以不同等級粉煤灰為原料的粉煤灰地質(zhì)聚合物的性能研究

薛耀東

(南京潤程交通科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

20世紀(jì) 70 年代，一種新型的膠凝材料被Davidovits教授發(fā)現(xiàn)并命名為地質(zhì)聚合物，地質(zhì)聚合物是一種無機(jī)三維網(wǎng)狀膠凝體，其主要材料是高硅鋁質(zhì)天然礦物、固體廢棄物和人工硅鋁化合物等，作用方式為聚合作用，從而形成無機(jī)高分子聚合物。地質(zhì)聚合物具有優(yōu)良的力學(xué)性能且低能耗、低污染、耐腐蝕、生產(chǎn)成本低、工藝簡單的優(yōu)良特性，已在建筑、航空航天、快速修補、耐火隔熱及重金屬固化等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

堿激發(fā)地質(zhì)聚合物多以富硅富鋁的硅鋁酸鹽為主，這些具有潛在水硬性活性物包括鋼渣 礦渣、粉煤灰、硅灰及煤矸石等[1]，他們的礦物組成中的膠凝活性的硅酸鹽或鋁硅酸鹽有高的經(jīng)濟(jì)價值。

其中粉煤灰是在燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的廢棄物，其排放量巨大，對環(huán)境造成了很大的破壞，若直接進(jìn)行填埋，填埋堆放的地方需要很大，并且造成嚴(yán)重的資源浪費，因此，國內(nèi)外很多研究學(xué)者高度關(guān)注粉煤灰的回收利用。因為粉煤灰的內(nèi)部為無定型的硅鋁結(jié)構(gòu)，可以通過堿性激發(fā)劑與之發(fā)生解聚反應(yīng)，在適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)條件下可以生成無機(jī)膠凝材料，即地質(zhì)聚合物。

對于堿激發(fā)地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)制，楊南如等[2]進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為粉煤灰組成中的玻璃體在堿性環(huán)境中發(fā)生了解聚，在OH-作用下，Si4+把O拉向周圍使得Si—O鍵斷裂。其他研究[3]表明反應(yīng)環(huán)境的堿度對Si—O和Al—O鍵的斷裂起到重要作用，環(huán)境pH越高，反應(yīng)程度就越劇烈。在堿激發(fā)地質(zhì)聚合物的形成過程中，水化過程中需要活性反應(yīng)物SiO2、Al2O3以及Ca2+的共同作用，形成提供早期強度的C—S—H和C—A—H等凝膠性產(chǎn)物。[4]

粉煤灰中可溶出的活性Si(OH)4和AL(OH)4含量決定了粉煤灰化學(xué)活性。由于粉煤灰粒子的玻璃相結(jié)構(gòu)致密，使得活性物質(zhì)很難溶出。物理上可以將粉煤灰磨細(xì)，提高其反應(yīng)表面積，促進(jìn)水化反應(yīng)，也可采用NaOH、Na2SiO3等溶液作為激發(fā)劑，促使地質(zhì)聚合反應(yīng)。

本次研究的粉煤灰從細(xì)度上分為三個等級，Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰、Ⅲ級粉煤灰，Ⅰ級粉煤灰細(xì)度≤12.0%，Ⅱ級粉煤灰≤25.0%，Ⅲ級粉煤灰≤45.0%。粉煤灰細(xì)度的減小是需要通過球磨機(jī)來完成的，這導(dǎo)致它們之間價格會有比較大的差距，所以研究不同等級原材料的粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備也具有重要的經(jīng)濟(jì)價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用水玻璃為購買自新疆某工業(yè)市場的工業(yè)級水玻璃(模數(shù) 2.31，固含量55%，波美度50，Na2O含量為12.8%，SiO2含量為9.2%，透明度0.8)，所用NaOH(分析純級)來自北京化工廠，所用砂為機(jī)制砂，水為試驗室自來水。粉煤灰的化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分含量

1.2 粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備

試驗事先配制好堿激發(fā)劑，堿激發(fā)劑用水、水玻璃與NaOH按一定比例配制而成。在拌和膠砂時，將堿激發(fā)劑倒入粉煤灰中，在攪拌90后，再將機(jī)制砂倒入，等充分?jǐn)嚢柰瓿珊螅杆俚谷肽?40 mm×40 mm×160 mm)成型，將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)0.5 d之后就可以拆模，之后還是放入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 3 d和7 d，用以測試3 d、7 d強度，抗折和抗壓強度的試驗參照新出的《水泥膠砂強度試驗方法》(GB/T 17671—2020)規(guī)范進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 凝結(jié)時間和強度結(jié)果

以不同等級粉煤灰制備而成的粉煤灰地質(zhì)聚合物的凝結(jié)時間、強度見表2，其中1.1～1.3表示Ⅰ級粉煤灰的三個試件，2.1～2.3表示Ⅱ級粉煤灰的三個試件，3.1～3.3表示Ⅲ級粉煤灰的三個試件。

表2 粉煤灰地質(zhì)聚合物的凝結(jié)時間、強度

2.2 凝結(jié)時間和強度結(jié)果分析

以同一等級粉煤灰為原料得出的值的平均值作為代表值，根據(jù)表2試驗結(jié)果繪制出粉煤灰地質(zhì)聚合物凝結(jié)時間圖、粉煤灰地質(zhì)聚合物抗折強度圖以及粉煤灰地質(zhì)聚合物抗壓強度圖，如圖1～圖3所示。

圖1 粉煤灰地質(zhì)聚合物凝結(jié)時間圖

圖2 粉煤灰地質(zhì)聚合物抗壓強度圖

由圖1可知，Ⅰ級粉煤灰的初、終凝時間最少，最短的時間為7 min、15 min，時間差僅為8 min，Ⅲ級粉煤灰的初、終凝時間最長，最長的時間為31 min、57 min，最短時間差為19 min。初凝時間與留給施工人員操作的時間相關(guān)，初凝時間過短，往往來不及完成抹平等工作，初凝時間過長，又會導(dǎo)致不能快速開放交通，失去改材料極大的優(yōu)勢，得不償失。因此，選擇何種等級的粉煤灰需要根據(jù)實際情況考慮。

由圖2、圖3可知，粉煤灰地質(zhì)聚合物的3 d、7 d抗壓強度、抗折強度均隨粉煤灰等級的增大而降低，即粉煤灰越細(xì)，抗壓、抗折強度越大。當(dāng)粉煤灰等級由Ⅰ級逐漸增至Ⅲ級時，其對應(yīng)粉煤灰地質(zhì)聚合物的3 d抗壓強度由37.3 MPa逐漸下降至25.0 MPa，降低了33%；7d抗壓強度由46.8 MPa逐漸下降至 28.9 MPa，降低了38.4%；當(dāng)粉煤灰等級由Ⅰ級逐漸增至Ⅱ級時，其對應(yīng)粉煤灰地質(zhì)聚合物的3 d抗壓強度由37.3 MPa逐漸下降至35.3 MPa，降低了5.4%；7 d抗壓強度由46.8 MPa逐漸下降至 42.2 MPa，降低了9.8%；相對于到Ⅲ級粉煤灰來說，從Ⅰ級逐漸增至Ⅱ級時，強度的降低明顯要更小。3 d抗折強度由4.7 MPa逐漸下降至2.8 MPa，降低了40%；7 d抗折強度由6.9 MPa逐漸下降至4.7 MPa，降低了31.9%。這說明地質(zhì)聚合物中粉煤灰越細(xì)，反應(yīng)會越充分，反應(yīng)也會更迅速，體系更密實，因此會使抗壓、抗折強度增加。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

試驗使用的原材料Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰、Ⅲ級粉煤灰在新疆市場購買的價格見表3。

表3 原材料粉煤灰在新疆市場購買的價格

從Ⅰ級粉煤灰到Ⅱ級粉煤灰，價格降低了25%，從Ⅰ級粉煤灰到Ⅲ級粉煤灰價格降低了75%，因此在使用何種等級的粉煤灰時，需要整體考慮價格和強度要求以及凝結(jié)時間。

4 結(jié) 論

(1) Ⅰ級粉煤灰的初、終凝時間最少，最短的時間為7 min、15 min，時間差僅為8 min，Ⅲ級粉煤灰的初、終凝時間最長，最長的時間為31 min、57 min，最短時間差為19 min。

(2) 相對于Ⅲ級粉煤灰來說，從Ⅰ級粉煤灰逐漸增至Ⅱ級粉煤灰時，強度的降低明顯要更小，降低率為20%。

(3) 從Ⅰ級粉煤灰到Ⅱ級粉煤灰，價格降低了25%，從Ⅰ級粉煤灰到Ⅲ級粉煤灰價格降低了75%。