礦渣-粉煤灰基地聚合物性能研究

盧祎苗，吳正光，劉 聰，孫海峰，張 聰

揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127

0 引言

地聚合物是由富含硅鋁相的原料,在堿激發(fā)劑的作用下,通過(guò)聚合反應(yīng)生成的三維網(wǎng)絡(luò)狀凝膠體[1-2].地聚合物是一種堿激發(fā)劑膠凝材料,其原材料來(lái)源廣泛,如粉煤灰、偏高嶺土、礦渣等工業(yè)副產(chǎn)品.激發(fā)劑為高堿溶液,主產(chǎn)物為無(wú)定形的堿鋁硅酸鹽[3-4].相比于普通的硅酸鹽材料,地聚合物具有更優(yōu)的材料性能,抗壓強(qiáng)度高、耐久性和抗腐蝕性好、早強(qiáng)快硬,而且其具有原料豐富、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-7]對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚合物的制備工藝和性能進(jìn)行了諸多研究.Kozo Onoue等[8]采用Taguchi的動(dòng)態(tài)方法,優(yōu)化粉煤灰基地聚合物砂漿的混合比例和制造條件.Kumar M等[9]人研究不同添加劑對(duì)粉煤灰聚合物砂漿的性能,發(fā)現(xiàn)含鋁細(xì)集料可以提高材料的抗壓強(qiáng)度,但鋁粉會(huì)使抗壓強(qiáng)度有所下降,煅燒黏土的摻入可以提高材料的強(qiáng)度和抗開(kāi)裂性.程國(guó)東等[10-11]研究了不同因素對(duì)粉煤灰-礦粉基地聚合物膠砂性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)水膠比對(duì)材料性能影響最大,而水玻璃模數(shù)影響程度最小,并得到粉煤灰-礦粉基地聚合物砂漿的最佳配比.本試驗(yàn)以高爐礦渣、粉煤灰為主要原料制備地聚合物,研究M(礦渣/粉煤灰)、水玻璃模數(shù)、NaOH濃度對(duì)地聚合物材料擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響,采用灰關(guān)聯(lián)分析方法處理數(shù)據(jù)確定最佳配比.

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用S 95級(jí)礦渣(BFS)：灰白色粉末,平均粒徑5.182 μm;Ⅱ級(jí)粉煤灰(FA)：黑色粉末，平均粒徑16.55 μm.均產(chǎn)自河南鞏義,兩者主要成分見(jiàn)表1.

表1 原材料化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of raw materials

堿激發(fā)劑由NaOH溶解于水玻璃中配制而成.所用水玻璃為模數(shù)3.3的液體硅酸鈉,固含量64.16 %,波美度38.5 Be.調(diào)整水玻璃模數(shù)NaOH為純度99 %的片狀固體顆粒.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)液固比不變,即M(堿激發(fā)劑溶液)/M(粉煤灰+礦渣)=1.將礦渣、粉煤灰、堿激發(fā)溶液按一定比例在水泥攪拌鍋中攪拌5 min,制備地聚合物漿體材料.

2 結(jié)果與分析

2.1 M(礦渣/粉煤灰)對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚合物的性能影響

固定堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3,NaOH濃度為40 %,M(礦渣/粉煤灰)從100 %降到50 %,以10 %為梯度,記為A 1～A 6,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.隨著粉煤灰占比的增加,地聚合物的擴(kuò)展度先增加后減小,3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).

(a) 擴(kuò)展度

(b) 抗壓強(qiáng)度

2.2 堿激發(fā)劑模數(shù)對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚合物的性能影響

固定礦渣占粉體材料的質(zhì)量比為80 %,NaOH濃度為40 %,堿激發(fā)劑模數(shù)從1.2上升為1.5,以0.1為梯度,記為B 1～B 3,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.堿激發(fā)劑模數(shù)越高,擴(kuò)展度越大,抗壓強(qiáng)度先增大后減小呈拋物線式并在1.4時(shí)達(dá)到峰值.

2.3 NaOH濃度對(duì)礦渣-粉煤灰基地聚合物的性能影響

固定礦渣占粉體材料的質(zhì)量比為80 %,堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3,NaOH濃度從35 %上升為40 %,以1 %為梯度,記為C 1～C 5,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.隨著NaOH濃度的增加,即溶液濃度增加,溶質(zhì)增加而水減少導(dǎo)致擴(kuò)展度有所下降.隨著溶液濃度的增加,地聚合物的抗壓強(qiáng)度先增加后減小,當(dāng)溶液濃度為39 %時(shí),抗壓強(qiáng)度最大.

(a) 擴(kuò)展度

(b) 抗壓強(qiáng)度

(a) 擴(kuò)展度

(b) 抗壓強(qiáng)度

3 灰關(guān)聯(lián)分析

通過(guò)灰關(guān)聯(lián)分析,得出影響擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的主要因素,進(jìn)而選出地聚合物配比的最佳組合.

(1) 灰模式wi=[wi(1),wi(2),wi(3)],其中i是指代上文14種不同配比的地聚合物,結(jié)合上章數(shù)據(jù)列表2.

(2) 標(biāo)準(zhǔn)模式是每個(gè)指標(biāo)中的最優(yōu)值,因此稱序列w0=(255,36.48,55.75)為標(biāo)準(zhǔn)模式(擴(kuò)展度越接近260 mm越優(yōu)).

(3) 為便于比較,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,進(jìn)行灰靶變換,得到表3.

(4) 灰關(guān)聯(lián)差異信息空間Δ,計(jì)算與最優(yōu)數(shù)據(jù)之間的差距,得到表4.

(6) 采用熵值法確定客觀權(quán)重. 根據(jù)熵的定義,求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)即權(quán)重系數(shù)αk=(0.141 713 0.566 817 0.291 47)

(7) 靶心度. 由靶心系數(shù)和權(quán)重系數(shù)的乘積可得14種不同配比的地聚合物的靶心度為(0.776 6 0.709 9 0.605 7 0.534 4 0.480 6 0.408 5 0.542 9 0.765 9 0.598 3 0.644 8 0.847 6 0.709 7 0.662 6 0.972 9),靶心度越大,綜合性能效果相對(duì)越好,所以C 5方案最佳,考慮到經(jīng)濟(jì)的原因推薦采用C 2,即M(礦渣/粉煤灰)=0.8、堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3,NaOH濃度為36 %時(shí),地聚合物的綜合效益最佳.

表2 灰模式Table 2 Grey model

表3 灰靶變換Table 3 Grey target transformation

表4 灰關(guān)聯(lián)差異信息空間Table 4 Difference information property of grey correlation

表5 靶心系數(shù)Table 5 Target's center calculation

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)M(礦渣/粉煤灰)=0.8,堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3, 地聚合物的擴(kuò)展度隨著NaOH濃度的降低而增大,模數(shù)低且濃度低進(jìn)而導(dǎo)致堿激發(fā)劑中水含量高,因此水對(duì)材料的擴(kuò)展度影響大.

(2) 礦渣含量越高,地聚合物的抗壓強(qiáng)度也越大,尤其是早期強(qiáng)度提高明顯.而粉煤灰的強(qiáng)度由于不易被堿激發(fā)劑激發(fā),它的增加反而會(huì)使地聚合物的抗壓強(qiáng)度下降.

(3) 通過(guò)灰關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)不同配比礦渣-粉煤灰基地聚合物性能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,當(dāng)M(礦渣/粉煤灰)=0.8、堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3,NaOH濃度為36 %時(shí),綜合效益指標(biāo)最優(yōu).