堿激發(fā)粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備與力學(xué)性能

1、堿激發(fā)粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備與力學(xué)性能 （西安建筑科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料工程0801班 08號(hào)）摘要：以粉煤灰為硅鋁成分的主要來(lái)源制備了地質(zhì)聚合物材料重點(diǎn)探討了激發(fā)劑的陳化時(shí)間、固液混料時(shí)的攪拌時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)方式等工藝參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)工藝條件優(yōu)化。地質(zhì)聚合物材料抗壓強(qiáng)度將有大幅度增加。實(shí)驗(yàn)獲得了理想的工藝條件為：激發(fā)刑陳化2448h固液混合攪拌時(shí)間101 5min，在6080范圍內(nèi)濕法養(yǎng)護(hù)時(shí)間24h后自然放置。實(shí)驗(yàn)制備的粉煤灰地質(zhì)聚合物材料1d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到272mpa28d可以達(dá)到425mpa。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物 ，粉煤灰， 堿激發(fā)abs

2、tract：the geopolymers were made of fly ash，which contains a lot of active silicates and aluminatesthe various parameters of process were discussed，including the rest period of active curing conditionsthe compressive strength of geopolymers，synthesized under optimized conditions，was increased greatly

3、，with the maximum being 272mpa measured after aging for one day and 425mpa for 28 daysthe rest period of active solution is between 2448 hoursthe mixing time is between 1 0-1 5minthe samples was cured in the sealed bags at 6080for 24hkeys words：geopolymers，fly ash，alkali stimulate 引言：地質(zhì)聚合物是一種堿激發(fā)膠凝材料

4、 ，其制備過(guò)程中二氧化碳的噸排放量?jī)H為普通硅酸鹽水泥的l1015 ，是一種環(huán)境友好的材料，有可能在某些地方替代普通硅酸鹽水泥 ，因此該材料的研究是國(guó)際上的熱點(diǎn)。粉煤灰是一種很好的可以用來(lái)制備地質(zhì)聚合物的原料 。地質(zhì)聚合物材料的結(jié)構(gòu)和性能受多種因素影響，從內(nèi)因上講，主要包括了激發(fā)劑的種類和其中的sim(m=k、na、ca)比 ；富含硅鋁成分固體原料的化學(xué)成分、物理性能、物相組成和反應(yīng)活性 ，尤其是樣品中的siai比 ；還有固液比或水灰比等。外在因素主要是材料制備過(guò)程中的工藝參數(shù)，例如激發(fā)劑陳化時(shí)間；外加劑種類，如減水劑或超塑劑；固液混合攪拌時(shí)間 ；成型方法，例如干壓成型 ；養(yǎng)護(hù)制度，例如溫度 、

5、時(shí)間和濕度忙 ；和其他輔助條件，如超聲波 養(yǎng)護(hù)等。目前，更多的研究工作集中在材料的內(nèi)在影響因素方面。原材料： 利用粉煤灰是保護(hù)環(huán)境的需要。粉煤灰是燃煤電廠或其它燃煤設(shè)備排放的廢棄物，是一種嚴(yán)重的環(huán)境污染物。粉煤灰是一種顆粒微小的粉塵，在大風(fēng)天氣下會(huì)造成揚(yáng)塵，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。目前燃煤飛灰己經(jīng)成為我國(guó)大多數(shù)城市的粉塵貢獻(xiàn)者。細(xì)微粉塵在大氣中停留時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)隨大氣流動(dòng)輸運(yùn)到其他地方，造成局部區(qū)域的大氣污染，人如果長(zhǎng)時(shí)間呼吸這種空氣會(huì)引起嚴(yán)重的呼吸道疾病;在下雨天氣若管理不當(dāng)會(huì)把粉煤灰沖入水源，影響地表水質(zhì)，有的甚至能夠滲入地下污染地下水;由于粉煤灰中含有大量的重金屬離子和放射性物質(zhì)，會(huì)對(duì)植被、人畜

6、造成傷害。因此對(duì)粉煤灰的后續(xù)管理要付出很大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，粉煤灰污染已經(jīng)成為我國(guó)西部建設(shè)能源基地的障礙。因此，如果能利用粉煤灰制備出可以實(shí)用的地質(zhì)聚合物材料，對(duì)解決粉煤灰的污染問(wèn)題是非常重要的，我國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)家，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)1.3萬(wàn)多億噸，占世里煤炭?jī)?chǔ)量的33.8%，可采量位居第二，產(chǎn)量位居世界第一位，出口量?jī)H次于澳大利亞而居于第二位。煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對(duì)主要位置，50年代曾高達(dá)90%。隨著大慶油田、渤海油田的發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)，一次性能源結(jié)構(gòu)才有了一定程度的改變，但煤仍然占到70%以上。在中國(guó)可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告中，20多位院士一致認(rèn)為，到2010年煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消

7、費(fèi)中將占60%左右;到2050年，煤炭所占比例不會(huì)低于50%。大量煤炭的使用必然會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰。目前，粉煤灰年排放量在1.6億噸以上，存積量超過(guò)10億噸叫。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)煤的利用將持續(xù)增加，特別是電力、水泥制造等將產(chǎn)生大量的粉煤灰。粉煤灰：電廠粉煤灰粉煤灰是煤粉燃燒后，由煙氣自鍋爐中帶出的粉狀殘留物。它是一種人工火山灰質(zhì)材料，即一種硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)材料。粉煤灰的性能具有較大的波動(dòng)性，它不僅與煤種、煤源有關(guān)，同時(shí)亦取決于鍋爐的類型、運(yùn)行條件收塵及排灰方式。粉煤灰的成分比較復(fù)雜，不同國(guó)家和地區(qū)的粉煤灰成分相差比較大，甚至同一電廠不同時(shí)期生產(chǎn)的粉煤灰的成分也不相同。由于不同成分的粉煤灰性

8、質(zhì)差別較大，因此綜合利用粉煤灰必須對(duì)其成分進(jìn)行測(cè)定。我國(guó)電廠粉煤灰的主要成分為:sio2、a1203、 cao 、tio2、mgo、k2o、na2o、so3、mno、p2o5等。由于成分、燃燒條件等的不同，粉煤灰在排出冷卻過(guò)程中形成的物相也不盡相同。比如:氧化硅及氧化鋁含量較高的玻璃珠在高溫冷卻的過(guò)程中逐步析出石英及莫來(lái)石晶體，氧化鐵含量較高的玻璃珠則析出赤鐵礦和磁鐵礦。另外，粉煤灰中晶體礦物的含量與粉煤灰冷卻速度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度較快時(shí)，玻璃體含量較多;反之，玻璃體容易析晶?？梢?jiàn)，從物相上講，粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物。其礦物組成的波動(dòng)范圍較大。一般晶體礦物為石英、莫來(lái)石、磁

9、鐵礦、氧化鎂、生石灰及無(wú)水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無(wú)定型碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上。粉煤灰通常以顆粒形態(tài)存在，各顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)、礦物組成、密度、強(qiáng)度等都不相同，根據(jù)顆粒形狀的不同，可分為珠狀顆粒和渣狀顆粒兩大類。珠狀顆粒又分為漂珠和沉珠兩大類。其中漂珠是空心的，密度比水小，可以漂浮在水面上，故稱漂珠;沉珠又分為空心沉珠、實(shí)心沉珠、富鐵沉珠等。粉煤灰的活性包括物理活性和化學(xué)活性兩個(gè)方面。物理活性是粉煤灰形態(tài)效應(yīng)、微級(jí)料效應(yīng)等的總和。所謂形態(tài)效應(yīng)是指粉煤灰顆粒的外觀形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性狀所產(chǎn)生的效應(yīng);微集料效應(yīng)是指粉煤灰微粒均勻的分散在填充物中，填充空隙和

10、毛細(xì)縫，改善材料的孔結(jié)構(gòu)和增大密實(shí)度?；瘜W(xué)活性主要指火山灰效應(yīng)，指粉煤灰在堿性作用下會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，生成不溶、安定的硅鋁酸鈣鹽，使材料在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度可以不斷提高。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：恒溫養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)： 溫度調(diào)節(jié)范圍為30一120并可達(dá)到穩(wěn)定控制，濕度可達(dá)90%以上，達(dá)到 gb/t17671一1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(150法)的要求標(biāo)準(zhǔn)。 自制模具：實(shí)驗(yàn)中采用自制模具，為40*40*160mm的三聯(lián)模，模具的底座為帶垂直向上插栓的不銹鋼板，側(cè)面為帶插孔的pvc塑料，能在150下不發(fā)生變形，整個(gè)模具的側(cè)面都可以沿插栓方向自由拆卸，便于脫模。制備過(guò)程及方法：稱取一定量粉磨好的粉煤灰和防水劑，放到水泥凈漿

11、機(jī)中攪拌均勻，倒入溶解好的一定濃度的na2sio3溶液并充分?jǐn)噭?，然后將粉煤灰漿料倒入40 *40 *160 mm自制的三聯(lián)模中，在水泥膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)成型。將成型后的樣品放到恒溫水浴鍋中養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，分別測(cè)試其7天、28天、60天的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 材料強(qiáng)度測(cè)試方法：測(cè)試方法參照gb/t17671一1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(150)。利用英斯特朗有限公司生產(chǎn)的8801電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。各因素對(duì)材料性能影響及機(jī)理分析：球磨時(shí)間對(duì)材料強(qiáng)度的影響：球磨時(shí)間對(duì)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有較顯著的影響，其影響趨勢(shì)基本一致，但對(duì)抗折強(qiáng)度的影響顯著于對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

12、。對(duì)7天的抗著強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)程與28天和60天的差別較大，7天時(shí)材料強(qiáng)度剛剛形成，28天后才逐步達(dá)到穩(wěn)定其影響進(jìn)程是有所不同的。粉煤灰經(jīng)球磨后對(duì)材料強(qiáng)度的影響，是由于粒度降低造成的。粉煤灰經(jīng)機(jī)械粉磨，含玻璃珠的粗顆粒即微珠粘聯(lián)體被分散成單個(gè)微珠，較大的玻璃體和炭粒變成細(xì)屑，雖然顆粒比表面積增大，表面吸附的水量增加，但是球形顆粒增多，發(fā)揮“滾珠”作用，使體系的流動(dòng)性增加，和易性改善，從而減少了需水量。一些結(jié)構(gòu)薄弱的薄壁空心顆粒被擠破，其內(nèi)部的微珠外露分散，形成大量的新表面和表面活性中心，而且球形微珠的增多也使需水量降低。另一方面，玻璃微珠表面惰性層被磨去，也增加了表面活性點(diǎn)，和加快了活性

13、sio2，a1203的溶出和水化。的速度，提高了粉煤灰的活性，更容易在地質(zhì)聚合物內(nèi)部形成更為完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度 。加堿量對(duì)材料強(qiáng)度的影響: 粉煤灰活性的獲得主要靠堿激發(fā)來(lái)完成，因此加堿量是影響粉煤灰地質(zhì)聚合物的最主要因素，雖然加堿量對(duì)粉煤灰強(qiáng)度有很大的影響，但其對(duì)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)的影響是不同的。隨著加堿量的增加，粉煤灰地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度也在增加，當(dāng)加堿量達(dá)到6%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后隨著加堿量的增加抗折強(qiáng)度又在減小，當(dāng)加堿量達(dá)到8%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到很低，后來(lái)隨著時(shí)間的推移和加堿量的增加，后期抗折強(qiáng)度基本增長(zhǎng)不大;對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，隨著加堿量的增加，粉煤灰地質(zhì)聚

14、合物的強(qiáng)度是在增加的，但當(dāng)達(dá)到6%以后，抗壓強(qiáng)度變化就比較小了。在粉煤灰地質(zhì)聚合物成形的過(guò)程中需要在震實(shí)臺(tái)上震實(shí)成型，由于漿體的劇烈震動(dòng)，含有大量na2si03溶液的漿體聚集在材料的上表面，這就使得硬化后的聚合物材料表面強(qiáng)度大于內(nèi)部，在表面形成一層硬脆的玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的抗折強(qiáng)度造成不利影響。雖然材料的局部抗壓強(qiáng)度可能比較高，但整體抗折強(qiáng)度會(huì)大大折扣 ，28d抗壓強(qiáng)度最佳加堿量是28d抗折強(qiáng)度最佳加堿量的 1.67倍 。粉煤灰地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理如下:首先，na2sio3 在水溶液中水解成na0h，使液相中含有大量的氫氧根離子 ，溶液的ph值升高。在氫氧根離子的作用下，粉煤灰顆粒表面的非晶s

15、i-o和al-o鍵斷裂，氫氧根離子濃度越大，對(duì)si-o和al一o鍵破壞作用越強(qiáng),si-o和al一o 鍵破壞后，形成富含硅、鋁酸低聚體 。這些低聚體進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)形成離子團(tuán)，最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).因此堿激發(fā)是個(gè)定量反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程，合適的加堿量是保證材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。加堿過(guò)少，不能有效激發(fā)粉煤灰的活性;加堿過(guò)多富余的。會(huì)在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中獲得結(jié)晶水形成，對(duì)材料形成潛在威脅。雖然在早期可以起到粘合劑的作用，對(duì)粉煤灰地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)，但成型以后，在長(zhǎng)期干燥及溫度較高的環(huán)境中會(huì)全部或部分失去結(jié)晶水，在材料內(nèi)部形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成材料強(qiáng)度急劇衰減。特別是在水灰比很低的情況下,的形成會(huì)使材料內(nèi)部收縮造成

16、裂縫，因此，要保證粉煤灰地質(zhì)聚合物有必要的強(qiáng)度和耐久性，必須對(duì)加堿量有合適控制，一般應(yīng)控制在10%以內(nèi)，但不能低于6%。養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)材料強(qiáng)度的影響：一般來(lái)說(shuō)，蒸養(yǎng)是在較高溫度下進(jìn)行的這樣可以增加的溶出度更容易破壞硅鋁玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高粉煤灰的活性，同時(shí)堿溶液在高溫下堿性也可以得到增強(qiáng)，這樣可以促進(jìn)反應(yīng)盡可能快及盡可能充分地進(jìn)行。正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于抗折強(qiáng)度，在養(yǎng)護(hù)4h的情況下達(dá)到最大，而抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)24h時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大?？梢?jiàn)抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)是不同步的，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)4h時(shí)，抗折強(qiáng)度變化規(guī)律不很明顯而抗壓強(qiáng)度緩慢增加。因此為了獲得較高的抗折強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)以不超過(guò)4h為宜。由于在常

17、溫下堿激發(fā)反應(yīng)也會(huì)緩慢進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之緩慢提高，因此養(yǎng)護(hù)4h后的聚合物材料隨著時(shí)間的推移其抗壓強(qiáng)度仍會(huì)達(dá)到較高水平。 養(yǎng)護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，地質(zhì)聚合物材料強(qiáng)度會(huì)下降，因此在保證粉煤灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的前提下，為了節(jié)省能源，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)以4h為宜。水灰比對(duì)材料強(qiáng)度的影響：水灰比是影響地質(zhì)聚合物強(qiáng)度和性能的重要因素，水灰比對(duì)地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度與28天及60天的相差較大，但在28天以后漸趨平穩(wěn)，不管是抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度都基本一致。水灰比對(duì)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響基本上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即水灰比低的，強(qiáng)度較高。當(dāng)摻入水過(guò)多時(shí)，多余的水由于沒(méi)有參與化學(xué)反應(yīng)而滯留在地質(zhì)聚合物內(nèi)部，隨著時(shí)間的推移會(huì)在內(nèi)部形成毛細(xì)管，多余水分會(huì)通過(guò)毛細(xì)管散發(fā)出來(lái)。大量毛細(xì)管的形成將對(duì)地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度造成不利影響，因此，水灰比越低越好。但在工程實(shí)踐中水灰比的確定還要考慮粉煤灰凝膠體的和易性，在保證和易性良好的前提下應(yīng)盡可能降低水灰比，以提高地質(zhì)聚合物的性能。主要參考文獻(xiàn)：1倪文，王恩，周佳.地質(zhì)聚合物21世紀(jì)的綠色膠凝材料j.產(chǎn)業(yè)論壇.2003，(6):24一282 袁鴻昌，江堯忠，地聚合物材料的發(fā)展及其在我國(guó)的應(yīng)用前景j.硅酸鹽通報(bào).1998，(2):46一53 張?jiān)粕?，孫偉，沙建芳等.粉煤灰地聚合物混凝土的制備及其特性j.混凝土與水泥制品.2003，