉(zhuǎn)向粉煤灰［5-8］。2014年，中國(guó)粉煤灰產(chǎn)量高達(dá)5.78億噸，綜合利用量為4.05億噸，利用率僅為70.07%。并且，中國(guó)粉煤灰的堆存量逐年遞增，大量土地被占用。粉煤灰對(duì)資源與環(huán)境的負(fù)面作用亟待解決［9］。

當(dāng)前，地聚合物在國(guó)際上是研究最為熱門的工程材料之一。然而，影響地聚合物材料性能的因素是多方面的［10-12］。Tchakoute等［13］研究了Al2O3／Na2O的摩爾比對(duì)地聚合物凝結(jié)時(shí)間、線性收縮和抗壓強(qiáng)度的影響。Wang等［6］研究了礦粉取代粉煤灰合成的地聚合物的力學(xué)性能，結(jié)果表明，礦粉取代部分粉煤灰，合成的地聚合物力學(xué)性能得到明顯改善。Vance等［7］研究了堿激發(fā)劑種類和濃度對(duì)粉煤灰基地聚合物流變性能的影響。

盡管對(duì)地聚合物的性能及其影響因素已經(jīng)有了一定的研究，但對(duì)地聚合物的組成設(shè)計(jì)卻少有研究，尤其是綜合考慮粉煤灰基地聚合物性能與組成設(shè)計(jì)之間的關(guān)聯(lián)研究不多［8］。筆者以粉煤灰為主要原材料，對(duì)水膠比、堿激發(fā)劑摻量、礦粉取代率和水玻璃模數(shù)4個(gè)影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，測(cè)試了地聚合物作為修補(bǔ)材料的工作性能和早期力學(xué)性能。制備出適用于工程修補(bǔ)的地聚合物建筑修補(bǔ)材料，將對(duì)建筑修補(bǔ)和綠色建造領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供參考意義。

1 原材料與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料為粉煤灰、礦粉、水玻璃、分析純、水泥、水和標(biāo)準(zhǔn)砂。粉煤灰為國(guó)家I級(jí)低鈣粉煤灰，細(xì)度為0.045 mm篩篩余量10.7%，主要成分為Al2O3和SiO2，具體成分見(jiàn)表1。礦粉為S95?；郀t礦渣粉，比表面積424 m2／kg，主要成分為Al2O3、SiO2和CaO，具體成分見(jiàn)表1。建筑用水玻璃，具體參數(shù)見(jiàn)表2，分析純中NaOH含量高于96%，水泥為P.O 32.5。

表1 粉煤灰與礦粉的化學(xué)組成Table 1 The chemical composition of fly ash and blast furnace slag%

表2 水玻璃主要參數(shù)Table 2 Main parameters of sodium silicate

1.2 正交試驗(yàn)方案

選取水膠比（W）、堿激發(fā)劑摻量（S）、礦粉取代率（B）以及水玻璃模數(shù)（M）作為四因素。Keun-Hyeok等［14］的研究結(jié)果表明水灰比小于0.3時(shí)，合成的堿激發(fā)劑材料的抗壓性能較優(yōu)。在本試驗(yàn)中，水灰比的范圍為0.26～0.32，梯度為0.02。彭小芹等［15］和Deb等［16］的研究表明水玻璃模數(shù)在1.4左右能夠合成性能較好的地聚合物材料。在本試驗(yàn)中，水玻璃模數(shù)為1.2～1.8，梯度為0.2。對(duì)于堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率這兩個(gè)因素，前人的研究少有涉及。對(duì)于礦粉摻量，在現(xiàn)有一些研究中［15-16］，參數(shù)設(shè)置差異較大。本試驗(yàn)在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將堿激發(fā)劑摻量設(shè)置在8%～17%之間，梯度為3%，礦粉取代率設(shè)置在10%～40%之間，梯度為10%。采用五因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，其中因素五為空白列。正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 The factors and levels of orthogonal test

1.3 試驗(yàn)制備與養(yǎng)護(hù)

地聚合物試樣的合成過(guò)程如圖1所示。用分析純調(diào)配水玻璃模數(shù)，NaOH顆粒溶于水玻璃時(shí)會(huì)放出大量熱量，此過(guò)程會(huì)損失一部分水，待溶液冷卻后補(bǔ)償損失水量，得到復(fù)合堿激發(fā)劑。

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，一共進(jìn)行16組試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度試樣尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試樣尺寸為22.2 mm×22.5 mm× 78 mm?！?”字模一邊放置半個(gè)用P.O 32.5水泥配制的砂漿試件，配合比為水灰比0.5，灰砂比1∶3。

混合料在凈漿攪拌機(jī)中慢攪120 s，靜置20 s后快攪120 s，攪拌后裝模成型，再將試模置于振實(shí)臺(tái)上振搗120次，振搗頻率為60次／min，振搗完成后將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)到齡期。

圖1 地聚合物制備過(guò)程Fig.1 Preparation process of geopolymers

1.4 性能測(cè)試

流動(dòng)度測(cè)試方法按照GB／T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》第13條進(jìn)行，凝結(jié)時(shí)間測(cè)試方法按照GB／T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性》中第8條進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法按照GB／T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度按照DL／T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》第6.3條進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 The performance results of orthogonal experiment

2.1 流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果討論

對(duì)16組試樣流動(dòng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表5所示。由表5的結(jié)果知，影響地聚合物流動(dòng)度的因素主次順序?yàn)閃＞S＞B＞M，水玻璃模數(shù)的極差值僅為0.85，遠(yuǎn)小于其他3個(gè)因素的極差值，表明水玻璃模數(shù)對(duì)流動(dòng)度的影響極小。對(duì)流動(dòng)度結(jié)果進(jìn)行因素指標(biāo)分析，分析結(jié)果如圖2（圖中W1、W2、W3、W4分別代表水膠比水平在1、2、3、4時(shí)的取值，其他3個(gè)因素依此類推，圖3～5和圖2標(biāo)注一致，不再贅述）。由圖2可知，流動(dòng)度隨水膠比和礦粉取代率的增加而增加。水玻璃模數(shù)在1.2～1.8之間變化對(duì)流動(dòng)度幾乎沒(méi)有影響。堿激發(fā)劑摻量水平在0.14左右，流動(dòng)度較好。研究結(jié)果表明，實(shí)際工程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水膠比和礦粉取代率來(lái)調(diào)整流動(dòng)度，而堿激發(fā)劑摻量根據(jù)工程要求，需定在合理水平。

表5 流動(dòng)度的極差分析Table 5 Range analysis of fluidity

2.2 凝結(jié)時(shí)間結(jié)果討論

對(duì)16組試樣的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，影響初凝時(shí)間和終凝時(shí)間因素主次順序均為：S＞B＞W(wǎng)＞M。堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率的極差值遠(yuǎn)大于水膠比和水玻璃模數(shù)的極差值，表明堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率是影響凝結(jié)時(shí)間的主控因素。由凝結(jié)時(shí)間因素指標(biāo)分析圖7知，各因素對(duì)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的影響趨勢(shì)一致，隨著水膠比和堿激發(fā)劑摻量的增加而增加，隨著礦粉取代率和水玻璃模數(shù)的增加而減小?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)堿激發(fā)劑摻量和礦粉取代率這兩個(gè)易控的主控因素來(lái)調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間。

表6 凝結(jié)時(shí)間的極差分析Table 6 Range analysis of setting time

2.3 抗壓強(qiáng)度結(jié)果討論

對(duì)16組試樣的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表7所示。由表7可知，影響抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)锽＞S＞W(wǎng)＞M。礦粉取代率的3 d抗壓強(qiáng)度的影響極差是31.2，分別是水膠比、堿激發(fā)劑摻量和水玻璃模數(shù)極差值的3.5、3.2和4.7倍；礦粉取代率的7 d抗壓強(qiáng)度的影響極差是31.23，分別是水膠比、堿激發(fā)劑摻量和水玻璃模數(shù)極差的3.1、3.3和7倍?？梢?jiàn)，礦粉取代率是影響抗壓強(qiáng)度的主控因素，并且，礦粉對(duì)粉煤灰基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響較大，摻加礦粉可以顯著提高粉煤灰基地聚合物的抗壓強(qiáng)度。3 d和7 d抗壓強(qiáng)度的因素指標(biāo)分析結(jié)果如圖4所示，可知，隨著礦粉取代率的增加，抗壓強(qiáng)度有大幅增加的趨勢(shì)。隨著水膠比的增加，抗壓強(qiáng)度有較大幅度的減小趨勢(shì)。水玻璃模數(shù)在1.2～1.8時(shí)，水玻璃模數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。堿激發(fā)劑摻量在0.11和0.14時(shí)，抗壓強(qiáng)度取得較大值，表明堿激發(fā)劑摻量為0.11～0.14時(shí)，抗壓強(qiáng)度較大。

表7 抗壓強(qiáng)度的極差分析Table 7 Range analysis of compressive strength

2.4 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果討論

對(duì)3和7 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表8所示。由表8可知，影響3 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)锽＞S＞W(wǎng)＞M，影響7 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)镸＞S＞B＞W(wǎng)。與抗壓強(qiáng)度不同點(diǎn)在于，各因素對(duì)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響區(qū)別不大。通過(guò)圖5的因素指標(biāo)分析可知，隨著水膠比和水玻璃模數(shù)的增加，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度減??；隨著堿激發(fā)劑的增加，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度也增加。隨著礦粉取代率的增加，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)V粉取代率在0.3時(shí)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度取得較大值。該研究結(jié)果表明，礦粉雖可以顯著改善粉煤灰基地聚合物的抗壓強(qiáng)度，但是對(duì)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)卻較少，隨著礦粉取代率的增加，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之增加，但在這個(gè)摻量水平范圍內(nèi)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)降低。這表明，礦粉在一定程度上使粉煤灰基地聚合物的脆性增強(qiáng)，實(shí)際工程中，應(yīng)合理添加礦粉。

表8 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的極差分析Table 8 Range analysis of tensile bond strength

圖3 凝結(jié)時(shí)間因素指標(biāo)分析Fig.3 Factor analysis of setting time

圖4 抗壓強(qiáng)度因素指標(biāo)分析Fig.4 Factor analysis of compressive strength

圖5 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度因素指標(biāo)分析Fig.5 Factor analysis of tensile bond strength

2.5 綜合應(yīng)用分析

正交試驗(yàn)方案中，當(dāng)水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時(shí)，制備出的地聚合物性能指標(biāo)如表9所示。由表9可知，該配比的地聚合物膠凝材料具備工作性能良好和快硬高強(qiáng)的性能，滿足建筑快速修補(bǔ)的要求，可以應(yīng)用到實(shí)際工程修補(bǔ)中。

表9 優(yōu)化配比性能Table 9 Performance of the optimal proportion

3 結(jié) 論

1）水膠比增加，粉煤灰基地聚合物的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間會(huì)增加，但抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；堿性激發(fā)劑摻量增加，粉煤灰基地聚合物的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度均有增加的趨勢(shì)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)堿性激發(fā)劑摻量來(lái)調(diào)控粉煤灰地聚合物的工作性能和早期力學(xué)性能。

2）當(dāng)?shù)V粉取代率為0.1～0.4時(shí)，礦粉對(duì)粉煤灰地聚合物的強(qiáng)度起到促進(jìn)作用，可以通過(guò)礦粉取代粉煤灰制備早期強(qiáng)度高的地聚合物，從而應(yīng)用于工程修補(bǔ)。

3）水玻璃模數(shù)在1.2～1.8時(shí)，模數(shù)對(duì)粉煤灰基地聚合物的工作性能和在早期力學(xué)性能影響較小，從控制成本的角度出發(fā)，可以將水玻璃模數(shù)定為1.8。

4）在配比設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)水膠比為0.28，堿激發(fā)劑摻量為0.14，礦粉取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為1.2時(shí)，制備出的地聚合物性能良好，適用于建筑修補(bǔ)，是一種綠色環(huán)保型的建筑修補(bǔ)材料。

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（編輯 王秀玲）

Mix design and performance analysis on the fly ash based geopolymer material for repair

Deng Xin，Xu Fang，Zhu Xinping，Chen Qian，Ni Mingliang

（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，P.R.China）

We used two kinds of industrial waste of Fly ash and blast furnace slag as major raw materials，and modules of sodium silicate ranging from 1.2 to 1.8 as the activator to manufacture geopolymer.We conducted the orthogonal experiment in five-factor and four-level form，and studied water to binder ratio（W），alkali-activator proportion（S），blast furnace slag replacement ratio（B）and the module of sodium silicate（M）on the four essential properties including the fluidity，setting time，compressive strength and tensile bond strength of the geopolymer used in green materials for construction mending.The relation between mix design and performance index of the green repair material were investigated by range analysis and factor analysis.By synthetic analysis，an excellent geopolymer-based green material for construction mending could be manufactured when W，S，B and M were 0.28，0.14，0.4，1.2，respectively.

geopolymer；fly ash；blast furnace slag；sodium silicate；repairing

2015-11-10

Natural Science Foundation of China（No.51308518）；Fundamental Research Funds for the Central Universities，China University of Geosciences（No.CUGL150412）

TU528.041

A

1674-4764（2016）01-0054-00

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.008

2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51308518）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（CUGL150412）

鄧新（1991-），男，主要從事路基路面結(jié)構(gòu)與材料研究，（E-mail）1847092062＠qq.com。

徐方（通信作者），男，副教授，（E-mail）xufang＠cug.edu.cn。

Author brief：Deng Xin（1991-），main research interests：subgrade and pavement structure and material，（E-mail）1847092062＠qq.com.

Xu Fang（corresponding author），associate professor，（E-mail）xufang＠cug.edu.cn.