改性水玻璃制備鐵尾礦基地質(zhì)聚合物

周營(yíng)，王海濤，田江濤，渠聰

(大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)①

地質(zhì)聚合物由法國(guó)學(xué)者Davidovits于1979年首次提出，它是一種化學(xué)結(jié)構(gòu)與沸石相近，但同時(shí)具有非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的無機(jī)非金屬材料[1].地質(zhì)聚合物具有早期強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕、防火耐高溫及固定有毒有害物質(zhì)溶出等優(yōu)良性能，可廣泛應(yīng)用于水泥代替膠凝材料、土木工程快速修補(bǔ)材料、輕質(zhì)防火耐高溫材料等方面[2-5].傳統(tǒng)地質(zhì)聚合物的原料是由經(jīng)過高溫煅燒的高嶺土加入氫氧化鈉溶液制備而成的[6]，粉煤灰[7]、爐渣[8]、廢尾礦[9]等工業(yè)廢棄物具有和高嶺土類似的成分，因此將地質(zhì)聚合反應(yīng)應(yīng)用于尾礦處理可有效解決大量工業(yè)廢物利用水平較低的問題[10].地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能除了受原材料特性的影響，還受激發(fā)劑、固化條件等外部因素影響.目前，在地質(zhì)聚合物的激發(fā)劑研究中大多以硅酸鈉溶液與氫氧化鈉溶液的用量比為主要參數(shù)[11],但兩種溶液混合配置成的激發(fā)劑大多只能調(diào)節(jié)激發(fā)劑的模數(shù)，而難以調(diào)控激發(fā)劑的濃度，因此改性水玻璃作為激發(fā)劑在地質(zhì)聚合物制備中得到越來越多的應(yīng)用[12].

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)過分選工藝選取鐵精礦后剩余的廢渣，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分，目前統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)的礦山約8 000座，累計(jì)生產(chǎn)尾礦數(shù)量多達(dá)近60億t，其中鐵尾礦的生產(chǎn)量最大，占尾礦總生產(chǎn)量的40.9%[13-14].本文以鞍山市高硅鐵尾礦、偏高嶺土為主要原料，以添加固體氫氧化鈉調(diào)節(jié)模數(shù)后的改性水玻璃溶液為堿性激發(fā)劑制備地質(zhì)聚合物.采用正交試驗(yàn)的方法，探究鐵尾礦摻量、硅酸鈉溶液的濃度、改性水玻璃的模數(shù)對(duì)地質(zhì)聚合物的力學(xué)影響規(guī)律，并以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)通過顯著性分析，確定其最優(yōu)配比.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用鐵尾礦來自鞍山市齊大山鐵礦，原料經(jīng)過晾干-篩分-混勻，使其粒度分布達(dá)到《GB 175—2007 通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，即80 μm(190目)方孔篩篩余10%，活性指數(shù)為69.偏高嶺土來自河南焦作，細(xì)度為45 μm(40目)方孔篩篩余15%.鐵尾礦與偏高嶺土的化學(xué)組成見表1.

表1 原材料主要化學(xué)組成 %

鐵尾礦與偏高嶺土的X射線衍射圖見圖1.采用Empyrean X-衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，掃描范圍為10°～70°，由圖1可知,偏高嶺土在10°～30°主要為彌散峰，主要結(jié)構(gòu)為無定形態(tài)，其反應(yīng)活性大于同物質(zhì)晶體，其尖銳特征峰所代表的晶型物質(zhì)大多為石英、剛玉、硬石膏；而鐵尾礦主要結(jié)構(gòu)為晶體，且衍射峰強(qiáng)度較高，結(jié)晶度較高，較為穩(wěn)定.因此偏高嶺土不僅能充當(dāng)鐵尾礦基地質(zhì)聚合物的硅鋁比矯正材料，還能作為活性劑，促進(jìn)地質(zhì)聚合物反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，使得鐵尾礦-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物能夠在常溫條件下制備.

(a) 鐵尾礦

試驗(yàn)用硅酸鈉溶液模數(shù)(Na2O與SiO2含量之比)為3.1，所用氫氧化鈉為片狀純固體氫氧化鈉.以添加固體氫氧化鈉調(diào)節(jié)模數(shù)后的改性水玻璃溶液作為地質(zhì)聚合物的激發(fā)劑.改性水玻璃的模數(shù)調(diào)節(jié)公式為：

(1)

式中：n為原硅酸鈉溶液的模數(shù)；m為改性后水玻璃的模數(shù) ；x為每克硅酸鈉溶質(zhì)需要添加的氫氧化鈉固體質(zhì)量.

1.2 地質(zhì)聚合物制備

將片狀固體氫氧化鈉溶解于硅酸鈉溶液中，充分?jǐn)嚢韬罄鋮s至室溫，加入鐵尾礦與偏高嶺土后放置于水泥凈漿攪拌機(jī)中慢速攪拌4 min，將拌合物倒入Φ15 mm×40 mm的圓柱形試模中置于振搗臺(tái)上充分振搗，待養(yǎng)護(hù)1 d后脫模并放入密封袋中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至各自齡期.每個(gè)配合比制作3個(gè)試件進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，取其平均值作為抗壓強(qiáng)度.脫模后的地質(zhì)聚合物試件見圖2.

抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用WAW-300型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，試件設(shè)置為棒材，以1 mm/min的加載速度進(jìn)行加載，待試件破壞后停止加載，抗壓強(qiáng)度測(cè)試完成后試件的破壞形態(tài)圖見圖3.

圖2 地質(zhì)聚合物試件 圖3試件破壞形態(tài)圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在制備地質(zhì)聚合物的過程中，生成的地質(zhì)聚合物根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)可分成三類：PS型(n(Si)/n(Al)=1)、PSS型(n(Si)/n(Al)=2)、PSDS型(n(Si)/n(Al)=3)；而鐵尾礦原材料中含鋁元素的氧化物占比較小，因此為保證地質(zhì)聚合物反應(yīng)能順利進(jìn)行，將鐵尾礦摻量控制在10%～40%.本文使用硅酸鈉溶液作為堿激發(fā)劑，不僅能為原材料提供堿性環(huán)境，使鐵尾礦與偏高嶺土發(fā)生Si-O 和 Al-O 共價(jià)鍵的斷裂，還能夠自身水解，提供大量的活性SiO4四面體等物質(zhì)，生成更多的地質(zhì)聚合物；此外，常溫下硅酸鈉溶液飽和濃度在45%左右.本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以鐵尾礦摻量、硅酸鈉溶液濃度、改性水玻璃的模數(shù)為變量，其因素與水平設(shè)計(jì)見表2.

表2 因素與水平設(shè)計(jì)表

1.4 影響因素交互性檢驗(yàn)

對(duì)于多因素正交試驗(yàn)，一個(gè)因子的好壞或好壞的程度受另一因子水平制約的情況，稱為因子的交互作用[15].交互作用的考慮與否將會(huì)影響對(duì)正交表的選擇，因此本文采用Minitab軟件進(jìn)行單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)[16]，并以28 d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)其交互作用進(jìn)行因子分析(表3).

表3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)及抗壓強(qiáng)度

影響因素交互作用的因子分析表見表4，從表中可知，因各因子交互作用P值均大于0.05，因此交互作用均不顯著，故設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)不考慮影響因素的交互作用,選擇L16(45)正交試驗(yàn)表.

表4 影響因素交互作用的因子分析表

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

經(jīng)L16(45)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)，共有16組鐵尾礦-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物試件，每組試件養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，見圖4.

圖4 鐵尾礦-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度

由圖4可知，以鐵尾礦與偏高嶺土為原料可成功制備地質(zhì)聚合物，其中試件IM243的抗壓強(qiáng)度最大，即配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鐵尾礦，濃度為45%的原硅酸鈉溶液，模數(shù)為1.6的改性水玻璃，其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到32.7 MPa、33.9 MPa、42.4 MPa.而IM414組地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度明顯較低，即配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的鐵尾礦，濃度為30%的硅酸鈉溶液，模數(shù)為1.8的改性水玻璃，其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到1.1 MPa、3.4 MPa、7.9 MPa.其主要原因是硅酸鈉濃度較低，且改性水玻璃的模數(shù)較大，導(dǎo)致堿激劑的Na+含量較少，無法完全平衡由于四配位Al3+所造成的過剩負(fù)電荷，使體系無法始終處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)[17].地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度隨著硅酸鈉濃度的升高而升高，因?yàn)镹a+含量的升高能有效地平衡電荷，此外硅酸鈉溶液濃度的提高還有利于硅酸和氫氯化鋁混合凝膠的脫水縮合，即羥基縮聚的過程中熱量釋放[12].此外，改性水玻璃模數(shù)的升高將會(huì)影響地質(zhì)聚合物的早強(qiáng)特性，即堿性激發(fā)劑的模數(shù)越大堿性越小，早期強(qiáng)度越低，但對(duì)于高模數(shù)的堿激發(fā)劑而言，硅酸鈉濃度的提高將會(huì)提升地質(zhì)聚合物養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度；其主要原因是高模數(shù)的堿激發(fā)劑堿性較小,斷鍵能力較差，但硅酸鈉濃度升高將會(huì)提高改性水玻璃的黏度，從而改變硅酸根離子的聚合度[12].

2.2 方差分析

為確定鐵尾礦-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物各個(gè)影響因素的主次關(guān)系，并探究各個(gè)因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行方差分析，見表5.

由表5可知,各因素優(yōu)先級(jí)為B>A>C，其中B因素(硅酸鈉濃度)P值小于0.05，即只有B因素顯著.其方差分析的殘差正態(tài)概率圖見圖5，可知，其正態(tài)概率圖為一條直線，方差分析模型中的殘差服從正態(tài)分布，即數(shù)據(jù)符合方差分析的假設(shè).根據(jù)其方差分析建立具有擬合均值的主效應(yīng)圖見圖6.由方差分析及主效應(yīng)圖確定最佳配比：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鐵尾礦，濃度為45%的硅酸鈉溶液，模數(shù)為1.4的改性水玻璃，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度為31.4 MPa、41.3 MPa、45.5 MPa.

表5 方差分析

圖5 方差分析的殘差正態(tài)概率

圖6 方差分析中抗壓強(qiáng)度均值的主效應(yīng)

由圖6可知當(dāng)鐵尾礦摻量為20%時(shí)，鐵尾礦-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度最大，原因是鐵尾礦粉充分地分散在漿體中,形成了良好的骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)地質(zhì)聚合物漿體硬化后的強(qiáng)度起到了補(bǔ)足作用;隨著鐵尾礦摻量的繼續(xù)增加，體系內(nèi)可反應(yīng)的活性Si的含量也隨之增加，使體系中活性Al的占比減小，這將減小Si的溶解速率，使得聚合物抗壓強(qiáng)度降低[18].隨著水玻璃濃度的升高，水玻璃的黏性逐漸增大，且游離的Si+增加，聚合反應(yīng)更徹底，因此地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度也隨之增大.當(dāng)改性水玻璃模數(shù)為1.4時(shí)，地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度最大，這是因?yàn)槟?shù)越小，堿性越強(qiáng)，加快了硅解聚過程中離子化速度，使得原料中的Si-O鍵、Al-O鍵更容易斷裂[19]，但隨著激發(fā)劑模數(shù)的進(jìn)一步減小，在固含量相同的水玻璃溶液中，低聚硅氧四面體結(jié)構(gòu)基團(tuán)出現(xiàn)并增加，高聚合度的硅氧四面體結(jié)構(gòu)基團(tuán)減少并消失，而大量低聚合度水化產(chǎn)物的積累，將會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響[20]，此外，激發(fā)劑模數(shù)的減小也會(huì)加速Na2SiO3+H2O→H2SiO3+NaOH反應(yīng)逆過程的進(jìn)行，而析出的Na2SiO3與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈉與氧化硅凝膠，影響地質(zhì)聚合物強(qiáng)度.

3 結(jié)論

(1)通過XRD分析可知，偏高嶺土主要結(jié)構(gòu)為無定形態(tài)，其反應(yīng)活性大于同物質(zhì)晶體，因此在制備鐵尾礦基地質(zhì)聚合物試件時(shí)摻入偏高嶺土不僅能充當(dāng)原料的硅鋁比矯正材料，還能作為活性劑，促進(jìn)地質(zhì)聚合物反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，使得地質(zhì)聚合物能夠在常溫條件下制備.

(2)通過因子分析，對(duì)影響因素進(jìn)行交互性檢測(cè)，采用L16(45)正交試驗(yàn)表在常溫條件下成功制備出以鞍山高硅型鐵尾礦(SiO2含量87.65%)與偏高嶺土為原料，以改性水玻璃為堿性激發(fā)劑的地質(zhì)聚合物，且通過方差分析確定其最優(yōu)配比：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鐵尾礦，濃度為45%的硅酸鈉溶液，模數(shù)為1.4的改性水玻璃，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度為31.4 MPa、41.3 MPa、45.5 MPa.

(3)改性水玻璃模數(shù)的升高將會(huì)影響地質(zhì)聚合物的早強(qiáng)特性，堿性激發(fā)劑的模數(shù)越大堿性越小，早期強(qiáng)度越低，但對(duì)于高模數(shù)的堿激發(fā)劑而言，硅酸鈉濃度的提高將會(huì)提升地質(zhì)聚合物養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度.

(4)鐵尾礦在地質(zhì)聚合物中能夠充當(dāng)良好的骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)其強(qiáng)度起到了補(bǔ)足作用，但當(dāng)鐵尾礦摻量繼續(xù)增加時(shí)，將會(huì)使體系中活性Al的占比減小，這將減小Si的溶解速率，使得地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度降低.