黑龙江省公路建设中心，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2021年7月12日；录用日期：2021年7月26日；发布日期：2021年8月11日

摘要

研究了模数0.3至1.8 M范围内的硅酸钠溶液对粉煤灰掺量高达90%的粉煤灰基地质聚合物力学性能的影响。结果表明：常温养护条件下，高粉煤灰掺量的地质聚合物强度增幅良好，28天抗折强度相对于3天强度增幅为59.6%至130.2%，28天抗压强度相对于3天强度增幅范围达到123.2%至161.9%。抗压强度随龄期增幅总体高于抗折强度。对于粉煤灰掺量90%的地质聚合物胶凝浆体，硅酸钠模数对强度影响效果显著，综合考虑3天和28天抗压、抗折强度，硅酸钠溶液模数最优值为1.5 M。

关键词

地质聚合物，高掺量粉煤灰，硅酸钠模数，力学性能

Effect of Sodium Silicate Modulus on Mechanical Properties of Geopolymers with High Fly Ash Content

Wanshan Fang

Heilongjiang Provincial Highway Construction Center, Harbin Heilongjiang

Received: Jul. 12^th, 2021; accepted: Jul. 26^th, 2021; published: Aug. 11^th, 2021

ABSTRACT

The effect of sodium silicate solution with a modulus of 0.3 to 1.8 M on the mechanical properties of fly ash-based geopolymer with a fly ash content of up to 90% was studied. The results show that the strength of geopolymer with high fly ash content increases well under normal temperature curing conditions, and the 28-day flexural strength increases from 59.6% to 130.2% compared to the 3-day strength. The 28-day compressive strength increased from 123.2% to 161.9% compared to the 3-day strength. The increase of compressive strength with curing age is generally higher than that of flexural strength. For geopolymer with a fly ash content of 90%, the modulus of sodium silicate has a significant effect on strength. Considering the 3- and 28-day compressive and flexural strengths, the optimal modulus of sodium silicate solution is 1.5 M.

Keywords:Geopolymer, High Fly Ash Content, Sodium Silicate Modulus, Mechanical Properties

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1. 引言

作为水泥混凝土的必备胶凝材料，普通硅酸盐水泥的生产是一个能源密集消耗的过程，并排放大量有害的温室气体(如二氧化碳)，严重污染环境。据文献统计，生产水泥排放的二氧化碳约占全球排放量的7%，而且随着世界各地基础设施建设的激增，水泥需求量和产量也会随之增加 [1]。因此，为了减少生产普通硅酸盐水泥产生的温室气体排放的负面影响，寻找一种水泥的绿色替代品势在必行。地质聚合物混凝土显示出了成为水泥混凝土合适替代品的潜力，因为它利用了粉煤灰(代替水泥)作为粘结材料，结合碱性激发剂溶液和骨料进行生产。粉煤灰是一种传统的燃煤火力发电厂产生的废弃物，作为一种新型可持续发展材料，粉煤灰基地聚合物具有优异的工程技术性能、突出的节能环保优势和巨大的市场潜力，成为当前研究的前沿热点 [2]。研究表明，粉煤灰基地质聚合物混凝土的二氧化碳排放量要比普通混凝土低 15%，其温室气体排放主要集中在碱激活剂的制备和后期高温养护上 [3]。利用粉煤灰制备地质聚合物，不仅使固体废弃物得到资源化再利用，而且还能发挥地质聚合物在重金属离子吸附、防火保温、耐腐蚀以及低碳排放等领域的作用，从而实现资源的高效利用 [4] [5]。

目前国内外对粉煤灰基地聚合物制备以及性能进行了较为广泛研究。对粉煤灰基地聚合物早期性能进行试验研究发现，粉煤灰的掺入量会影响地质聚合物的抗压强度，当采用较低的水灰比时，制备地聚物的抗压强度更大，但水灰比太低会影响地聚物试件入模成型。搅拌的时间过长会使部分新拌和的浆体由流体状态变为塑性状态，也不利于试件成模 [6]。通过微观物相和微观形貌分析表明，粉煤灰基地聚合物抗拉强度的大小与地聚合物反应生成的凝胶物质含量有关，密实的空间网状结构可以使抗拉强度更大 [7]。通过研究养护制度对粉煤灰基地质聚合物强度影响发现，养护条件对抗压强度的增加有重要作用，适宜的高温养护方法能提高强度，使产物迅速形成大量的钠铝硅酸盐 [8] [9] [10]。对粉煤灰基地聚合物进行快速冻融的试验表明，矿渣含量增加能够降低地质聚合物的强度损失和质量损失，有效提高其抗冻性能，粉煤灰基地聚合物体系中加入矿渣可以降低孔隙率，使平均孔径和最可几孔径减小，增加无害孔的数量，减少有害孔和多害孔数量，抗冻性能优于硅酸盐水泥 [11]。对粉煤灰基地聚合物高温性能的研究表明，不同矿渣掺量试样的质量损失率均随试验温度的升高而增大，地质聚合物混凝土属于聚合反应，反应过程中水仅作为反应媒介，不参与反应，高温前后质量损失与初始制备时所添加水的质量基本吻合 [12]。

通过上述文献的分析可知，粉煤灰基地质聚合物多采用高温养护，这会增加制备成本，不利于工程上推广应用，且高温养护会增加二氧化碳排放量，不利于节能减排。因此，本研究中采用了常温标准条件养护。另外，为了充分利用粉煤灰，提高地质聚合物中粉煤灰比率，本研究采用10%的矿粉替代率，将粉煤灰掺入量提高到90%，研究了作为碱激发剂的不同模数硅酸钠溶液对高掺量粉煤灰地质聚合物胶凝浆体性能的影响情况。

2. 试验材料和试验程序

2.1. 原材料和配合比

试验采用一级粉煤灰和S95级矿渣，粉煤灰和矿渣的化学组成见表1，碱激发剂包括硅酸钠和氢氧化钠，液体硅酸钠(Na₂O∙nSiO₂)为半透明粘稠状液体，其基本参数见表2。氢氧化钠为纯度99%的工业级白色片状固体。

表1. 粉煤灰和矿渣的化学成分

表2. 硅酸钠基本参数

试验设计中，水胶比W/B固定为0.4，采用10%质量分数的矿渣替代粉煤灰，通过氢氧化钠溶液将硅酸钠溶液模数调整为0.3至1.8 M，试验配合比如表3所示。

表3. 试验配合比

2.2. 试验程序

首先，采用水泥胶砂搅拌机将粉煤灰和矿渣搅拌均匀，倒入调配好模数的硅酸钠溶液，搅拌均匀后入模，养护48小时脱膜，放入水中常温养护至测试龄期进行测试。试件尺寸为40 * 40 * 160 mm的棱柱体试块。力学性能试验按照规范GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，抗折强度测试(图1所示)每组3个试块，抗压强度测试(图2所示)每组6个试块，测试后取平均值以减少试验误差。

图1. 抗折强度测试装置

图2. 抗压强度测试装置

3. 试验结果与讨论

3.1. 抗折强度

高粉煤灰掺量地质聚合物试块抗折强度试验结果如表4和图3、图4所示。图3为硅酸钠溶液模数对3天龄期地聚物抗折强度的影响。可知，地聚物3天龄期抗折强度随硅酸钠模数增加，先上升后有所下降，F1组中硅酸钠模数为0.3 M，其3天抗折强度为0.69 MPa，当硅酸钠模数为1.2 M时，3天抗折强度值最大，为1.41 MPa，相比F1组增加了104.3%。F6组当硅酸钠模数增加至1.8 M时，抗折强度值为0.86 MPa，相比F1增加了24.6%。

表4. 抗折强度试验结果

图3. 3天抗折强度

图4为试块28天龄期抗折强度测试结果，与3天抗折强度变化相似，随着硅酸钠模数增加，28天抗折强度总体呈先增加后降低趋势。F1组硅酸钠模数为0.3 M时，强度为1.43 MPa，F3、F4和F5组强度值差别较小，F5组硅酸钠模数1.5 M时28天抗折强度最大，为2.42 MPa，相比F1组增幅为69.2%。

图4. 28天抗折强度

3.2. 抗压强度

高粉煤灰掺量地质聚合物抗压强度试验结果如表5和图5、图6所示。图5为硅酸钠模数对3天龄期地聚物试块抗压强度的影响。F1至F5组中，可知，硅酸钠模数从0.3 M增加至1.5 M时，3天抗压强度值从3.02 MPa依次增加至8.14 MPa，增幅达到169.5%。F6组强度值虽有所降低，但相比F1组仍增加了129.1%。

表5. 抗压强度试验结果

图5. 3天抗压强度

图6为粉煤灰基地聚物28天龄期抗压强度值，与图5对比可知，同样F5组抗压强度值最大，为F1组7.91 MPa的1.29倍。首先，硅酸钠的模数越高，其黏度明显增大。其次，硅酸钠的模数决定着硅酸钠溶液中硅氧四面体的聚合状态，在硅酸钠模数较高的溶液中，硅氧四面体的聚合程度较高，而且单聚体和单体数量相对较少，其活性与模数较低的硅酸钠溶液活性相比较低。因此对于某一配比的粉煤灰基地聚物前驱体，硅酸钠模数存在一个适宜区间。本研究中硅酸钠溶液模数1.5 M为最优模数。

图6. 28天抗压强度

4. 结论

1) 常温养护条件下，90%粉煤灰掺量的粉煤灰基地质聚合物强度增长幅度良好，28天抗折强度相对于3天强度增幅范围为59.6%至130.2%，28天抗压强度相对于3天强度增幅范围为123.2%至161.9%。抗压强度随龄期增幅总体高于抗折强度。

2) 对于粉煤灰掺量90%的地质聚合物胶凝体系，硅酸钠模数对强度影响效果显著，综合考虑3天和28天抗压、抗折强度，可知硅酸钠模数最优值为1.5 M。

文章引用

房万山. 硅酸钠模数对高粉煤灰掺量地质聚合物力学性能的影响
Effect of Sodium Silicate Modulus on Mechanical Properties of Geopolymers with High Fly Ash Content[J]. 土木工程, 2021, 10(08): 721-727. https://doi.org/10.12677/HJCE.2021.108082

参考文献