劉博文 夏志浩

摘要：為探究廢棄玻璃材料在偏高嶺土地聚物中的潛在應(yīng)用價(jià)值，本文將廢棄玻璃瓶磨粉后加入偏高嶺土地聚物中，進(jìn)行了玻璃粉對(duì)地聚物的宏觀力學(xué)性能測(cè)試。首先通過正交設(shè)計(jì)方法確認(rèn)了最佳的堿激發(fā)劑模數(shù)、固含量、玻璃粉摻量、水灰比和養(yǎng)護(hù)方式組合，針對(duì)玻璃粉的加入會(huì)一定程度上劣化偏高嶺土地聚物的強(qiáng)度問題，采用抽真空和添加混雜纖維的方式進(jìn)行了玻璃微粉改性偏高嶺土地聚物的力學(xué)性能改善研究。結(jié)果表明，抽真空可以明顯改善地聚物的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，添加纖維能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折強(qiáng)度，并改善地聚物的斷裂韌性。

Abstract： In order to investigate the application potential of waste glass in Metakaolin geopolymer （MGP）， the powder milled from waste glass bottles was added to Metakaolin geopolymer to explorer the macroscopic modification mechanism. The orthogonal design method was first used to determine the best parameter combination for waste glass powder modified Metakaolin geopolymer （WMGP）， such as the alkali module and solid content， dosage of waste glass powder， water-solid ratio and curing method. For the strength deterioration as the WG mixed into the MGP， vacuuming operation and the hybrid fiber were introduced to improve the mechanical properties of WMGP. The results show that the vacuum can significantly improve the flexural strength and compressive strength of the geopolymer. Adding fiber can provide the best glass powder modified geopolymer flexural strength and improve the fracture toughness of the geopolymer.

關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物;偏高嶺土;玻璃微粉;真空;纖維

Key words： geopolymer;metakaolin;glass fine powder;vacuum;fiber

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）02-0256-03

1? 概述

偏高嶺土地聚物（MGP）是一種新型綠色可持續(xù)膠凝材料，相較于水泥，它具有抗腐蝕性好、收縮率小和碳排放低等優(yōu)點(diǎn)[1]。堿激發(fā)條件下硅氧四面體和鋁氧四面體構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予了地聚物較好的強(qiáng)度穩(wěn)定性和重金屬固化效果[2]。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來成為了很多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

固體廢棄物的大量累積會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境且造成資源浪費(fèi)。在地聚物中消耗固體廢棄物一般的目的是為提高材料性能或增加環(huán)保效益，比如在地聚物中添加鋼渣增加化學(xué)反應(yīng)速率[1]，添加粉煤灰控制化學(xué)反應(yīng)水化熱[3]，添加玻璃粉緩解環(huán)境破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)將近產(chǎn)生5000萬噸廢棄玻璃，廢玻璃回收率僅為13%，遠(yuǎn)低于50%的世界平均水平。這些玻璃隨意丟棄后極難降解，容易對(duì)人畜造成傷害。目前較多將其作為礦物摻合料用于混凝土中，討論其粒徑、摻量等對(duì)混凝土施工和易性及力學(xué)性能的影響[4-5]。

同時(shí)，也有部分研究人員進(jìn)行了玻璃粉改性地聚物特性研究[6]，討論了玻璃微粉改性地聚物的工藝參數(shù)，但尚未討論玻璃微粉改性地聚物強(qiáng)度的改善研究。本文首先通過正交試驗(yàn)確立了最佳的玻璃粉摻量及養(yǎng)護(hù)成型方式，針對(duì)玻璃粉的加入一定程度上對(duì)地聚物強(qiáng)度造成的損失，采用抽真空和摻加混雜纖維的物理手段，對(duì)玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的力學(xué)性能提升進(jìn)行了研究。

2? 原材料及工藝參數(shù)

2.1 原材料

偏高嶺土為鞏義市辰義耐材磨料有限公司生產(chǎn)，細(xì)度為1250目，活性指數(shù)≥110。玻璃微粉由廢棄啤酒瓶破碎之后在洛杉磯磨耗儀中粉磨過0.075mm方孔集料篩得到。試驗(yàn)所采用的水玻璃由山東臨沂綠森化工生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)式為Na2O·mSiO2，水玻璃為透明液體模數(shù)為3.3，固含量為34%。以此水玻璃為原料，通過添加不同量的氫氧化鈉分析純以得到所需的不同模數(shù)的水玻璃。

本試驗(yàn)所采用的纖維為玻璃纖維和礦物纖維。本實(shí)驗(yàn)采用耐堿玻璃纖維，長(zhǎng)度6mm。礦物纖維是采用特選的玄武巖等礦石為原料，在1500℃高溫熔融、提煉抽絲并經(jīng)特殊的表面處理而成，耐高溫且外表平滑完整，見圖1。

2.2 工藝參數(shù)

稱取適量的偏高嶺土和玻璃微粉混合均勻，加入配制好的堿性激發(fā)劑溶液，拌合均勻后，將膠體注入40mm×40mm×160mm三聯(lián)模具中，在水泥膠砂振實(shí)臺(tái)上成型試件。本試驗(yàn)采用L18（37）正交表，挑選出的主要因素為玻璃微粉摻量、固含量、水玻璃模數(shù)、水灰比、養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)條件，每個(gè)因素各取3個(gè)水平，如表1所示。表1中保鮮膜代表使用保鮮膜對(duì)脫模試件進(jìn)行包裹密封。

三天后采用水泥膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試件抗折和抗壓強(qiáng)度，加載速率設(shè)定為抗壓2.4kN/s，抗折是50N/s。得出玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的最佳抗折強(qiáng)度為6.8MPa，最佳抗壓強(qiáng)度為54.3MPa，對(duì)應(yīng)最佳配比為：玻璃微粉摻量10%，水玻璃模數(shù)1.4，水玻璃固含量38%，水灰比0.6，養(yǎng)護(hù)溫度20℃，養(yǎng)護(hù)條件為濕養(yǎng)。相比同等養(yǎng)護(hù)條件，不摻玻璃粉的偏高嶺土地聚物的抗壓強(qiáng)度約為56.6MPa，抗折強(qiáng)度約為7.1MPa。因此，玻璃粉的加入會(huì)略微降低地聚物強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降低了約4.22%和4.06%。但總體上，玻璃粉改性偏高嶺土地聚物的強(qiáng)度尚佳，擁有較好的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3? 力學(xué)改善效果分析

3.1 抽真空

在玻璃粉地聚物膠體攪拌均勻后，采用3.7kPa大氣壓力對(duì)膠體抽真空操作10分鐘，然后安全前述條件濕養(yǎng)3天，測(cè)試玻璃粉改性地聚物抗折抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2，其中Pure MGP代表不抽真空成型的純地聚物，WMGP_B代表不抽真空成型的玻璃粉改性地聚物，WMGP_A代表抽真空成型的玻璃粉改性地聚物。

從圖2可以看出，抽真空后玻璃粉改性地聚物的抗壓和抗折強(qiáng)度分別為59.6MPa和7.4MPa，較未抽真空的提升9.8%和8.8%。表明通過抽真空，可以大幅改善玻璃改性地聚物的抗折和抗壓強(qiáng)度。

選取抽真空前后地聚物抗折試驗(yàn)后斷面，如圖3所示?？梢钥闯?，未抽真空的玻璃粉改性地聚物斷裂面上具有明顯的肉眼可見空洞;而抽真空后地聚物斷裂面表面基本沒有肉眼可見空洞。

采用掃描電鏡SEM進(jìn)行抽真空前后玻璃粉改性地聚物微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試（圖4）。由圖4（a）可知，當(dāng)?shù)鼐畚镂闯檎婵諘r(shí)，結(jié)構(gòu)較疏散，表面凸凹明顯，有大量孔洞且在試樣表面有明顯裂紋。從圖4（b）可以看出，抽真空后的地聚物樣品表面孔洞明顯減少，樣品沒有明顯裂紋，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。表明抽真空對(duì)與地聚物內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯改善效果，這與強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比較吻合。

3.2 復(fù)摻纖維

為進(jìn)一步提升玻璃粉改性地聚物的力學(xué)性能，摻入干粉質(zhì)量3‰的混雜纖維（玻璃纖維+礦物纖維）。100份的混雜纖維中，玻璃纖維與礦物纖維的比例分別為100：0，75：25，50：50，25：75和0：100。10%玻璃摻量地聚物振動(dòng)成型后，纖維構(gòu)成對(duì)地聚物三天強(qiáng)度影響如圖4所示。

由圖5可知，從100%玻璃纖維組成到100%礦物纖維組成變化過程中，改性地聚物抗壓強(qiáng)度均值整體上遞減趨勢(shì)很緩;但若考慮強(qiáng)度變異性，則可以認(rèn)為混雜纖維組成比例變化對(duì)玻璃粉改性地聚物的抗壓強(qiáng)度幾無影響。但是混雜纖維組成對(duì)改性地聚物的抗折強(qiáng)度有明顯影響：混雜纖維組成為75%玻璃纖維+25%礦物纖維時(shí)，所得到的玻璃粉改性地聚物抗折強(qiáng)度最高7.7MPa，此時(shí)100%礦物纖維的玻璃粉改性地聚物抗折強(qiáng)度最低6.3MPa，二者相差約20%。玻璃粉改性地聚物力學(xué)性能在摻加最優(yōu)組成混雜纖維（75%玻璃纖維+25%礦物纖維）前后，抗折強(qiáng)度提高了約13.2%。從試件加載至斷裂過程中發(fā)現(xiàn)，摻加纖維后改性地聚物破壞時(shí)間有明顯延長(zhǎng)，且斷裂不似未摻加纖維時(shí)的直接脆斷。

為研究纖維對(duì)改性地聚物的斷裂韌性，采用UTM-30試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行地聚物時(shí)間的跨中單點(diǎn)加載試驗(yàn)，加載方式為0.2mm/min。對(duì)常規(guī)成型玻璃粉改性地聚物（WMGP_N）、抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_V）和摻加3‰混雜纖維（75%玻璃纖維+25%礦物纖維）的抽真空玻璃粉改性地聚物（WMGP_VF）三種地聚物7天試件進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試，得到的加載力-跨中撓度如圖6所示。

由圖6可見，未抽真空的玻璃粉改性地聚物相對(duì)其他兩種抽真空玻璃粉改性地聚物，荷載-撓度曲線斜率要更為緩和一些，結(jié)合前述抽真空后地聚物中孔洞大幅減少的現(xiàn)象，說明孔洞的存在是可以讓地聚物擁有更好的結(jié)構(gòu)柔度。兩種抽真空地聚物的荷載-撓度曲線斜率接近，說明纖維的加入對(duì)地聚物抗彎剛度改善不明顯。未摻加纖維時(shí)，抽真空地聚物相較不抽真空地聚物，結(jié)構(gòu)更密實(shí)，表現(xiàn)為破壞強(qiáng)度大而破壞撓度小;摻加纖維后，抽真空地聚物的抗彎剛度略微下降但破壞荷載和破壞撓度均有所增加，且斷裂后不像未摻纖維的地聚物荷載突變?yōu)榱?。圖6表明抽真空能增加玻璃粉改性地聚物的密實(shí)度，提高材料抗彎剛度和破壞強(qiáng)度，但也會(huì)增加材料的脆性，降低玻璃粉改性地聚物的破壞撓度。添加混雜纖維能同時(shí)增加破壞荷載和破壞撓度，改善材料韌性。

4? 結(jié)論

本文首先通過正交試驗(yàn)確立了最佳的玻璃粉摻量及養(yǎng)護(hù)成型方式，并證實(shí)了廢棄玻璃粉在偏高嶺土地聚物中的可行性。然后，通過抽真空和添加混雜纖維兩種物理方式進(jìn)行了玻璃粉改性地聚物的力學(xué)性能研究，得到的結(jié)論如下：

①最佳玻璃粉摻量為10%，但玻璃粉的摻加會(huì)略微降低偏高嶺土地聚物的強(qiáng)度。在最佳玻璃粉摻量和養(yǎng)護(hù)條件下，玻璃粉改性地聚物強(qiáng)度較純偏高嶺土地聚物強(qiáng)度下降約4%。但總體上，玻璃粉改性地聚物強(qiáng)度尚佳。

②抽真空成型能大幅降低地聚物空間孔洞，提升地聚物抗折斷裂強(qiáng)度，但會(huì)降低斷裂撓度。

③75%玻璃纖維：25%礦物纖維的混雜纖維比例能提供最佳的玻璃粉改性地聚物抗折強(qiáng)度，摻加纖維較抽真空能更好地改善玻璃粉改性地聚物的斷裂韌性。

參考文獻(xiàn)：

[1]BAI T， SONG Z G， WANG H， et al. Performance evaluation of metakaolin geopolymer modified by different solid wastes [J]. J Clean Prod， 2019， 226： 114-121.

[2]ZHANG， M.， ZHAO， M.， ZHANG， G. et al. A multiscale investigation of reaction kinetics， phase formation， and mechanical properties of metakaolin geopolymers [J]. Cement Concrete Comp， 2017， 78： 21-32.

[3]MOUNIKA M， MURALI， K. Development of low calcium fly-ash based geopolymer concrete using marble powder [J]. Int J Civ Eng， 2018， 9（3）： 815-823.

[4]劉光焰，秦榮，王曉峰.廢玻璃應(yīng)用于混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2009，8：66-68.

[5]曾超，甘元初，柯國(guó)軍，等.廢玻璃粉混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2014，33（2）：377-381.

[6]張西玲，陳林，向蕓.玻璃微粉和粉煤灰制備地質(zhì)聚合物的實(shí)驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2016，35（6）：1918-1922.

[7]HEAH C Y， KAMARUDIN H， BAKRI A M M A， et al. Study on solids-to-liquid and alkaline activator ratio on kaolin-based geopolymers， Constr Build Mater， 2012， 35（10）： 912-922.