低摻量粉煤灰基地聚物膠凝材料性能試驗研究

王英， 王穎潔， 朱美春， 方從啟

低摻量粉煤灰基地聚物膠凝材料性能試驗研究

王英， 王穎潔， 朱美春， 方從啟*

（上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201418）

為了研究粉煤灰基地聚物膠凝材料的組成對其性能的影響，對C類粉煤灰分別摻入少量（質(zhì)量分數(shù)小于17%）偏高嶺土和礦渣粉后，進行了兩種地聚物膠砂試塊的力學(xué)性能試驗研究，并與相同配比、相同制作養(yǎng)護條件下的普通硅酸鹽水泥膠砂試塊進行了比較.試驗結(jié)果表明：純粉煤灰（C類）地聚物膠凝材料強度低于P.O 42.5水泥；當外摻料質(zhì)量分數(shù)大于17%時，粉煤灰基地聚物膠凝材料強度超過同齡期（14 d）的水泥；摻入礦渣粉的粉煤灰基地聚物抗壓強度高于摻入等量偏高嶺土的粉煤灰基地聚物.

地聚物膠凝材料； 粉煤灰； 偏高嶺土； 礦渣； 力學(xué)性能

0 引 言

地聚物在1978年由DAVIDOVITS［1］首先提出，是指用大量的硅鋁酸鹽固體（如粉煤灰）、適量的外摻料（如高嶺土等），加入堿性激發(fā)液（如氫氧化鈉、硅酸鈉溶液等），通過化學(xué)反應(yīng)，生成的堅硬如巖石般的無機高分子聚合物.這種無機高分子材料具有優(yōu)異的耐久性，以及耐高溫、耐腐蝕等性能，而且在制備過程中基本不排放CO2，還具有無需高溫煅燒、能耗低等優(yōu)點，因此近年來成為研究熱點.地聚物有望替代水泥，在土木、水利、海洋、航天等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景.

由于地聚物的合成是由地聚物膠凝材料，以及堿激發(fā)液等多種材料組成，每種材料的比例、制備條件等因素都直接影響到合成地聚物的性能.用地聚物膠凝材料替代水泥制備地聚物混凝土，其力學(xué)性能、收縮性、熱工性能等各方面的參數(shù)都直接與膠凝材料特性相關(guān).JING等［2］研究了粉煤灰和偏高嶺土的不同配比、粉煤灰是否研磨、用水量、黃砂用量等因素對粉煤灰地聚物強度的影響.SHANG等［3］研究了礦渣-粉煤灰基地聚物的材料配比、水膠比、堿激發(fā)劑用量等因素對地聚物抗壓強度的影響.HE等［4］研究了不同種類堿激發(fā)劑對不同粉煤灰摻量的水泥膠砂強度的影響.LI等［5］研究了激發(fā)劑模數(shù)、硅鋁摩爾比、液固比等因素對鉬尾礦地聚物膠凝材料力學(xué)性能的影響.LIU等［6］研究了硅灰對凝結(jié)硬化過程以及對硬化漿體抗壓強度的影響.

本研究選定堿激發(fā)液后，在相同的制作和養(yǎng)護條件下，以C類粉煤灰為主，摻入少量（質(zhì)量分數(shù)小于17%）的偏高嶺土或礦渣，得到的粉煤灰基地聚物膠凝材料及其力學(xué)性能，探索兩種外摻料的不同摻雜量與粉煤灰基地聚物膠凝材料力學(xué)性能的關(guān)系，為粉煤灰基地聚物混凝土的配制提供參考.

1 試 驗

1.1　原料及配比

原材料為C類Ⅱ級粉煤灰，其主要化學(xué)組成和技術(shù)指標分別如表1，2所示.礦渣為S95級粒化高爐礦渣粉，其主要技術(shù)指標如表3所示.偏高嶺土的主要成分和性能如表4所示.標準砂為中國ISO標準砂［7］.分析純氫氧化鈉片狀固體（純度96%）；液體硅酸鈉（模數(shù)3.3，波美度40Be（20 ℃）；SiO2，質(zhì)量分數(shù)26.5%；Na2O，質(zhì)量分數(shù)8.3%）；P.O 42.5普通硅酸鹽水泥.

表1　粉煤灰的主要化學(xué)組成 %

表2　粉煤灰主要指標檢測結(jié)果

表3　礦渣的主要技術(shù)指標

表4　偏高嶺土的主要成分和性能

本試驗分別測試了普通硅酸鹽水泥膠砂試塊、低摻量粉煤灰基地聚物膠砂試塊（分別摻入偏高嶺土和礦渣）的力學(xué)性能.試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體.膠砂的質(zhì)量配比采用膠凝材料∶水∶標準砂=1∶0.5∶3.對于水泥膠砂試塊，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥；對于地聚物膠砂試塊，膠凝材料為低摻量偏高嶺土和粉煤灰，或者低摻量礦渣和粉煤灰. 偏高嶺土（或礦渣）的摻量分別取0，2%，7%，12%和17%，水泥膠砂試塊作為對照組.

本試驗配制地聚物膠砂試塊所用的堿激發(fā)劑為液體硅酸鈉和氫氧化鈉固體混合而成.參照已有的研究結(jié)論［8-10］，選擇調(diào)整后硅酸鈉模數(shù)為1.35的混合液作為堿激發(fā)劑.

根據(jù)以上的材料配比，每組3個尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的地聚物膠砂試塊，材料用量如表5，6所示.3個水泥試塊的材料用量為：標準砂1 350 g，水泥450 g，水225 g.

表6　粉煤灰基礦渣膠砂試塊材料用量（3個試塊） g

1.2　試件制備

由于固體氫氧化鈉溶于水要放熱，使溶液溫度升高.為了消除溫度對實驗的影響，實驗前提前24 h將堿性激發(fā)劑制備好，待冷卻至室溫后再進行膠砂試塊制備.堿激發(fā)劑的制備方法是先計算單位質(zhì)量（100 g）硅酸鈉原液（模數(shù)3.3）的模數(shù)調(diào)整為1.35所需加入的純氫氧化鈉質(zhì)量，然后再根據(jù)氫氧化鈉的純度（96%）確定最終氫氧化鈉固體的用量.根據(jù)每批次制作試塊數(shù)量，稱量相應(yīng)的氫氧化鈉固體，將其溶于相等質(zhì)量的純凈水中，制備氫氧化鈉溶液，待冷卻至室溫、固體充分溶解以后，加入計算好質(zhì)量的硅酸鈉溶液，制成堿激發(fā)劑備用.

原材料水泥、標準砂、偏高嶺土和礦渣等，提前置于105 ℃烘箱烘干，而后冷卻至室溫備用.

膠砂制作時，先將自來水、膠凝材料和堿激發(fā)劑加入膠砂攪拌機的鍋內(nèi)，開動機器，低速攪拌30 s，然后加入標準砂，再高速攪拌30 s，隨后停拌90 s，再高速攪拌30 s. 每次制作膠砂量為3個40 mm×40 mm×160 mm試塊的量.

膠砂制備后立即進行成型.將空試模和模套固定在振動臺上，把膠砂分2層裝入試模，每層裝入后振動60次，最后將試件表面抹平，并在試模上貼試件編號字條.

制備完成的膠砂試件在室溫中靜置60 min后，移入60 ℃電爐中養(yǎng)護24 h.電爐養(yǎng)護完成后，拆模、試件表面標記編號，然后移入（20±1）℃的水中養(yǎng)護至齡期7 d和14 d.

1.3　性能試驗

膠砂試件養(yǎng)護至測試齡期，在試驗前15 min從水中取出，并用濕布覆蓋至開始試驗為止.

抗折強度測定時，將試件的一個側(cè)面放在抗折強度試驗機支撐圓柱上，以（50±10）N?s-1的速率均勻加載，直至試件折斷，記錄折斷時施加于棱柱體中部的荷載.重復(fù)試驗操作，直至完成每組3個膠砂試件測試，并用濕布覆蓋試件折斷后的兩個半截棱柱體，便于接下來進行抗壓強度測試.

抗壓強度測試時，在半截棱柱體的側(cè)面上進行.將半截棱柱體試件置于抗壓強度試驗機壓板中心，以（2 400±200）N?s-1的速率均勻加載，直至試件破壞，記錄破壞時的最大荷載.重復(fù)試驗操作，直至完成每組6個半截膠砂試件測試.

2 結(jié)果與討論

參照文獻［5］的方法，根據(jù)測試得到的膠砂試塊抗折荷載和抗壓荷載，計算得到抗折強度和抗壓強度. 抗折強度的確定原則是：以每組3個棱柱體抗折強度的平均值作為試驗結(jié)果；若3個強度值中有1個超出平均值±10%時，應(yīng)取其余2個平均值作為抗折強度的試驗結(jié)果. 抗壓強度的確定原則是：以每組3個棱柱體抗壓測試后得到的6個半截試塊抗壓強度測試值的算數(shù)平均值作為試驗結(jié)果；若6個測定值中有1個超出平均值的±10%時，取其余5個平均值作為抗壓強度測試結(jié)果. 抗折強度和抗壓強度測試結(jié)果分別如表7，8所示，其中試塊編號PM為對照組普通硅酸鹽水泥膠砂試件.

表7　粉煤灰基偏高嶺土膠砂試塊測試強度

表8　粉煤灰基礦渣膠砂試塊測試強度

為了便于直觀比較數(shù)值大小和判斷趨勢，將表7，8中的數(shù)據(jù)按照不同強度類型和不同齡期，繪制出圖形，如圖1，2所示.

圖1　膠砂試塊抗折強度

圖2　膠砂試塊抗壓強度

由圖1，2可知：純粉煤灰地聚物試塊與同齡期的水泥試塊相比，抗折強度和抗壓強度都較低.若采用與評定水泥強度相同的方法，則本試驗配制的C類粉煤灰地聚物膠凝材料強度低于P.O 42.5水泥的強度.

由圖1可知：當?shù)V渣或者偏高嶺土的摻量較低（<12%）時，對粉煤灰基地聚物膠砂試塊的抗折強度影響不大，但是隨著摻量增加，抗折強度有提高的趨勢，預(yù)計摻量增加至20%以上時，抗折強度可能超過同齡期的水泥.

由圖2可知：隨著偏高嶺土或者礦渣摻量的增加，粉煤灰地聚物膠砂試塊抗壓強度逐漸增加；當摻量達到17%及以上時，抗壓強度超過同齡期的水泥.從圖2還可知：當偏高嶺土或者礦渣摻量相同時，兩者對粉煤灰基地聚物膠砂試塊抗壓強度的影響不一樣，礦渣粉煤灰基地聚物膠砂試塊強度更高.

3 結(jié)論及展望

本研究對粉煤灰（C類）基地聚物中分別摻入不同比例的偏高嶺土或者礦渣粉，通過試驗的方法，測試了膠砂試塊的抗壓強度和抗折強度，并與相同配比和相同制作養(yǎng)護條件下的水泥膠砂試塊進行比較，得出了一些有關(guān)地聚物膠凝材料的組成對其力學(xué)性能影響的結(jié)論：

（1） 純粉煤灰（C類）地聚物膠凝材料的強度低于水泥.

（2） 在粉煤灰中摻入17%（質(zhì)量分數(shù)）以上偏高嶺土或者礦渣后，地聚物膠凝材料強度高于P.O 42.5水泥.

（3） 礦渣粉煤灰基地聚物強度高于等量摻雜的偏高嶺土粉煤灰基地聚物，更適合配置強度較高的地聚物混凝土.

后續(xù)將對F級粉煤灰，以及更高摻量的外摻料對地聚物膠凝材料性能的影響進行研究.

［1］ DAVIDOVITS J. Geopolymers and geopolymeric materials ［J］. Journal of Thermal Analysis， 1989，35（2）：429-441.

［2］ JING W， LIU L， LIN F. Preparation and study on fly ash based geopolymer ［J］. Journal of Science of Teachers’ College and University， 2006，26（4）：40-42.

［3］ SHANG J L，LIU L. Study on preparation and mechanical properties of slag and fly ash based geopolymeric ［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2011，30（3）：741-744.

［4］ HE T S， WEI G Q. Effect of activators excitated cement specimen with different amount of fly ash on strength ［J］. Concrete， 2009，235（5）：62-64.

［5］ LI F， CUI X W， LIU X， et al. Research on preparation of geochemical cementitious material with activated molybdenum tailings［J］. Non-Metallic Mines， 2021，44（1）：96-99.

［6］ LIU Y W， ZHANG Z H， SHI C J， et al. Influence of silica fume on performance of high-strength geopolymer［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2020，48（11）：1689-1699.

［7］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）： GB/T 17671—1999 ［S］. 北京： 中國標準出版社， 1999.

［8］ MAO M J， REN J Y， ZHANG W B， et al. Study on the mechanical properties of fly ash geopolymer concrete ［J］. Concrete， 2016，319（5）：78-80.

［9］ HAN T Y. Analysis of influencing factors on geo-polymerization process of alkali-activated fly ash ［D］. Changsha：Changsha University of Science & Technology， 2016.

［10］ YANG S Y， ZHAO R D， JIN H S， et al. Research on influence parameters of early strength of fly ash-based geopolymer mortar ［J］. Advanced Engineering Sciences， 2020，52（6）：162-169.

Experimental study on performances of fly ash-based geopolymer cementitious material with low admixtures content

WANGYing， WANGYingjie， ZHUMeichun， FANGCongqi*

（School of Civil Engineering， Shanghai Normal University， Shanghai 201418， China）

In order to study the correlations between the mechanical performances and the components of fly ash-based geopolymer cementitious material， two groups of geopolymer mortar specimens by mixing slag powder and metakaolin separately （mass fraction less than 17%） with Class-C fly ash were tested. Meanwhile， as a comparative group， the cement mortar specimens with the same mix proportion and curing condition were produced as well. The test results indicated that the strength of fly ash geopolymer cementitious material was less than that of P.O 42.5 cement； while the strength of fly ash based geopolymer cementitious material with more than 17% （mass fraction） admixtures exceeded that of P.O 42.5 cement when specimens’ age was over 14 days. Furthermore， the compressive strength of fly ash based geopolymer mixing with slag powder was higher than that of geopolymer mixing with metakaolin of equal quantity.

geopolymer cementitious material； fly ash； metakaolin； slag； mechanical performance

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.022

2021-11-22

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目（18070502900）

王 英（1970—）， 女， 副教授， 主要從事新型綠色環(huán)保節(jié)能混凝土方面的研究. E-mail： wycyt2000@shnu.edu.cn

方從啟（1963—）， 男， 教授， 主要從事混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土材料方面的研究. E-mail： cognqifang@shnu.edu.cn

王英， 王穎潔， 朱美春， 等. 低摻量粉煤灰基地聚物膠凝材料性能試驗研究 ［J］. 上海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2022，51（4）：550?555.

WANG Y， WANG Y J， ZHU M C， et al. Experimental study on performances of fly ash-based geopolymer cementitious material with low admixtures content ［J］. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：550?555.

TU 528.41

A

1000-5137（2022）04-0550-06

（責(zé)任編輯：顧浩然）