劉天授，張曉飛，楊 浩，沈麗瑩

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100011；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<北京>，北京100083）

地聚合物最初是Joseph Davidovits[l]在1978年提出的，地質(zhì)聚合物是以高硅鋁質(zhì)含量高的天然礦石或工業(yè)廢棄物為原材料，通過(guò)堿性溶液激發(fā)而形成的新型無(wú)機(jī)聚合材料。地質(zhì)聚合物與常規(guī)的硅酸鹽水泥比較具有原料價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過(guò)程綠色無(wú)污染等特點(diǎn)。地聚合物本身的性能優(yōu)良，在高溫環(huán)境中使用性能穩(wěn)定、不怕腐蝕、耐久性強(qiáng)。地聚合物原料通過(guò)堿激發(fā)的作用，在常溫下即能形成一種以-Si-O-A1-O-為基本結(jié)構(gòu)單元的三維網(wǎng)絡(luò)狀膠凝材料[2]。與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)地聚合物材料具有強(qiáng)度高、低收縮、固化快、耐久性能好和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。

目前國(guó)內(nèi)外研究較多的用來(lái)制備地聚合物材料的原料主要有偏高嶺土、高爐礦渣、鋼渣、粉煤灰等，本文主要研究偏高嶺土地聚合物。偏高嶺土是高嶺土高溫失水后的產(chǎn)物，富含硅鋁酸鹽，目前現(xiàn)有的大量實(shí)驗(yàn)證明，單一的偏高嶺土地聚合物，固化太慢，不易形成早期強(qiáng)度，在應(yīng)用方面受到一定的限制，為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)分別在偏高嶺土中加入礦渣和CaCl2，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究礦渣和CaCl2對(duì)偏高嶺土地聚合物的激發(fā)作用，及對(duì)偏高嶺土地聚合物早期力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原材料：偏高嶺土（metakaolin，簡(jiǎn)稱MK）的原料是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O簡(jiǎn)稱2AS2H2），將高嶺土在一定溫度下進(jìn)行（600℃~900℃）煅燒，脫水后其層狀結(jié)構(gòu)被破壞，但是成分幾乎不變，制成具有更高活性的偏高嶺土。偏高嶺土的熱力學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，受堿性溶液激發(fā)可以生成凝膠材料。

本文實(shí)驗(yàn)中使用的偏高嶺土是來(lái)源于河北省靈壽縣河北捷貴礦產(chǎn)品有限公司，偏高嶺土化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 偏高嶺土的化學(xué)組成

礦渣：礦渣是煉鐵廠在高爐冶煉生鐵時(shí)所得到的以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)水淬成粒后所得的工業(yè)固體廢渣，本文實(shí)驗(yàn)中的礦渣細(xì)粉，具有很好的分散性，屬于S95級(jí)的礦渣。具有較高的火山灰活性，活性指數(shù)≥95%。

本文實(shí)驗(yàn)中使用的礦渣是來(lái)源于河北省靈壽縣博恒礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司，礦渣的化學(xué)組成見(jiàn)表2。

表2 礦渣的化學(xué)組成

堿激發(fā)劑：氫氧化鈉，品牌麥克林，由安徽佰奧生物科技有限公司生產(chǎn)，顆粒狀，純度不小于95%。

速溶硅酸鈉，俗稱泡花堿，由桐鄉(xiāng)市恒立化工有限公司生產(chǎn)，模數(shù)2.0，固含量75%。

1.2 試塊制備

按照表3和表4設(shè)計(jì)的的地聚合物各組分配合比，配置水泥漿。制備過(guò)程如圖1所示。

表3 添加CaCl2地聚合物各組分配合比

表4 添加礦渣地聚合物各組分配合比

圖1 地聚合物制備流程圖

制備地聚合物泥漿時(shí)，首先配置堿激發(fā)劑溶液，配置時(shí)NaOH會(huì)遇水放熱，溶液待溫度降到常溫再使用。然后將稱取好的固體粉末倒入水泥凈漿攪拌機(jī)中混合均勻，然后打開(kāi)攪拌機(jī)程控開(kāi)關(guān)，邊攪拌邊把配置好的堿溶液倒進(jìn)去，攪拌完成以后,將水泥漿注入到50mm×50mm×50mm試模中,用振動(dòng)篩振動(dòng)成型。然后放置于溫度為(75±2)℃，相對(duì)濕度為(80±5)%的水浴箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)24h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)3d測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

本文中測(cè)試抗壓強(qiáng)度用到的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 17671－1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》。地聚合物凝結(jié)時(shí)間用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀測(cè)定，凝結(jié)時(shí)間測(cè)試方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1346-89的方法進(jìn)行。

試驗(yàn)過(guò)程及成型試塊如圖2和圖3所示。

試塊在溫度為(75±2)℃，相對(duì)濕度為(80±5)%的水浴箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)3d后的各抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 添加CaCl2地聚合物抗壓強(qiáng)度

圖5 添加礦渣地聚合物抗壓強(qiáng)度

2.2 結(jié)果討論

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，摻入礦渣和CaCl2都可以在堿溶液的激發(fā)下和偏高嶺土發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)，凝結(jié)成塊。地聚合物的強(qiáng)度的形成，主要是活性硅鋁礦物在堿激發(fā)劑提供的堿性環(huán)境下-Si-O-Si-鍵和-Al-O-Al-鍵發(fā)生先解聚再聚合，生成-Si-OAl-O-結(jié)構(gòu)，最終形成高分子聚合的膠凝材料[7]。隨著偏高嶺土中摻入礦渣量的增多，促進(jìn)了地聚合物反應(yīng)的發(fā)生，主要是因?yàn)榈V渣的本身活性比較強(qiáng)，且含有較多的氧化鈣，礦渣與偏高嶺土發(fā)生水化反應(yīng)，生成NA-S-H凝膠和C-S-H凝膠，這兩種凝膠互相填充，致使生成的地聚合物孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更加的致密，有利于強(qiáng)度的增強(qiáng)。但是隨著礦渣摻量的增多，試塊的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，主要是反應(yīng)中產(chǎn)生了較多的CS-H凝膠，而C-S-H凝膠的形成過(guò)程中會(huì)吸收較多的水分，使地聚合物產(chǎn)生干縮、開(kāi)裂等現(xiàn)象而導(dǎo)致強(qiáng)度降[8]。CaCl2對(duì)偏高嶺土的地聚反應(yīng)也具有促進(jìn)作用，可以加快反應(yīng)的進(jìn)行，但是CaCl2與偏高嶺土在堿溶液的激發(fā)下反應(yīng)生成了白色空心顆粒物，從而嚴(yán)重降低了試塊的強(qiáng)度，且隨著CaCl2加量的增多，生成的白色顆粒也逐漸增多。

3 結(jié)論

（1）礦渣和CaCl2都對(duì)偏高嶺土的地聚反應(yīng)具有促進(jìn)作用，加快了地聚合物早期強(qiáng)度的形成。

（2）隨著礦渣摻量的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到30%的時(shí)候試塊3d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為20.1MPa。

（3）CaCl2加入偏高嶺土中，會(huì)與之反應(yīng)生產(chǎn)空心顆粒物，從而使試塊松散，嚴(yán)重影響石塊的抗壓強(qiáng)度，隨著CaCl2摻量的增加，生成的顆粒物逐漸增多，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。