張西玲,陳　林,向　蕓,文忠和,王獻忠

(萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程系,萍鄉(xiāng)　337000)

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玻璃微粉和粉煤灰制備地質(zhì)聚合物的實驗研究

張西玲,陳林,向蕓,文忠和,王獻忠

(萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程系,萍鄉(xiāng)337000)

以粉煤灰和玻璃微粉為主要原料，水玻璃作激發(fā)劑制備了玻璃微粉粉煤灰基地質(zhì)聚合物。討論了玻璃微粉摻量、水玻璃摻量及模數(shù)、水灰比、養(yǎng)護溫度各因素對制品抗壓強度的影響。得出了優(yōu)化的工藝條件為：水玻璃摻量12%，水灰比0.35，玻璃微粉摻量30%，養(yǎng)護溫度40 ℃，水玻璃模數(shù)1.6。制備出了凝結(jié)時間正常，早強高強的地質(zhì)聚合物。

地質(zhì)聚合物; 粉煤灰; 玻璃微粉; 抗壓強度; 工藝條件

1　引　言

地質(zhì)聚合物(Geopolymer)是一種新型堿激發(fā)膠凝材料。由于其同時具備有機高分子的鍵接結(jié)構(gòu)和無機物的特點，因而具有比普通水泥更為優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，另外，這類材料多以天然工業(yè)固體廢棄物為主要原料，能產(chǎn)生的CO2比硅酸鹽水泥少80%[1]，故受到廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。

粉煤灰是發(fā)電廠煤燃燒產(chǎn)生的主要固體廢渣，Palomo和Hardjito 等[2，3]學(xué)者認(rèn)為粉煤灰基地質(zhì)聚合物表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)和耐久性能，是未來水泥的發(fā)展方向。日常生產(chǎn)生活中不可避免地產(chǎn)生大量的廢玻璃垃圾，玻璃是硅酸鹽材料，具有極高的堿活性，可以作為制備地質(zhì)聚合物的潛在原料。本文利用粉煤灰和廢玻璃為主要原料，通過氫氧化鈉和水玻璃的混合激發(fā)制備玻璃微粉粉煤灰基地質(zhì)聚合物，研究玻璃微粉摻量、水玻璃摻量、玻璃模數(shù)、水灰比、養(yǎng)護溫度對地質(zhì)聚合物抗壓強度的影響。

2　試　驗

2.1原料

粉煤灰：來源于萍鄉(xiāng)市安源發(fā)電廠排出的高爐粉煤灰，二級灰，比表面積為423 m2/kg，化學(xué)組成及燒失量見表1；

玻璃粉：玻璃粉是由啤酒瓶破碎后在球磨機中粉磨而成。比表面積為400 m2/kg，其粉體質(zhì)輕順滑，呈白色；

水玻璃： 液體硅酸鈉，模數(shù)n為3.3 ，固含量約為37%；

氫氧化鈉：分析純，片狀樣品。

表1　原料的化學(xué)成分

2.2試驗方案

選用玻璃微粉摻量、水玻璃摻量及模數(shù)、水灰比和養(yǎng)護溫度等5個因素，每個因素各取4個水平，以抗壓強度為考核指標(biāo)，應(yīng)用L16(45)正交表，因素水平表見表2 ，實驗方案見表3。

表2　因素與水平表

2.3試驗方法

將氫氧化鈉、水玻璃和水等按一定的比例配制成一定模數(shù)的溶液, 陳放24 h后，再將其摻入按照正交實驗方案設(shè)計的配比混合均勻的粉煤灰和玻璃粉中進行攪拌。將攪拌好的漿液注入40 mm×40 mm×40 mm的小試模中振動成型，每組6個試塊，隨后用保鮮膜覆蓋，在一定的養(yǎng)護溫度，相對濕度大于90%的條件下養(yǎng)護至有足夠強度后脫模，用保鮮膜包裹起來置于室內(nèi)養(yǎng)護至7 d，按照GB17671-1999《水泥膠砂強度強度檢驗方法》測定其抗壓強度。

3　結(jié)果與討論

從表3可以看出，水玻璃摻量極差R最大，水灰比的極差R次之，玻璃摻量的極差R再次之，養(yǎng)護溫度的極差較小，水玻璃模數(shù)的極差R最小，即各因素對地質(zhì)聚合物7 d抗壓強度影響高低的排序為B>D>A>E>C。根據(jù)各因素下均值k1、k2和k3大小比較可以得出本試驗的最佳工藝制度為B4D1A4E2C4，即水玻璃摻量12%，水灰比0.35，玻璃微粉摻量30%，養(yǎng)護溫度40 ℃，水玻璃模數(shù)1.6。為了更直觀的分析各個因素對抗壓強度的影響，根據(jù)表3繪制了平均強度變化趨勢圖，見圖1。

表3　正交試驗結(jié)果

續(xù)表

圖1　強度變化趨勢圖Fig.1　Compressive strength trend chart

3.1玻璃摻量對地質(zhì)聚合物強度的影響

從表3和圖1可以看出，制品強度隨著玻璃摻量的增加而增大。玻璃摻量較小時，制品強度隨著摻量的增加迅速增大，摻量由0%增至10%和20%時 ，強度增加幅度分別為12.64%和30.69%。但當(dāng)其摻量為30%時強度增加幅度僅為4.7%，因而再繼續(xù)增加玻璃摻量對強度的貢獻基本較小。玻璃是含有大量硅和鈣的具有無定形微觀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽材料。理論上只要粉磨至一定細(xì)度就會具有火山灰活性。玻璃微粉的火山灰反應(yīng)化學(xué)方程式如下[4]：

SiO2+2OH-→nlCaO·SiO2·n2H2O(s)(C-S-H)

玻璃微粉越細(xì)，養(yǎng)護溫度越高，其火山灰活性越好[5]。因而廢玻璃完全可以部分取代粉煤灰作為地質(zhì)聚合物的原材料。

另外，玻璃微粉具有一定的微集料作用。首先，廢棄玻璃經(jīng)過粉磨后，表面具多棱角的特性，可增加反應(yīng)接觸面，增強水化產(chǎn)物與微集料之間黏結(jié)效果；其次，玻璃粉的吸水率低，很多廢棄玻璃的吸水率幾乎接近零，手工預(yù)混的拌合物中玻璃微粉摻量越大，需水量越小，在水灰比較小的情況下，能使混合物更均勻的分散在漿體中，進而增大地質(zhì)聚合物的強度。再次，玻璃微粉還具有較高的硬度，可進一步提高其強度。

3.2水玻璃摻量對地質(zhì)聚合物強度的影響

從表3來看，水玻璃摻量對抗壓強度的影響始終最大。由圖1可知，水玻璃摻量較小時強度基本不受其影響，但當(dāng)其摻量超過6%時，隨著水玻璃摻量的增加地質(zhì)聚合物的抗壓強度持續(xù)增加，這表明水玻璃摻量越高對抗壓強度越有利。水玻璃摻量從6%增至10%時，地質(zhì)聚合物抗壓強度顯著增強，提升了7.84 MPa，增長幅度為45.68%，但從10%到12%時，抗壓強度雖有增加，但僅增加了4.41 MPa，因而即便再增加水玻璃的摻量，強度的增長空間也不會很大，故水玻璃的最佳摻量為12%。這是因為強堿性環(huán)境使得粉煤灰和玻璃粉中的硅相和鋁相迅速溶出，并隨濃度提高而增加，溶出的硅鋁相再聚合生成地質(zhì)聚合物。聚合作用越大，鋁溶解越多，從而可加速固體顆粒的進一步溶解，這樣反應(yīng)越徹底，水解產(chǎn)物強度越高[6-7]。當(dāng)堿性激發(fā)劑摻量較小時，土聚反應(yīng)進行得不夠徹底，還有一部分強度沒有發(fā)揮出來。隨著堿性激發(fā)劑含量的繼續(xù)增大，抗壓強度表現(xiàn)出逐漸變小的趨勢，這說明過量的堿性激發(fā)劑對地質(zhì)聚合物的抗壓強度產(chǎn)生了負(fù)面的影響[8]，過量的水玻璃會在聚合反應(yīng)后殘留下來，延遲聚合物的固化時間，降低其強度。

3.3水玻璃模數(shù)對地質(zhì)聚合物強度的影響

3.4水灰比對地質(zhì)聚合物強度的影響

水灰比對抗壓強度的影響始終較大，級差9.85，最佳水灰比為0.35。從表3和圖1可以看出，水灰比從0.35增至0.45時，抗壓強度從28.15 MPa減少至18.3 MPa，隨后隨著水灰比的增加強度略有增加，僅為0.16 MPa?？箟簭姸入S著水灰比的增大而減小。這是因為材料的強度主要取決于在材料固結(jié)過程中鋁硅酸鹽凝膠相與粉煤灰顆粒之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并在二者的接觸界面上形成新的化學(xué)鍵導(dǎo)致[10]。當(dāng)水灰比較小時，漿體流動性差，不足以滿足水玻璃與粉煤灰及玻璃粉反應(yīng)所需，并且隨著水灰比增加，原料中的液相量相對增加，使得固化反應(yīng)生成的凝膠相增多，于是在凝膠相和粉煤灰顆粒之間形成化學(xué)鍵的機會相應(yīng)增加，從而使得材料的強度升高。但當(dāng)水灰比過大時，會產(chǎn)生過剩的游離水，游離水的存在增加了地質(zhì)聚合物的孔隙率，導(dǎo)致地質(zhì)聚合物密實度降低，另外隨著聚合反應(yīng)后期為縮聚反應(yīng)，本身需向體系外排水，過多的相對含水量妨礙了反應(yīng)的進行[11]，從而使強度下降。通過前期實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比小于0.35時，部分漿體稠度太大甚至無法成型，最佳水灰比為最小值0.35。

3.5養(yǎng)護溫度對地質(zhì)聚合物強度的影響

養(yǎng)護溫度對地質(zhì)聚合物的抗壓強度影響不明顯。從表3和圖1可知，隨著養(yǎng)護溫度的提高，抗壓強度變化較小，相差僅為6.38 MPa。雖然提高養(yǎng)護溫度可以加快水化速度，可以提高早期強度。但是也會加大漿體早期的化學(xué)收縮和自收縮，造成基體開裂；另外，在濕度一定的條件下，環(huán)境溫度越高，新拌混合物水分蒸發(fā)速率越大，從而引起毛細(xì)管收縮越大[12]，因此不難得出高溫養(yǎng)護更易產(chǎn)生塑性收縮裂縫；再次，水分的蒸發(fā)在試件內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽壓力，導(dǎo)致裂縫的生成及擴展[13]。三者疊加的效果是造成養(yǎng)護溫度對地質(zhì)聚合物抗壓強度影響不大的主要原因。

3.6優(yōu)選地質(zhì)聚合物性能試驗結(jié)果與分析

由正交試驗得到的最佳工藝條件B4D1A4E2C4，即水玻璃摻量12%，水灰比0.35，玻璃微粉摻量30%，養(yǎng)護溫度40 ℃，水玻璃模數(shù)1.6制備地質(zhì)聚合物，并測試其凝結(jié)時間和抗壓強度，實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4　地質(zhì)聚合物的主要技術(shù)性能

由表4可知，通過優(yōu)化設(shè)計，可制備出凝結(jié)時間正常，7 d強度可達(dá)42.35 MPa，28 d可達(dá)51.10 MPa且強度穩(wěn)定的地質(zhì)聚合物。

4　結(jié)　論

(1)利用粉煤灰和玻璃微粉為主要原材料，水玻璃為激發(fā)劑，可制備出凝結(jié)時間正常，早強高強且性能穩(wěn)定的地質(zhì)聚合物；

(2)采用正交實驗確定的優(yōu)化工藝條件為：水玻璃摻量12%，水灰比0.35，玻璃微粉摻量30%，養(yǎng)護溫度40 ℃，水玻璃模數(shù)1.6;

(3)水玻璃摻量對材料抗壓強度的最大，水灰比較大，玻璃摻量次之，養(yǎng)護溫度較小，水玻璃模數(shù)最??；

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Preparation of Geopolymer from Glass Powders and Fly-ash

ZHANGXi-ling,CHENLin,XIANGYun,WENZhong-he,WANGXian-zhong

(Department of Materials and Chemical Engineering,Pingxiang University,Pingxiang 337000,China)

Fly ash and glass powders were used as main materials to prepare geopolymer with liquid sodium silicate and sodium hydroxide solution as activator in this study. Influence of several affecting factors such as the dosage and modulus of sodium silicate, liquid-solid ratio and curing temperature etc. on the compressive strength of products were discussed. The results showed that the optimized processing condition was as follows dosage of sodium silicate 12%, water cement ratio 0.35, dosage of glass powder 30%,the curing temperature 40 ℃,module of sodium silicate 1.6. Geopolymer with normal Setting time and early high strength was prepared.

geopolymer;fly ash;glass powder;compressive strength;processing condition

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(GJJ13786)

張西玲(1975-)，女，副教授.主要從事復(fù)合型材料方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1918-05