碱_偏高岭土胶凝材料的凝结硬化性能研究_郑娟荣
偏高岭土地质聚合物的制备及其抗压强度研究
本文为偏高岭土地质聚合物的制备提供了有效的借鉴。
关 键 词 ：偏 高 岭 土 ；碱 当 量 ；液 固 比 ；抗压强度
中 图 分 类 号 ：TU4 1 1.6
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1005-8249 ( 2019 ) 06-0031-06
YI Ming,WU Dazhi,XIA Linling (School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang Sci-T ech University,HangZhou 310018, C hina) A bstract：The paper based on the preparation of geopolymer by alkali activation of metakaolin, the mix proprtion was optimized to prepare
( 浙 江 理 工 大 学 建 筑 工 程 学 院 ，杭 州 310018)
摘 要 ：在采用偏高岭土碱激发制备地质聚合物的基础上，优 化 配 合 比 ，为 制 备 出 早 期 强 度 较 高 的 地 质 聚 合 物 。
以 N aO H 和水玻璃为复合碱激发剂，研究水玻璃模数、碱 当 量 、液固比以及养护条件对偏高岭土地质聚合物抗压强度
geopolymer with high early strength, metakaolingeopolymer was prepared through NaOH with sodium silicate alkali activation under modulus of sodium silicate, different alkali content, liquid-solid ratio as well as curing methods. The compressive strength of these samples were tested. The results indicate that the maximum strength of 53.7 MPa was obtained when m etakaolin reached to 130g, modulus of sodium silicate reached to 1.0, alkali content reached to 11% liquid-solid ratio reached to 0.31, meanwhile the standard curing should be used at third days of testing. Besides , when the initial liq uid-solid ratio was 0.31, the strength of geopolymer at different modulus should be the best. This paper provided an effective reference for the preparation of metakaolin geopolymer.
高岭土的水泥胶凝材料性能研究
高岭土的水泥胶凝材料性能研究高岭土（Kaolin）是一种常见的工业原料，广泛应用于陶瓷、涂料、橡胶和塑料等领域。
然而，最近的研究表明高岭土在水泥胶凝材料中也具有良好的应用潜力。
本文将着重探讨高岭土在水泥胶凝材料中的性能研究。
首先，高岭土作为一种主要成分添加到水泥胶凝材料中，对材料的物理性能有显著影响。
研究发现，适量添加高岭土可以提高水泥的延展性和可塑性，使其更容易加工和塑造。
同时，高岭土还能够改善材料的耐久性，减少开裂和腐蚀的风险。
由于高岭土具有较高的亲水性，它能够吸收周围环境中的水分，降低水泥胶凝材料的吸水率和渗透性，延长其使用寿命。
其次，高岭土还对水泥胶凝材料的力学性能产生一定的影响。
通过添加高岭土，可以有效增强水泥的抗压强度和抗拉强度，提高材料的整体强度和耐久性。
研究表明，适量添加高岭土能够显著提高水泥材料的力学性能，并使其满足特定的工程要求。
此外，高岭土还具有颗粒细小的特点，能够填充水泥材料的微观空隙，增加材料的致密性，从而提高其抗渗性和抗冻性能。
除了物理和力学性能，高岭土还可以对水泥胶凝材料的化学性能产生一些改变。
研究发现，高岭土中的氧化铝和硅酸盐物质可以与水泥中的部分成分反应，形成新的凝胶相，从而增强材料的胶凝效应。
通过添加适量的高岭土，可以提高水泥胶凝材料的初凝时间和终凝时间，使其在施工过程中更易操作和控制。
此外，高岭土还能够吸附和稳定水泥中的有害离子，减少其对环境的污染。
此外，高岭土在水泥胶凝材料中的研究还有一些新的进展。
最近的研究表明，将高岭土与其他廉价原料结合使用，如石灰石粉和矿渣粉等，可以进一步提高水泥胶凝材料的性能。
另外，通过改变高岭土的粒径和表面处理方式，也能够调控水泥胶凝材料的性能和微观结构。
这些创新的研究对于开发新型高岭土水泥胶凝材料具有重要意义。
综上所述，高岭土作为一种常见的工业原料，在水泥胶凝材料中具有广泛的应用前景。
添加适量的高岭土可以改善水泥胶凝材料的物理性能、力学性能和化学性能，从而提高材料的工程性能和耐久性。
地聚物胶凝材料制备与性能研究
目录摘要 (1)1．前言 (3)1.1 课题研究的意义 (3)1.2 地聚物胶凝材料 (3)1.2.1 地聚物胶凝材料的应用前景 (3)1.2.2 国内外研究现状 (5)1.3 研究的目的与主要内容 (6)2．实验原料、工艺、仪器 (7)2.1 原材料 (7)2.1.1 粘土 (7)2.1.2 碱性激活剂 (7)2.2 水玻璃模数的调配 (7)2.3 实验仪器 (7)2.3.1 工艺仪器 (7)2.3.2 测试仪器 (8)3．地聚物胶凝材料制备工艺的研究 (9)3.1 不同产地的粘土对地聚物胶凝材料性能的影响 (9)3.2 煅烧温度的影响 (10)3.3 水玻璃模数的影响 (11)3.4 碱含量的影响 (12)4．地聚物胶凝材料的聚合产物及聚合机理 (13)4.1 地聚物胶凝材料的聚合产物 (13)4.1.1 地聚物胶凝材料的SEM分析 (13)4.1.2 地聚物胶凝材料的XRD分析 (17)4.1.3 地聚物胶凝材料的DTA分析 (18)4.2 地聚物胶凝材料的聚合机理 (20)5. 结论与展望 (22)致谢 (23)参考文献 (24)摘要地聚物胶凝材料具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源的优点，是一种新型“绿色环保”材料，从地聚物胶凝材料水泥的发展势头来看，极有望取代传统的波特兰水泥，在不久的将来成为一大宗建筑材料，其研究和发展必将对我国经济建设和社会可持续发展产生深远的影响。
本文对影响地聚物胶凝材料制备工艺条件的主要因素进行了初步的探索。
通过调整水玻璃模数、煅烧温度、碱含量，达到了提高地聚物胶凝材料早期强度的目的。
并找到强度最佳时的各因素的配比量；通过对水化物应用X射线衍射（XRD）、扫描电镜(SEM)、差热分析（DTA）等测试手段，对地聚物胶凝材料的显微结构、矿物成分、矿物形貌进行了综合分析，并且描述了地聚物胶凝材料水泥的聚合机理及产物结构，表明由高岭土生成的无定形偏高岭土在碱激发剂作用下的聚合反应是地聚物胶凝材料高强度时的结构形成的主要原因。
粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物胶凝材料的研究
粒 ， 有较 高 的 火 山 灰 活 性 。据 统 计 ， 国 每 年 具 我
引 言
地 质 聚合物胶 凝 材料是 近 年来 国际上研究 非 常 活跃 的非金 属材 料 之一 ， 是 以偏 高 岭 土 或 其 他 硅 它 铝 质材 料 为主要 原料 ， 经碱 激发 ， 较低 温度 条件 下 在 反 应 得到 的一类 新型无 机 聚合 物材 料 。和硅 酸盐 水
得的地质聚合物 ， 受压破坏面物相成分较杂乱 ， 较多的球状粉煤 灰颗粒和裂缝 ； 单 用偏高岭 其 有 与
土作原 料制备的地质聚合物相 比， 试样 各龄期抗压强度值均不高 。 关键词 ： 地质聚合物胶凝 材料 ； 粉煤灰 ； 抗压强度 ； 观形貌 微
中 图 分 类 号 ：Ｑ ７ Ｔ ５ ６ Ｔ １７。Ｕ ２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０４ ７ ５ （０ １ ０ —０ ７ ０ １０ —００ ２ １ ）２０ ０ —４
第３ ｌ卷 第 ２期
２ １ 年 ４月 ０１
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粉 煤 灰 一 高 岭 土 基 地 质 聚 合 物 胶 凝 材 料 的 研 究 偏
表 １ 粉煤 灰 的化 学 组 成 ％
料 的 主要 原料 ， 者性 质类 似 。近几 年 ， 两 由于偏 高岭 土价格 不断攀 升 ， 一 定 程 度 上 限 制 了其 发展 。粉 在
煤灰 是火 力发 电厂 的副 产 品 ， 一 种 极 细 的球 状 颗 是
偏高岭土作为深水低温水泥浆增强剂的研究
偏高岭土作为深水低温水泥浆增强剂的研究宋茂林，崔策，冯颖韬(中海油服油田化学研究院，河北 廊坊 065201)摘要：深水低温是深水固井面临的最直接的难题。
文章以偏高岭土为增强剂，探究了其在低温条件下对水泥浆强度的增强效果以及对水泥浆初终凝时间、流动度、体积变化率等性能的影响规律。
结果表明，在10 ℃条件下，G 级水泥中加入15%偏高岭土，24 h 抗压强度可提高71.9%，48 h 抗压强度可提高38.9%。
关键词：深水；固井；低温；偏高岭土；增强剂中图分类号：TU525文献标志码：A文章编号：1008-4800(2021)08-0089-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2021.08.044Study on Metakaolin as Reinforcing Agent for Deep Water Cryogenic Cement SlurrySONG Mao-lin , CUI Ce , FENG Ying-tao(Oilfield Chemistry R&D Institute, COSL, Langfang 065201, China)Abstract :Low temperature is one of the most immediate challenges facing deep water cementing.In this paper, metakaolin was used as a reinforcing agent to explore its effect on the strength of cement under low temperature conditions and its influence on the initial and final setting time, fluidity, volume change rate and other properties of cement slurry.The results showed that adding 15% metakaolin to grade G cement can increase the compressive strength of 71.9% in 24 hours and 38.9% in 48 hours under the condition of 10 ℃.Keywords :deep water; cementing; low temperature; metakaolin; reinforcing agent0 引言随着国家“海洋战略”的提出，我国加强了深水油气资源的勘探开发力度[1-2]。
碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究
第42卷第8期2023年8月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.8August,2023碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究罗㊀哲1,黄敦文1,2,彭㊀晖1(1.长沙理工大学土木工程学院,长沙㊀410114;2.南方地区桥梁长期性能提升技术国家地方联合工程实验室,长沙㊀410114)摘要:碱激发胶凝材料是一种新型低碳材料,其液相环境的碱度普遍高于水泥基材料,势必导致碱骨料反应引起的体积变形不同于水泥基材料㊂为探究碱激发胶凝材料的碱骨料反应行为与液相碱度的关系,选取花岗岩为代表性骨料制备碱激发偏高岭土-矿渣砂浆,研究在不同浓度NaOH 溶液浸泡下的砂浆变形行为㊂结合微观分析表明,碱激发胶凝材料的体积收缩能很好地抑制碱骨料反应产生的膨胀,不同浸泡条件下碱激发偏高岭土-矿渣砂浆会呈现不同的变形行为㊂碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的膨胀是由碱骨料反应生成产物以及原类沸石结构的水化硅铝酸钠凝胶向沸石结构转化所造成的㊂当碱激发胶凝材料的孔溶液氢氧根离子浓度大于0.209mol /L 时,碱骨料反应会发生㊂关键词:碱激发胶凝材料;碱骨料反应;偏高岭土;矿渣;变形行为;液相碱度;微观结构中图分类号:TQ177㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)08-2830-07Alkali-Aggregate Reaction Mechanism of Alkali-Activated Metakaolin-Slag MortarLUO Zhe 1,HUANG Dunwen 1,2,PENG Hui 1(1.School of Civil Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China;2.National-Local Joint Engineering Laboratory of Technology for Long-Term Performance Enhancement of Bridges in Southern District,Changsha 410114,China)Abstract :Alkali-activated cementitious material is a new type of low-carbon material.The pore solution of alkali-activated cementitious materials generally has more alkalinity than cement-based materials,inevitably leading to the different volume deformation caused by alkali-aggregate reaction.Granite was selected as a representative aggregate to prepare alkali-activated metakaolin-slag mortar for exploring the relationship between the alkalinity of pore solution and alkali-aggregate reaction.The deformation behaviors of mortar immersed in the NaOH solution with different concentrations were studied.According to the microstructure analysis,it is shown that the volume shrinkage of alkali-activated cementitious materials can effectively suppress the expansion caused by alkali-aggregate reaction.Under different soaking conditions,the alkali-activated metakaolin-slag mortar exhibits different deformation behaviors.The expansion behavior of alkali-activated metakaolin-slag mortar is caused by the alkali-aggregate reaction products and the transformation from a zeolite-like structure sodium silicaluminate hydrate gel to a zeolite structure gel.Alkali-aggregate reaction would occur when the hydroxyl ion concentration in the pore solution of alkali-activated cementitious materials is greater than 0.209mol /L.Key words :alkali-activated cementitious material;alkali-aggregate reaction;metakaolin;slag;deformation behavior;alkalinity in pore solution;microstructure 收稿日期:2023-04-08;修订日期:2023-06-01基金项目:国家自然科学基金(51878068,52008036);湖南省自然科学基金(2021JJ40581);湖南省教育厅优秀青年项目(22B0344);交通基础设施安全风险管理交通运输行业重点实验室(长沙)开放基金(22KF02)作者简介:罗㊀哲(1998 ),男,硕士研究生㊂主要从事碱激发胶凝材料耐久性能的研究㊂E-mail:2593853824@通信作者:黄敦文,博士,讲师㊂E-mail:dw.huang@彭㊀晖,博士,教授㊂E-mail:huipeng@0㊀引㊀言碱激发胶凝材料因能以矿渣㊁粉煤灰㊁煤矸石等富含硅㊁铝元素的工业副产品为原料[1],而可实现固废㊀第8期罗㊀哲等:碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究2831资源化利用,具有低碳环保的特点[2-3]㊂碱骨料反应是硅酸盐水泥混凝土的主要耐久性问题之一㊂Rivard 等[4]发现水泥混凝土发生碱骨料反应的孔溶液氢氧根离子浓度通常大于0.205~0.335mol/L㊂一般情况下,水泥基材料液相pH值范围通常在11~13,而碱激发胶凝材料由于需使用水玻璃㊁氢氧化钠等强碱激发剂促使原料溶解并发生聚合反应,其液相pH值高达13~14[5]㊂碱激发胶凝材料较高碱度的液相环境或可诱发不同于水泥基材料的碱骨料反应㊂至今尚未明确碱激发胶凝材料中碱骨料反应发生的碱度条件以及不同碱度对碱激发胶凝材料体积变形所造成的影响㊂有研究[6-8]指出碱激发胶凝材料聚合反应过程发生的体积收缩可大幅掩盖碱骨料反应造成的膨胀㊂然而该类研究均忽略了碱骨料反应加速试验中早期高温水浴养护条件与试验浸泡溶液的碱性对骨料反应及产物生成的影响㊂Shi等[9]的研究显示,随着液相碱度的提高,碱激发矿渣砂浆发生的膨胀会增大㊂刘永道等[10]发现高温碱环境会使碱激发粉煤灰-偏高岭土的水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶转变为沸石结构,会造成体积增长㊂碱激发偏高岭土-矿渣胶凝材料是原料性能较为稳定的碱激发胶凝材料㊂本文以碱激发偏高岭土-矿渣胶凝材料为代表,利用三种不同碱性浸泡液调整碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的液相碱度,观测碱激发偏高岭土-矿渣砂浆浸泡前后的微观形貌与体积变形,同时测试材料孔溶液的碱度,分析碱骨料反应发生的碱度范围,为碱激发胶凝材料碱骨料反应的碱度判定及其膨胀行为分析提供试验支持㊂1㊀实㊀验1.1㊀原料及试件设计原料选用偏高岭土(metakaolin,MK)㊁粒化高炉矿渣(ground granulated blast furnace slag,GGBFS)和标号425的普通硅酸盐水泥(ordinary Portland cement,OPC)㊂偏高岭土为内蒙古KAOPOZZ系列高活性偏高岭土,由高岭土在700ħ煅烧24h得到㊂矿渣为华新湘钢水泥公司的粒化高炉矿渣,属于高活性酸性矿渣㊂骨料采用花岗岩,其级配如表1所示㊂胶凝材料和骨料的化学成分如表2所示㊂偏高岭土和矿渣的粒径分布与XRD谱见图1,其中偏高岭土和矿渣的中值粒径分别为2㊁20μm㊂表1㊀骨料级配尺寸Table1㊀Grading size of aggregateSize/mm0.15~<0.300.30~<0.600.60~<1.20 1.20~<2.50 2.50~<5.00 Content/%1525252510表2㊀胶凝材料和骨料的化学成分Table2㊀Chemical composition of cementing materials and aggregateMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO Fe2O3K2O MgO Other OPC19.12 5.1557.06 4.230.68 1.5212.24 MK50.2846.230.150.450.05 2.84 GGBFS30.3515.0737.080.310.43 6.2810.48 Aggregate57.3813.63 1.85 4.690.8421.61采用工业水玻璃㊁固体氢氧化钠和去离子水制备模数1.2㊁浓度35%(激发剂SiO2和Na2O的质量占溶液总质量的比值)的激发剂[11]㊂所用水玻璃的模数为3.28,SiO2和Na2O的质量分数分别为26.54%和8.35%㊂配制的碱激发剂使用磁子搅拌器搅拌8h,然后按表3配比混合原料㊁制作试件㊂将试件标准养护24h后脱模,并放入80ħ养护箱中控制湿度55%养护24h,并设计80ħ持续水浴养护空白组,以探讨水浴养护对加速试验变形行为的影响㊂2832㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀偏高岭土和矿渣的粒径分布与XRD谱Fig.1㊀Particle size distribution and XRD patterns of MK and GGBFS表3㊀材料的配比设计Table3㊀Mix proportion design of materialMaterial Mass/gCement MK GGBFS NaOH Na2SiO3Water Aggregate Cement paste400.000000200.000Cement mortar400.000000200.00900.00 Alkali-activated mortar0280.00120.0061.33345.2873.39900.001.2㊀测试方法1.2.1㊀碱激发胶凝材料中的骨料碱活性测试参考规范ASTM C1260的测试方法[12],制备尺寸为25mmˑ25mmˑ280mm的试件放于80ħ㊁1.0mol/L 的NaOH溶液中浸泡14d㊂采用BC156-300型比长仪,测定1㊁3㊁5㊁7㊁10㊁14d对应的试件长度变形㊂为消除测量误差,采用每组试件三个测量值的平均值作为最终测定值,且每个测量值之间误差不能超过0.05%㊂同时设计同等强度的水泥净浆㊁砂浆的浸泡试验作为对照组㊂1.2.2㊀不同浓度NaOH溶液浸泡下的变形测试将所有试件放入0.1㊁1.0㊁3.0mol/L的NaOH溶液养护盒中浸泡,并置入80ħ环境箱静置14d㊂采用前述变形测试方法获取三组试件的长度变化㊂此外,设置一组80ħ水养条件的同配比试件作为对照组,排除在测量数据时温度等其他因素的干扰,并分析80ħ水养条件对碱激发胶凝材料化学反应及变形行为的影响㊂1.2.3㊀碱度测试利用固液萃取法[13]测试对应试件的碱度㊂将浸泡1㊁7㊁14d龄期的试件粉碎取样,过筛提取粒径在0.074mm以下的样品25g,并取25mL去离子水,将两者在密封塑料瓶内混合㊂之后将样品置于(20ʃ2)ħ的恒温环境下避光静置3d,并将静置后的混合溶液过滤2次,取上层滤液5mL为碱度待测液㊂通过瑞士万通Metrohm818Titrino plus自动电位滴定仪测试萃取待测液的OH-浓度㊂1.2.4㊀X射线衍射与扫描电子显微镜测试试验14d后,切取边缘非核心部分0~5mm试件10g,过0.074mm孔筛提取粉末样品,放置于存有干燥剂的干燥箱中进行干燥处理,处理后密封保存作为XRD测试样品㊂采用的仪器为CD/max2200vpc X射线衍射仪,测试范围为2θ=5ʎ~90ʎ,测试时间为10min㊂同时,取砂浆棒中间段切片作为扫描电子显微镜观察样品,切片大小为10mmˑ10mmˑ10mm㊂将待测样品用乙醇浸泡3d,之后置于干燥箱中干燥,干燥后将样品喷金处理用于扫描电子显微镜观察㊂采用的仪器为EVOMA25蔡司场发射扫描电子显微镜,加速电压为10.00kV,扫描步长为20μm㊂2㊀变形测试结果分析2.1㊀骨料在水泥与碱激发胶凝材料中的碱活性对比图2是水泥与碱激发胶凝材料试件在80ħ㊁1.0mol/L的NaOH溶液中浸泡14d的长度变化㊂第8期罗㊀哲等:碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究2833㊀图2㊀水泥与碱激发胶凝材料试件在80ħ㊁1.0mol /L 的NaOH 溶液中浸泡14d 的长度变化Fig.2㊀Length change of cement and alkali-activatedcementitious material specimens soaked in 1.0mol /L NaOH solution at 80ħfor 14d 从图2可以看出,在80ħ㊁1.0mol /L 的NaOH 溶液连续浸泡条件下,水泥净浆在早期出现了短暂膨胀,这源于水泥水化反应生成的钙矾石㊁氢氧化钙等膨胀性物质[14]㊂也有研究[15]指出水泥水化生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶在强碱环境作用下被Na +入侵发生凝胶固溶,可形成能吸水膨胀的碱硅凝胶并造成体积变大㊂以上因素导致溶液中水泥试件早期的膨胀变形量远大于早期自收缩,而呈现膨胀的现象㊂水泥砂浆试件在第14天的膨胀率为0.117%,膨胀率处于0.1%~0.2%㊂基于碱骨料的判断标准[12],水泥体系的花岗岩属于具有潜在危害性的骨料㊂而碱激发砂浆在整个测试期内呈现体积收缩的状态,且在第5天达到最大值-0.017%,之后基本保持稳定㊂碱激发砂浆表现出与水泥砂浆不同的变形行为,可能是因为碱激发胶凝材料聚合反应不生成膨胀性的产物,又或者产生过大的收缩掩盖了膨胀量㊂Li 等[13]㊁Ye 等[14]㊁Huang 等[16]都发现碱激发胶凝材料自干燥引起的较大毛细孔应力会引发凝胶结构持续性的重组和重排,促使自收缩在聚合反应结束后依然发生㊂为了验证骨料发生碱骨料反应存在适宜的碱度范围,接下来开展不同碱性溶液中的变形测试与微观分析㊂2.2㊀碱激发砂浆在不同碱性溶液中的变形行为图3为碱激发砂浆在不同碱性溶液中的变形发展㊂其中,高温水浴组在第1天收缩迅速,这可能是高温条件下促使未反应的原料进一步反应,从而引发自收缩㊂此后收缩放缓,可能源于自干燥引发的毛细孔应力较大,从而导致凝胶结构持续性的重组和重排[16]㊂图3中三种碱性溶液浸泡条件下砂浆试件变形行为呈现不同的规律㊂浸泡条件为80ħ㊁0.1mol /L NaOH 时,砂浆收缩在前期较快,而后在第3天出现短暂膨胀,之后又继续收缩㊂80ħ㊁1.0mol /L NaOH 条件下浸泡的砂浆试件在早期快速收缩之后,形变保持一个较稳定的状态㊂而浸泡环境为80ħ㊁3.0mol /L 的NaOH 溶液时,试件变形出现先收缩后膨胀的规律㊂NaOH 溶液从1.0mol /L 至3.0mol /L 时,砂浆试件14d 的最终变形变小,在3.0mol /L 的NaOH 溶液中高温浸泡的试件从第2天的最大收缩值0.026%到第14天收缩值为0.003%,其间试件产生了0.023%的膨胀变形,这是凝胶类沸石结构向沸石相转变以及花岗岩骨料发生碱骨料反应所造成的变形结果[17]㊂从总的变形结果来看,所有碱激发胶凝材料砂浆试件完整(如图4所示),均未发生膨胀开裂㊂图3㊀碱激发砂浆在不同碱性溶液中浸泡14d 的变形Fig.3㊀Deformation of alkali-activated mortar soaked in different alkaline solutions for 14d 图4㊀试验后的砂浆试件Fig.4㊀Mortar specimens after experiment2834㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷3㊀微观形貌分析3.1㊀不同碱性溶液浸泡条件下碱激发砂浆的微观形貌为理解各浸泡条件下试件的变形行为,开展了对应的微观形貌测试㊂图5为浸泡14d 的碱激发砂浆试件的SEM 照片㊂图5㊀不同浸泡条件下碱激发砂浆试件的SEM 照片Fig.5㊀SEM images of alkali-activated mortar specimens soaked in different conditions 在图5(a)中观察到表面完整的花岗岩骨料以及反应较致密的浆体,骨料与浆体接触面并没有被腐蚀的迹象㊂而在图5(b)中可以观察到花岗岩骨料的表面出现了被侵蚀的痕迹㊂图5(c)中的骨料由于浸泡环境碱度的提高而被严重腐蚀,已没有明显的骨浆界线,初步判断产生了类似水泥混凝土中碱骨料反应的界面过渡区(ITZ)形貌㊂从骨料在三种碱性溶液浸泡测试下的表现可以判断出,在1.0与3.0mol /L NaOH 溶液中浸泡的碱激发胶凝材料砂浆中,花岗岩骨料发生了不同程度的碱骨料反应㊂3.2㊀物相辨析使用SEM 观察到80ħ㊁0.1mol /L NaOH 溶液浸泡样品呈一束长条针状产物形貌,如图6所示㊂图7为各浸泡条件下试件的XRD 分析结果㊂图6㊀长条针状形貌样品的SEM 照片Fig.6㊀SEM image of sample with elongated needle-shapedshape 图7㊀碱激发胶凝材料与骨料的XRD 谱Fig.7㊀XRD patterns of alkali-activated cementitious materials and aggregate ㊀㊀结合产物分析与图6形貌,可初步判定长条针状形貌属于沸石类产物,类似的形貌特征在Shi 等[18]的研究中也有出现㊂图7中三种碱性溶液浸泡下样品的XRD 谱在2θ=20ʎ~30ʎ处都有一群无法分析的弥散衍射峰,这是胶凝材料水化反应生成的无定形凝胶产物,曲线中也出现了产物为石英(SiO 2)㊁钠长石(NaAlSi 3O 8)以及Na 6Al 6Si 10O 32的晶体衍射峰,石英与钠长石是花岗岩骨料本身包含的物质㊂图7显示0.1与3.0mol /L NaOH 溶液浸泡条件下的XRD 分析结果中多出了一个沸石(zeolite)衍射峰,可能是在高温条件下无定形凝胶产物转变成了沸石结构[19],而凝胶的类沸石结构转变成沸石结构可能会造成膨胀㊂结合图3的试件变形分析,沸石相的出现印证了0.1mol /L NaOH 条件下的试件在反应中期出现轻微膨胀,但是沸第8期罗㊀哲等:碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究2835㊀石相产生膨胀较小且不具备可持续性㊂而图3中3.0mol /L NaOH 条件下对应曲线的膨胀变形明显比1.0mol /L NaOH 条件下更大,说明3.0mol /L NaOH 溶液浸泡的试件膨胀变形不仅是由沸石产物造成的㊂结合图3㊁图5与图7的分析,可知0.1mol /L 碱溶液养护条件下的砂浆试件中骨料状态完好,不会发生碱骨料反应,但是碱激发反应生成的无定形凝胶产物会部分转变成沸石结构,导致试件产生微小不可持续的膨胀㊂1.0mol /L 碱溶液养护条件下的砂浆试件骨料表面形貌出现轻微侵蚀情况,产物分析中沸石产物消失,而3.0mol /L 碱溶液养护条件下的砂浆试件骨料发生严重碱骨料反应,骨料表面出现被腐蚀区以及与浆体产生界面过渡区,在浆体材料早期收缩变形很大的情况下最终膨胀幅度为0.023%㊂3.0mol /L 碱溶液浸泡条件下试件的XRD 产物分析中同样出现沸石,但沸石产物不会造成可持续的较大膨胀,结合图3的变形测试结果分析可以得出,3.0mol /L 碱溶液浸泡下的砂浆试件出现的膨胀是碱骨料反应与沸石产物形成的综合结果㊂4㊀碱激发胶凝材料发生碱骨料反应的碱度范围图8㊀不同碱性溶液浸泡下的砂浆孔溶液碱度Fig.8㊀Alkalinity in pore solution of mortar soaked indifferent alkaline solutions 在第1㊁7㊁14天萃取的碱激发砂浆试件的孔溶液的OH -浓度如图8所示㊂从图8可以看出,对于三种不同碱性溶液浸泡条件的砂浆棒,随着外部溶液碱度从0.1mol /L 提高到1.0mol /L,砂浆孔溶液碱度均得到不同程度的提高,且碱度在浸泡7与14d 接近一个稳定值㊂其中在80ħ㊁3.0mol /L NaOH 溶液浸泡下的砂浆试件OH -浓度最大,第14天为0.393mol /L㊂而在1.0和0.1mol /L NaOH 溶液浸泡下的OH -浓度分别为0.209㊁0.123mol /L㊂结合前面结论,可认为在碱激发胶凝材料中孔溶液OH -浓度大于0.209mol /L 时,骨料会发生碱骨料反应㊂5㊀结㊀论1)碱激发砂浆在碱活性标准试验中的变形以收缩为主,但不同碱性环境下变形行为不同㊂砂浆孔溶液中的碱物质能被外部浸泡溶液补充,并重新参与到试件内部的碱骨料反应中,因此浸泡溶液碱度越高,骨料发生的碱骨料反应越严重,试件的整体收缩率越小㊂2)高温碱环境对碱激发砂浆的体积膨胀有明显促进作用,偏高岭土材料反应产生的N-A-S-H 凝胶类沸石结构会往沸石结构转化,同时花岗岩骨料表面会产生较多的碱骨料反应产物,并逐步形成浆-骨过渡区形貌㊂3)碱激发偏高岭土-矿渣胶凝材料中孔溶液的氢氧根离子浓度大于0.209mol /L 时,碱骨料反应会发生㊂参考文献[1]㊀PROVIS J L,BERNAL S A.Geopolymers and related alkali-activated materials[J].Annual Review of Materials Research,2014,44:299-327.[2]㊀WINNEFELD F,LOTHENBACH B.Hydration of calcium sulfoaluminate cements:experimental findings and thermodynamic modelling [J].Cement and Concrete Research,2010,40(8):1239-1247.[3]㊀PELLETIER L,WINNEFELD F,LOTHENBACH B.The ternary system Portland cement-calcium sulphoaluminate clinker-anhydrite:hydrationmechanism and mortar properties[J].Cement and Concrete Composites,2010,32(7):497-507.[4]㊀RIVARD P,BÉRUBÉM A,OLLIVIER J P,et al.Decrease of pore solution alkalinity in concrete tested for alkali-silica reaction[J].Materialsand Structures,2007,40(9):909-921.[5]㊀JOHN L P,JANNIE S J V D.Alkali activated materials[M].Springer,Dordrecht,2013:59.[6]㊀SHI C J,SHI Z G,HU X,et al.A review on alkali-aggregate reactions in alkali-activated mortars /concretes made with alkali-reactive aggregates[J].2836㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷Materials and Structures,2015,48(3):621-628.[7]㊀XIE Z,XIANG W,XI Y.ASR potentials of glass aggregates in water-glass activated fly ash and Portland cement mortars[J].Journal of Materialsin Civil Engineering,2003,15(1):67-74.[8]㊀杨长辉,蒲心诚,吴㊀芳.碱性水泥系统的长期碱集料反应研究[J].混凝土与水泥制品,1999(3):3-7.YANG C H,PU X C,WU F.Study on the long-term AAR of alkaline cement system[J].Chinal Concrete and Cement Products,1999(3):3-7(in 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and metakaolin[J].Cementand Concrete Research,2018,108:10-19.[19]㊀刘永道,卢都友,郑彦增.养护条件对粉煤灰基地质聚合物变形行为的影响[J].硅酸盐通报,2011,30(6):1227-1232.LIU Y D,LU D Y,ZHENG Y Z.Effect of curing conditions on the deformation behaviour of fly ash-based geopolymer[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2011,30(6):1227-1232(in Chinese).。
碱激发偏高岭土—矿渣复合胶凝材料体积稳定性研究
碱激发偏高岭土—矿渣复合胶凝材料体积稳定性研究碱激发偏高岭土—矿渣复合胶凝材料体积稳定性研究摘要：随着工业的快速发展和城市建设的加速推进，对于新型环保建材的需求日益增加。
本研究以碱激发偏高岭土和矿渣作为原料，探究了碱激发偏高岭土—矿渣复合胶凝材料的体积稳定性，通过一系列实验分析了其物理力学性能、水化反应特性以及体积收缩和膨胀特性。
研究结果表明，此复合胶凝材料具有较好的体积稳定性，可以满足建筑工程的需求。
1. 引言随着资源的不断消耗和环境问题的日益凸显，绿色环保已成为当前建筑材料研究的热点。
碱激发偏高岭土和矿渣作为新型环保原材料，其复合胶凝材料具有很好的发展前景。
本研究旨在探究碱激发偏高岭土—矿渣复合胶凝材料的体积稳定性，为其在建筑工程中的应用提供依据。
2. 实验材料与方法2.1 材料本实验采用的原料有：碱激发偏高岭土、矿渣以及水。
其中，碱激发偏高岭土具有较高的土壤颗粒黏性和吸水性能，而矿渣是一种常见的工业废弃物。
2.2 实验方法首先，将碱激发偏高岭土和矿渣按照一定比例混合，并加入适量的水进行搅拌，制备成混合胶凝材料。
然后，使用标准的物理力学实验方法对复合胶凝材料进行检测，包括抗压强度、抗拉强度和抗渗透性等性能指标的测试。
此外，对材料进行水化反应特性的测定，并使用浸泡法研究了其体积收缩和膨胀的规律。
3. 实验结果与讨论3.1 物理力学性能通过实验测定，得到了复合胶凝材料的抗压强度、抗拉强度和抗渗透性等性能指标。
结果显示，该材料的抗压强度在正常范围内，抗拉强度较高，且抗渗透性良好。
3.2 水化反应特性在水化反应实验中，观察到材料在水中能够发生水化反应，并逐渐固化。
随着时间的推移，材料的强度逐渐增加，水化反应达到稳定。
3.3 体积收缩与膨胀特性研究发现，复合胶凝材料在水化过程中存在一定的体积收缩现象，但总体上，其体积变化较小，体积稳定性较好。
同时，当材料暴露在潮湿环境下时，会出现一定程度的膨胀现象，但对整体的体积稳定性影响有限。
碱激发偏高岭土的泛碱规律及抑制机理研究
第43卷第5期非金属矿Vol.43 No.5 2020年9月 Non-Metallic Mines September, 2020碱激发偏高岭土的泛碱规律及抑制机理研究房 杰 彭 芃 魏小凡 李静静 江晨光霞 唐 静 彭小芹 王淑萍 曾 路* （重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）摘 要为解决地聚合物容易泛碱的问题，配制不同模数及碱当量的碱激发剂，研究其对地聚合物泛碱的影响，并通过纳米SiO2对泛碱现象进行抑制。
结果表明，地聚合物泛碱会影响抗压强度的发展，碱当量越高，地聚合物越容易泛碱。
此外，掺加3%纳米SiO2可以稳定钠在地聚合物结构的存在形式，抑制其泛碱发生。
关键词地聚合物；碱激发剂；泛碱；纳米SiO2中图分类号：TQ172.1 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2020)05-0037-04Study of Efflorescence of Alkali-Activated Metakaolin and the Inhibition Mechanism Fang Jie Peng Peng Wei Xiaofan Li Jingjing Jiang Chenguangxia Tang Jing Peng Xiaoqin Wang Shuping Zeng Lu*(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045) Abstract To inhibit the efflorescence of geopolymers, the different mixing of the alkali activator was prepared and the effect of alkali activator on the efflorescence of geopolymer was studied. Based on these results, the inhibitory mechanism of the nano-SiO2 on the efflorescence of the geopolymer mortar was analyzed. Result showed that the high alkali content could accelerate the efflorescence, and the efflorescence had a decrease tendency for the compressive strength of geopolymer. In addition, the 3% nano-SiO2 could inhibit the efflorescence of the geopolymer.Key words geopolymer; alkali activator; efflorescence; nano-SiO2地聚合物是硅铝原材料与强碱溶液反应形成的一种新型绿色的建筑胶凝材料，特有的三维网络结构使其具有较高力学性能及优异的耐酸碱性能。
碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能
第42卷第6期2023年6月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol.42㊀No.6June,2023碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能刘㊀刚1,2,丁明巍1,2,刘金军2,万惠文1,薛永杰1,蹇守卫1,2(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉㊀430070;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉㊀430070)摘要:通过改变矿粉㊁粉煤灰㊁偏高岭土的配合比,用复配后的水玻璃进行碱激发,制备三元地聚物,测试了三元地聚物凝结时间以及抗折㊁抗压强度㊂利用XRD㊁SEM㊁EDS及DTG研究硬化浆体中水化产物的形貌和成分,并对水化过程进行分析㊂结果表明,该三元地聚物是由原材料在碱激发水化作用下生成的以水化硅酸钙(C-S-H)㊁水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶为主的复合胶凝材料㊂矿粉掺量越高,新拌浆体凝结时间越短,水化产物中钙系凝胶越多,试件强度越高㊂矿粉含量为10%㊁30%㊁50%㊁70%㊁90%(质量分数)的5组试件3d抗压强度分别为2.1㊁14.1㊁24.2㊁29.7㊁37.9MPa㊂养护龄期越长,反应越完全,水化产物越多,试件抗压强度越高㊂当矿粉含量为50%时,三元地聚物1㊁3㊁7㊁28d抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂当矿粉含量为90%㊁养护龄期为28d时,试件抗折㊁抗压强度最高,分别为12.0㊁52.0MPa㊂该体系较短的凝结时间使其在道路修补材料及3D打印等领域有着较为广阔的应用前景㊂关键词:矿粉;粉煤灰;地聚物;强度;微观形貌;水化过程中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)06-2106-09 Hydration Behavior and Mechanical Properties ofAlkaline Excited Slag-Fly Ash-Metakaolin GeopolymerLIU Gang1,2,DING Mingwei1,2,LIU Jinjun2,WAN Huiwen1,XUE Yongjie1,JIAN Shouwei1,2(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China;2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China) Abstract:By changing the ratio of slag,fly ash and metakaolin,the ternary geopolymer was prepared by alkali excitation with the compound sodium silicate.The setting time,flexural and compressive strength of ternary geopolymer were tested. XRD,SEM,EDS and DTG were used to study the morphology and composition of hydration products in the hardened paste,and the hydration process was analyzed.The results show that the ternary geopolymer is composed of calcium silicate hydrate(C-S-H),calcium aluminate silicate hydrate(C-A-S-H)and sodium aluminate silicate hydrate(N-A-S-H)gels. The higher the slag content is,the shorter the setting time of newly mixed slurry is,the more calcium gel in the hydration products is,and the higher the strength of specimen is.The3d compressive strength of5groups of specimens with slag content of10%,30%,50%,70%,90%(mass fraction)is2.1,14.1,24.2,29.7,37.9MPa,respectively.The longer the curing period is,the more complete the reaction is,the more hydration products are,and the higher the strength of specimen is.When the slag content is50%,the compressive strength of ternary geopolymer at1,3,7,28d is12.3, 24.2,27.3,36.8MPa,respectively.When the slag content is90%and the curing age is28d,the flexural and compressive strength of specimen are the highest,which are12.0,52.0MPa,respectively.The short setting time of the system makes it have a broad application prospect in the field of road repair materials and3D printing.Key words:slag;fly ash;geopolymer;strength;microstructure;hydration process收稿日期:2023-02-19;修订日期:2023-03-27基金项目:海南省科技计划三亚崖州湾科技城联合项目(520LH016);湖北省科学技术厅重点研发计划(2021BCA126)作者简介:刘㊀刚(1981 ),男,教授㊂主要从事道路新材料研发㊁固废循环利用方面的研究㊂E-mail:liug@㊀第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2107 0㊀引㊀言随着国家基础建设不断发展,如今水泥混凝土行业需要向绿色环保方向发展,解决由生产成本所带来的自然资源枯竭㊁能源消耗㊁温室气体排放等各种问题,以实现可循环发展目标[1]㊂相对于水泥基复合材料,完全由工业固废组成的复合材料更有望实现可持续发展,而地聚物被认为是替代水泥基复合材料的最佳选择㊂地聚物是一种由硅铝原料(如赤泥㊁粉煤灰㊁偏高岭土㊁炉渣㊁稻壳和玻璃废料)通过碱㊁酸或盐类激发而得的无机聚合物㊂与水泥相比,地聚物生产所需能耗更低,产生二氧化碳更少,并且可以减少自然资源的使用[2]㊂由于地聚物具有材料价格低廉㊁耐久性优异㊁机械性能好㊁耐酸性强㊁耐高温好等优点,近年来对于地聚物的研究越来越多㊂Barbhuiya等[3]发现由70%(质量分数)粉煤灰和30%(质量分数)偏高岭土组成的地聚物比仅由粉煤灰组成的地聚物具有更高的抗压强度,且增加碱激发剂的模数可以使粉煤灰反应更完全,地聚物微观结构孔隙更少㊂Kim等[4]探究了不同Si/Al摩尔比对粉煤灰地聚物强度的影响,发现了一种通过原料中无定形物质含量和碱激发剂掺量推导地聚物抗压强度发展趋势的方法㊂Yuan等[5]探究了3D打印矿粉-粉煤灰地聚物的影响因素,发现提高砂胶比㊁降低粉煤灰/矿粉比或使用低模数的碱激发剂均会降低地聚物的可挤出性和可建造性㊂Wan等[6]通过加入硅粉改变Si/Al摩尔比,探究了不同Si/Al摩尔比偏高岭土地聚物聚合过程中Al和Si的溶解速率,结果显示,溶解速率随着Si/Al摩尔比增加而增加,说明可溶性硅酸盐可以加速铝酸盐单体聚合,在Si/Al摩尔比为2ʒ1时,聚合速率达到最大㊂目前对二元地聚物体系研究较多,多为不同因素对地聚物力学性能影响的研究,以及地聚物其他基本性能的探究,但对多元地聚物体系的水化机理尚未厘清㊂所以本文结合矿粉-粉煤灰地聚物体系与粉煤灰-偏高岭土地聚物体系,以矿粉-粉煤灰-偏高岭土三元地聚物体系作为研究对象,通过矿粉水化提供早期强度,用粉煤灰来改善体系的流动度,利用偏高岭土的无钙特点来中和由矿粉钙含量过高导致的凝结时间过短和后期开裂问题㊂分析不同配合比及养护龄期对三元地聚物性能的影响,探究具有更高性能的地聚物的配合比,并结合微观形貌探究其水化过程,研究结果可为地聚物应用于3D打印或道路修补材料领域提供理论依据㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料原材料:S95级矿粉㊁偏高岭土粉㊁粉煤灰㊁氢氧化钠粉末(分析纯)㊁液体硅酸钠(模数为2.23)㊂矿粉㊁偏高岭土㊁粉煤灰均来自河南恒源新材料有限公司,其化学成分如表1所示㊂选用聚羧酸高效减水剂(SPC)㊁流变剂羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为掺合料㊂水玻璃模数为1.5,由模数为2.23的硅酸钠溶液和氢氧化钠粉末配制而成㊂表1㊀原材料的化学成分Table1㊀Chemical composition of raw materialsMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3TiO2Loss Slag32.915.4 37.010.50.1 0.8 Fly ash45.124.2 5.6 2.1 2.8 Metakaolin55.742.50.8 1.01.2㊀配合比设计通过调整矿粉㊁偏高岭土㊁粉煤灰的比例,加入SPC和HPMC,采用碱性激发剂激发并制备不同配合比的地聚物砂浆㊂地聚物砂浆配合比如表2所示㊂按表2所示配合比将各原材料混合均匀,然后将新拌浆体装入40mmˑ40mmˑ160mm的铸铁模具中,放入标准养护箱中养护24h后,取出模具并脱模,将成型的试件放入标准养护箱内继续养护至相应龄期,取1㊁3㊁7㊁28d龄期的试件进行力学性能测试㊂2108㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷表2㊀地聚物砂浆配合比Table 2㊀Mix proportion of geopolymer mortarGroup Slag mass fraction /%Fly ash-metakaolin (1ʒ1)mass fraction /%Alkali dosage (Na 2O mass fraction)/%Water-binder ratio Admixture mass fraction /%HPMC SPC Sand-binder ratio K1109040.336111K2307040.332111K3505040.332111K4703040.316111K5901040.3121111.3㊀测试方法按照‘建筑砂浆基本性能试验方法标准“(JGJ /T 70 2009),采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行搅拌,然后测试新拌浆体的凝结时间㊂按照‘水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)“(GB /T 17671 2021),采用万能压力试验机进行力学性能测试㊂采用X 射线衍射仪对样品进行物相分析,采用扫描电子显微镜观察样品微观形貌,采用能谱仪测定样品的元素及含量,使用热重分析仪进行热重测试㊂2㊀结果与讨论2.1㊀新拌浆体凝结时间图1㊀地聚物砂浆的凝结时间Fig.1㊀Setting time of geopolymer mortar 地聚物砂浆的凝结时间如图1所示,由图1可以清晰地看出,由K1至K5,随着矿粉含量提升,粉煤灰㊁偏高岭土掺量减少,地聚物砂浆的凝结时间呈下降趋势,分别为63㊁44㊁38㊁30㊁24min,这与其他学者[7]的研究结论一致㊂矿粉中的CaO 可以与拌合水反应放热,使反应环境温度升高,同时水量减少会引起环境碱度升高㊂艾纯志等[8]指出提高体系碱度和温度均会对碱激发胶凝材料的反应起到促进作用㊂王红等[9]指出掺入矿粉会使浆体流动性降低,掺入的粉煤灰含量大于矿粉含量时会使浆体流动性提高㊂而本文中,随着矿粉含量增加,粉煤灰含量降低,浆体流动度下降,凝结时间变短,与上述文献结果一致㊂K1~K4的凝结时间位于30~65min,适合应用于3D 打印或道路修补㊂由于K5的凝结时间较短,低于30min,在工程实际中应用难度较大㊂2.2㊀力学性能地聚物试件抗折㊁抗压强度与养护龄期之间的关系分别如图2㊁图3所示㊂图2㊀地聚物试件抗折强度与养护龄期的关系Fig.2㊀Relationship between flexural strength of geopolymer specimens and curingage 图3㊀地聚物试件抗压强度与养护龄期的关系Fig.3㊀Relationship between compressive strength of geopolymer specimens and curing age第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2109㊀由图2可知,5组不同配合比地聚物试件的抗折强度随养护龄期延长在整体上呈不断增大的趋势,不同配合比试件早期(1㊁3d)抗折强度增长较低,但后期抗折强度增长较高,K1~K5组试件28d 抗折强度相对于7d 分别增长了113.0%㊁75.2%㊁58.4%㊁47.8%㊁31.9%㊂这是由于粉煤灰和偏高岭土水化速度较慢[10],28d 时试件抗折强度达到最大,分别为3.3㊁8.3㊁10.8㊁11.8㊁12.0MPa㊂观察不同配合比试件抗折强度可知,地聚物试件的抗折强度随着矿粉含量的逐渐增加而增大㊂由图3可知,5组不同配合比地聚物试件的抗压强度随养护龄期延长在整体上呈不断增大的趋势,K1~K5组试件养护3d 时抗压强度分别为2.1㊁14.1㊁24.2㊁29.7㊁37.9MPa;28d 时抗压强度达到最大,分别为7.3㊁28.2㊁36.8㊁44.6㊁52.0MPa㊂K3组试件1㊁3㊁7㊁28d 抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂与矿粉-粉煤灰二元体系[7]和粉煤灰-偏高岭土二元体系[11]相比,本三元体系7d 抗压强度更高㊂这是由于:与矿粉-粉煤灰二元体系相比,本三元体系中偏高岭土对地聚物早期强度影响不大,但是可以填充孔隙以及延长凝结时间,改善矿粉速凝开裂导致强度锐减的情况;与粉煤灰-偏高岭土二元体系相比,本三元体系中矿粉水化速度更快,早期即可生成大量Ca 系凝胶,使试件强度快速提高[12]㊂在同一养护龄期内,随着矿粉含量逐渐增加,地聚物试件的抗压强度逐渐增大,且总体增长趋势较为平稳㊂K1组试件抗压强度总体都比较低,28d 抗压强度仅为7.3MPa,这是因为K1组试件矿粉掺量较低,而体系主要的Ca 源是由矿粉提供的,所以K1组试件Ca 含量低,生成的水化硅酸钙(C-S-H)㊁水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶少,不能提供足够强度㊂K2~K4组试件由于矿粉含量逐渐增加,Ca 含量逐渐增加,生成的C-S-H㊁C-A-S-H 凝胶逐渐增多,试件的抗压强度增大㊂2.3㊀物相组成分析图4为K3组地聚物样品在养护龄期为1㊁3㊁7和28d 时的XRD 谱㊂由图4可以看出,不同养护龄期的地聚物样品XRD 谱大致一样㊂地聚物样品在20ʎ~30ʎ处有一个较明显的弥散 馒头 状宽峰,据资料显示这些无定形 馒头 峰为生成的C-S-H㊁C-A-S-H 和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶的特征峰㊂随着养护龄期延长,衍射峰出现小角度偏移的现象,这表明碱激发地聚物反应程度在不断提高㊂这些无定形凝胶能够明显提高试件的抗折㊁抗压强度,表明地聚物体系中发生了较高程度的聚合反应[10],与抗折㊁抗压强度的测试结果相吻合㊂同时从图4中可以看出,K3组3㊁7d 样品XRD 谱中在55ʎ附近有一个明显的C-S-H 凝胶特征峰,但K3组28d 样品XRD 谱中该特征峰消失㊂这是由于矿粉活性高,水化速度快,在水化前中期大量矿粉与水玻璃发生碱激发反应,生成了大量C-S-H 和C-A-S-H 凝胶,在水化后期粉煤灰和偏高岭土开始水化,为地聚物体系中提供了大量Si 和Al,这些Al 在扩散作用下将水化产物C-S-H 凝胶中部分Si 置换出来,形成了C-A-S-H 凝胶㊂同时水玻璃中的Na 也可以与C-A-S-H 凝胶中的Ca 发生置换反应,生成N-A-S-H 凝胶㊂因此,K3组样品在55ʎ附近的C-S-H 凝胶特征峰随养护龄期延长逐渐降低,至28d 时该特征峰消失㊂图4㊀不同养护龄期K3组地聚物样品的XRD 谱Fig.4㊀XRD patterns of K3geopolymer samples at different curingages 图5㊀不同配合比地聚物样品养护7d 的XRD 谱Fig.5㊀XRD patterns of geopolymer samples with different mix proportion curing for 7d㊀㊀图5为不同配合比地聚物样品在7d 养护龄期下的XRD 谱㊂由图5可以看出,随着矿粉含量增多,粉煤灰和偏高岭土含量减少,样品中的Ca 含量上升,样品在29ʎ处的C-S-H 凝胶特征峰逐渐升高,逐渐增多的2110㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷C-S-H凝胶紧密堆积,填补了试件中的空隙和裂纹,使试件的有害孔体积下降,无害孔增多,试件孔结构情况改善,对地聚物砂浆试件的抗折㊁抗压强度起到正面影响,与强度测试结果相符合㊂同时,在各配合比下均没有新的晶体相生成,水化产物主要为无定形的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶,说明改变配合比并不影响反应的整体路线㊂2.4㊀微观形貌分析养护龄期为3d时,不同配合比(K1~K5)地聚物样品的SEM照片如图6(a1)~(a5)所示㊂如图6(a1)所示,K1组样品3d的水化产物主要以团簇状的凝胶形式存在,可见未反应的粉煤灰颗粒与矿粉颗粒㊂K1组样品水化程度较低,结构松散,空隙㊁裂纹较多,导致其抗折㊁抗压强度较低㊂如图6(a2)所示,K2组样品3d的水化产物主要以无定形的凝胶形式存在㊂相比于K1组,其结构相对致密,抗折㊁抗压强度得到提升㊂如图6(a3)所示,K3组样品3d的水化产物主要以无定形的凝胶形式存在,将正在反应的粉煤灰颗粒紧密连接并逐渐包裹㊂区域1~3的元素占比如表3所示,区域1是粉煤灰水化形成的N-A-S-H凝胶,区域2是大量C-A-S-H㊁C-S-H凝胶和少量N-A-S-H凝胶相互交织混杂形成的无定形凝胶结构,区域3主要是团簇状N-A-S-H凝胶㊂这些凝胶填充了试样孔隙,将未反应原材料紧密相连,进一步提高了试件的抗折㊁抗压强度㊂如图6(a4)所示,K4组样品3d的水化产物主要以C-A-S-H㊁C-S-H和N-A-S-H交织的致密无定形凝胶以及大量团簇状N-A-S-H凝胶形式存在,N-A-S-H凝胶位于C-A-S-H㊁C-S-H和N-A-S-H交织的致密无定形㊂凝胶上,数量多,分布广㊂试件的抗折㊁抗压强度进一步提高第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2111㊀图6㊀养护3㊁7和28d 时地聚物样品的SEM 照片Fig.6㊀SEM images of geopolymer samples curing for 3,7and 28d ㊀㊀如图6(a 5)所示,K5组样品3d 的水化产物主要以片状以及无定形的凝胶形式存在㊂区域4~5的元素占比如表3所示,区域4的片状凝胶主要是由C-A-S-H 凝胶和少量N-A-S-H 凝胶构成,片状结构充当了骨架结构,使水化产物紧密堆积,形成致密三维结构,试件的抗折㊁抗压强度达到最大㊂区域5的无定形凝胶也是由C-A-S-H 和N-A-S-H 构成,但区域5的Na /Ca 比较区域4更高㊂表3㊀SEM 照片区域1至5中的元素占比Table 3㊀Element proportion in area 1to 5of SEM imagesElementAtom fraction /%Area 1Area 2Area 3Area 4Area 5O 63.0959.3863.3362.1571.45Na3.49 5.09 1.81 1.09 1.42Mg 0.280.670.170.330.58Al 11.297.9719.05 6.73 5.77Si 21.4616.8814.6727.9519.46Ca0.3910.020.98 1.75 1.31养护龄期为28d 时,不同配合比(K1~K5)地聚物样品的SEM 照片如图6(c 1)~(c 5)所示㊂观察SEM照片可以看出:K5组样品较前几组样品的粉煤灰颗粒数量大幅度下降,且基本被水化生成的凝胶所包裹;生2112㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷成的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶数量更多,但凝胶形貌并非内部结构疏松的团簇状而是结构十分致密的形貌㊂随着矿粉含量增加,大部分原材料已经水化或正在水化中,填补了试件中的裂痕和孔隙,微观结构更致密,试件的抗折㊁抗压强度更高㊂对比3和28d 的SEM 照片发现,随着养护时间增加,原材料水化程度进一步提高,未反应的粉煤灰数量进一步减少,水化产物种类依旧是C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶,未出现新物相,但是致密程度均有提高,表面团簇状的无定形凝胶减少,取而代之的是均匀而致密的三维结构,试件总体抗折㊁抗压强度更高㊂分析比较不同龄期(3㊁7㊁28d)K3组样品的SEM 照片,如图6(a 3)㊁(b 1)㊁(c 3)所示,K3组样品7d 的水化产物主要以C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 交织的致密无定形凝胶以及大量团簇状N-A-S-H 凝胶形式存在㊂随着养护时间由3d 延长到7㊁28d,样品中生成的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶数量逐渐增加,开始在原材料周围生成,随后逐渐反应将原材料包裹㊂粉煤灰等原材料反应程度更完全,样品裂纹更少,凝胶更致密㊂由以上分析可知:本文所用原材料中有大量Ca㊁Al㊁Si 的氧化物,在反应前期,由于水玻璃作为碱激发剂加入,为体系引入大量的OH -,原材料中的Si O 键和Al O 键发生断裂,[SiO 4]4-和[AlO 4]5-被大量溶出,形成了以Si O Si 和Si O Al 为主体的低聚物,[SiO 4]4-与矿粉中的Ca 2+结合生成C-S-H 凝胶㊂与此同时,原材料中Si㊁Al 的氧化物在碱激发剂提供的强碱环境下开始溶解,[SiO 4]4-和[AlO 4]5-四面体发生缩聚反应,生成以 Si O Al O 为骨架的三维网络结构的无机高分子地聚物,成型硬化后形成早期强度[13]㊂随着养护时间的增加,地聚物试件中Ca㊁Al㊁Si 的氧化物被充分溶解,随着解聚-缩聚反应的进行,试件内部生成了大量的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶,这些凝胶相互堆积形成致密的三维网状结构,使试件的抗折㊁抗压强度达到最大㊂2.5㊀TG-DTG分析图7㊀养护3㊁7和28d 时K3组地聚物试件的TG-DTG 曲线Fig.7㊀TG-DTG curves of K3geopolymer specimens curing for 3,7and 28d K3组地聚物试件在养护龄期3㊁7㊁28d 下的热重曲线如图7所示㊂TG 曲线可以直观反映出试件质量随温度变化的过程,将TG 曲线对温度求一阶微分即可得到DTG 曲线㊂由图7可以看出,在0~200ħ和200~600ħ有两个明显的吸热失重特征峰,第一个失重峰对应过程为试件中自由水以及水化产物C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶部分吸附水的蒸发[14-16],第二个失重峰的产生是温度升高,C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶脱去 羟基水 所导致的[17-18]㊂结合XRD 和EDS 分析,碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土三元地聚物体系的水化产物主要为C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶㊂对比试件3㊁7㊁28d 的DTG 曲线可以发现:试件3d 的DTG 曲线第一个失重峰面积最大,推测是由于水化时间最短,试件中剩余自由水㊁吸附水较多;试件3㊁7d 的DTG 曲线第二个失重峰变化较小,是由于粉煤灰的水化速度较慢,而试件28d 的DTG 曲线第二个失重峰面积最大,说明试件28d 损失质量最多,生成水化凝胶最多,与SEM 结果相吻合㊂结合材料宏观力学强度分析可知,试件强度与水化生成凝胶产物脱水的失重率成正比,试件强度随着失重率的增大而增大,即生成的C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶越多,强度越高㊂3㊀碱激发矿粉地聚物水化过程水化初期,原材料在碱性环境中开始溶解,Ca 相中的Ca O 键㊁Si-Al 相中的Si O Si 键和Al O Al 键开始发生断裂,并释放出Ca 2+㊁硅氧四面体单体和铝氧四面体单体,由于Ca O 键㊁Si O Si 键和Al O Al 键具有不同的稳定性,Ca 2+㊁硅氧四面体单体和铝氧四面体单体溶出的先后顺序会有所不同㊂由于Ca O 键的键能最低,Ca O 键会首先断裂,然后是铝氧四面体单体,最后是硅氧四面体单体[19]㊂液相㊀第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2113中一部分Ca2+会与环境中硅氧四面体单体反应生成C-S-H凝胶㊂随着水化时间增加,在碱激发剂作用下,液相中硅氧四面体单体和铝氧四面体单体浓度迅速增加,碱激发剂中的Na+和OH-分别与硅氧四面体单体和铝氧四面体单体形成大量 Si O Na㊁Al(OH)-4㊁Al(OH)2-5和Al(OH)3-6等硅铝酸盐低聚体[20]㊂水化中期,由于生成的低聚体结构稳定性较差,这些硅氧四面体单体和铝氧四面体单体之间会发生聚合反应,生成网状的N-A-S-H和C-A-S-H凝胶,但此时网状结构的聚合度还很低㊂随着反应继续进行,更多硅氧四面体单体和铝氧四面体单体被溶出,聚合度提高,形成N-A-S-H和C-A-S-H凝胶相互交织的三维网络结构㊂由于此时地聚物浆体已经达到初凝点,浆体中各种单体和低聚体的流动性已经很小,体系中各种聚合反应主要由扩散作用主导[19]㊂此时地聚物的水化产物主要为相互交织的C-S-H㊁C-A-S-H与N-A-S-H凝胶㊂由于体系中Ca2+和Al3+含量较高,Ca2+会取代N-A-S-H凝胶中的部分Na+,Al3+会取代C-S-H凝胶中的部分Si4+,生成相互交织的三维(N,C)-(A)-S-H凝胶结构[21]㊂水化后期,体系中的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶随着养护时间的增加逐渐脱水,固结硬化成地聚物块,填充地聚物空隙,使有害孔减少,无害孔增加,有效改善了地聚物的孔结构,使地聚物整体更加致密,抗折㊁抗压强度提高[22]㊂4㊀结㊀论1)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物抗折㊁抗压强度随着矿粉含量增大呈增大的趋势,因为矿粉含量越高,生成的C-S-H㊁C-A-S-H凝胶越多㊂当矿粉含量为90%(质量分数)且养护龄期为28d时地聚物的抗折㊁抗压强度最高,分别为12.0㊁52.0MPa㊂2)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物的抗折㊁抗压强度随着养护龄期延长呈增大的趋势,当矿粉掺量为50% (质量分数)时,地聚物1㊁3㊁7㊁28d抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂反应初期(3d),虽然体系中OH-含量高,但粉煤灰㊁偏高岭土水化速度慢,生成凝胶较少,地聚物强度较低;待水化到28d后,原材料水化充分,生成的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶填充了孔隙和裂纹,地聚物整体强度提高㊂3)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物的水化机理主要为原材料在碱性激发剂作用下溶出Ca2+㊁[SiO4]4-单体和[AlO4]5-单体,通过解聚-缩聚反应以及离子取代反应生成C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶并填充在孔隙中,使地聚物的强度大幅度提升㊂4)当矿粉掺量为30%㊁50%㊁70%(质量分数)时,矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物凝结时间分别为44㊁38㊁30min,3d抗压强度分别为14.1㊁24.2㊁29.7MPa,符合3D打印或道路修补对材料最基本的工作性能要求㊂参考文献[1]㊀VAN DEVENTER J S J,PROVIS J L,DUXSON P,et al.Chemical research and climate change as drivers in the commercial adoption of alkaliactivated materials[J].Waste and Biomass Valorization,2010,1(1):145-155.[2]㊀CHEN S K,RUAN S Q,ZENG Q,et al.Pore structure of geopolymer materials and its correlations to engineering properties:a review[J].Construction and Building Materials,2022,328:127064.[3]㊀BARBHUIYA S,PANG E.Strength and microstructure of geopolymer based on fly ash and metakaolin[J].Materials(Basel,Switzerland),2022,15(10):3732.[4]㊀LEE B,KIM G,KIM R,et al.Strength development 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偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物的制备与性能研究
关键词：地质聚合物；偏高岭土；粉煤灰；工作性能；凝结时间
Abstract
Geopolymer is a new gelledmaterial which attracted lots of attentions, both at home and abroad in recent years, for its excellent properties.In this thesis,geopolymer has been synthesizedfrom raw materials what are metakaoliniteand fly ashunder activation of NaOH solution andsodium silicate solution.We discuss that how fineness of the metakaolinete, content of fly ash and modulus of sodium silicate affect themechanical propertiesof Flyash-Metakaolinite based geopolymer by using orthogonal experimental design.Meanwhile，theworking performance and setting time of geoploymer are studied.Research shows: (1)Flyash-Metakaolinite based geopolymer has been synthesized at room temperature from metakaolinite under activation of NaOH solution and sodium silicate solution.We get metakaolinite with high activity from kaolinite which has been calcined at 850℃,and holds 2 hours.(2)Metakaolinite-based geoploymer has good performance in the development of the early strength.The reaction process is regulated by mixing the flyash and hence the workability is improved.The content of flyash in the total raw materials increased,the flowability of the slurry of Flyash-Metakaolinite based geopolymer is getiing better.(3)We know thatfineness of the metakaolinete, content of fly ash and modulusof sodium silicateare threinfluencing factors. The best formulaisthe finenest metakaolinite,flyash accounted for 25% of the total raw materials and modulus of modified water glass was 1.3.(4)When the raw materials with the same content of flyash getted activated by sodium silicate with different modulus,the setting time getting longer along with the increase of the modulusof thesodium silicate.
碱活化改性高岭土／NR复合材料的结构和性能研究
实业 有 限公 司产 品 ； 水 氯 化 钙 ， 析 纯 ， 山市 无 分 鞍
作 者 简 介 ： 秀 华 （ ９ ５）女 ． 曹 １ ７一 ， 山东 济 宁人 ， 南 理 工 大 学 高 华
级工程师． 士 ， 博 主要 从事 电 子 材 料 及 复 合 材料 的研 究 。
维普资讯
目前 ， 高岭 土 填 充 橡胶 的研 究 基 本 是 以解 决
化学 试 剂厂 产 品 ； 性 高岭 土 ， 改 自制 。
１ ２ 配 方 ．
两 者 的界 面问题 为 主 ， 有关 高 岭土 分 散 形 态对 橡
胶 物理 性能 影 响的研 究报 道较 少 。高 岭 土具 有层 状 结构 ， 以面一 、 面 或边一 排列 的形 式 分散 可 面 边一 边 在溶 液 中ｕ 。在溶 液呈 碱性 或 有 阴离子 盐存 在 的 ］ 前 提下 ， 高岭 土粒 子 以 面一 排 列 为 主 ， 岭 土 排 面 高 列 方式 的变 化 直 接影 响高 岭 土／ 橡胶 复 合 材 料 的 物理 性能 和微 观结 构 。 在利 用乳 酸钾 和 氢氧化 钾 进行 高岭 土 无定形 化 的研 究 中发 现 ， 两 者浓 度较 低条 件下 ， 在 高岭 土 的 晶体形 态 不 变 ， 表 面 活性 增 大 。乳 酸 钾 和过 但
５０ ４ １ ６ ０）
摘 要 ： 用 凝 聚 共 沉 法 制 备 碱 活 化 改 性 高 岭 土／ 采 ＮＲ复 合 材 料 ， 对 其 物 理 性 能 和 微 观 结 构 进 行 研 究 。结 果 表 明 ， 并
高岭土改性时 间为 ３ｄ 改性 高岭土与天然胶乳混合温度为 ４ 、 ５℃ 、 改性 高岭 土用量 为 ４ Ｏ份 时， 活化改性 高岭土／ 碱 ＮＲ
偏高岭土改性超高强混凝土的强度构成分析
偏高岭土改性超高强混凝土的强度构成分析论文
本文旨在分析偏高岭土改性超高强混凝土的强度构成。
研究表明，偏高岭土改性超高强混凝土的主要强度构成包括水泥、砂子、碎石、外加剂和膨胀剂，以及岭土等原料。
首先，水泥是构成偏高岭土改性超高强混凝土的主要原料，并且具有重要的抗裂、抗压、抗渗性能，它是混凝土强度的主要影响因素。
其次，砂子是由原始岩石加工而成的微细颗粒，能够大大增加混凝土的抗压强度，具有良好的黏结性能。
此外，碎石增加了混凝土的抗折强度和耐久性，对混凝土的强度和性能也有着重要作用。
另外，外加剂和膨胀剂也是混凝土强度的重要组成部分，它们可以改变混凝土的结构，使其具有更高的强度、抗裂性能和抗冻性能。
最后，岭土是一种特殊的土壤，具有优良的抗渗性和保水性能，可以有效提高混凝土的抗压强度和抗折强度。
综上所述，偏高岭土改性超高强混凝土的强度构成主要包括水泥、砂子、碎石、外加剂、膨胀剂以及岭土等原料。
通过结合各种原料，可以获得一种超高强度的混凝土，具有优异的抗压、抗折、抗裂性能和耐久性，可以满足各种工程建设的需要。
总之，偏高岭土改性超高强混凝土的强度构成主要包括水泥、砂子、碎石、外加剂和膨胀剂以及岭土等原料，可以为某些工程建设提供一种高性能、高强度的新型混凝土材料。
纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究
第５０卷第４期２０２０年７月 东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ２０２０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０４．００６纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究范颖芳 张均良 李秋超（大连海事大学土木工程系，大连１１６０２６）摘要：为了探明纳米偏高岭土对水泥基材料断裂性能的影响规律，采用５种纳米偏高岭土（质量分数为１％、３％、５％、１０％、１５％）制备了纳米偏高岭土水泥砂浆切口试验梁，完成了带切口纳米偏高岭土水泥砂浆试件的三点弯曲试验和不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆抗折、抗压强度试验，得到了不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆的荷载位移曲线及抗折、抗压强度，探讨了纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂能、承载力、变形性能及抗折、抗压强度的影响规律．研究结果表明：当纳米偏高岭土质量分数小于５％时，砂浆试件断裂能、承载能力、变形性能、抗折与抗压强度随着纳米偏高岭土掺量增加而逐渐增加，当质量分数为５％时断裂能为普通水泥砂浆的３．３４倍；随着纳米偏高岭土掺量的进一步增加，纳米偏高岭土水泥砂浆试件断裂能不断降低，当质量分数达到１５％时，断裂能降为普通水泥砂浆的１．４７倍．因此，掺加适量纳米偏高岭土能够在一定程度上提高水泥砂浆抗裂性能．关键词：纳米偏高岭土；水泥砂浆；切口梁；断裂；强度中图分类号：ＴＵ５７８．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０２０）０４ ０６３７ ０８Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｎａｎｏ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒＦａｎＹｉｎｇｆａｎｇ ＺｈａｎｇＪｕｎｌｉａｎｇ ＬｉＱｉｕｃｈａｏ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｘａｍｉｎｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｎａｎｏ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ（ＮＭＫ）ｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ，ｆｉｖｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＮＭＫ（１％，３％，５％，１０％，１５％）ｗｅｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅ ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｎｏｔｃｈｅｄｍｏｒｔａｒｂｅａｍｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＮＭＫａｄｄｉｔｉｖｅｓ．ＴｈｅｒｕｐｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒｗｉｔｈｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＮＭＫｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｌｏａｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＮＭＫｗｅｒｅｏｂ ｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＮＭＫｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙ，ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｒｕｐｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙ，ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｒｕｐｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍｏｒｔａｒｉｎｃｒｅａｓｅｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈｔｈｅＮＭＫｃｏｎｔｅｎｔｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＮＭＫｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５％．ＷｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＮＭＫｉｓ５％，ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｉｓ３．３４ｔｉｍｅｓｔｈａｔｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＮＭＫｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｏｆＮＭＫａｄｄｅｄｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒｄｅｃｒｅａ ｓｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙ．ＷｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＮＭＫｒｅａｃｈｅｓ１５％，ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｒｅｄｕｃｅｓｔｏ１．４７ｔｉｍｅｓｔｈａｔｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｍｏｕｎｔｏｆＮＭＫｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ；ｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ；ｎｏｔｃｈｅｄｂｅａｍ；ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ收稿日期：２０１９ １１ ２１． 作者简介：范颖芳（１９７２—），女，博士，教授，博士生导师，ｆａｎｙｆ＠ｄｌｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５７８０９９）．引用本文：范颖芳，张均良，李秋超．纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０２０，５０（４）：６３７６４４．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０４．００６．ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 混凝土结构在环境、力学双重或多重因素耦合作用下耐久性下降、服役寿命缩短，甚至引发灾难性事故的工程案例不胜枚举．现行《混凝土结构耐久性设计规范》通过构造措施来保障结构耐久性，缺乏科学的理论依据，不能满足现实需求［１］．为解决混凝土耐久性低的问题，迫切需要发展新型高耐久性现代混凝土结构．纳米材料以其小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性被应用于建筑材料中，无疑从材料层次为混凝土耐久性设计开拓了一个新方向．纳米偏高岭土（ＮＭＫ）以其对水泥基材料抗氯离子渗透性、抗酸雨侵蚀性强、性价比高等优势得到土木工程人员的青睐，国内外学者相继研究了纳米偏高岭土对水泥浆流变性和触变性以及水泥基材料早期性能、强度、抗渗性等性能的影响，取得了显著的成果［２３］．然而，不同来源偏高岭土纯度、活性、粒径不同，针对改善水泥基材料的不同特性，纳米偏高岭土合理掺量不同，已有研究中所给出的纳米偏高岭土最优掺量差别较大．文献［４］研究表明，０．５％～１％纳米偏高岭土对水泥浆的触变性增加效果最为显著，过量掺加纳米偏高岭土（大于１．３％）效果减弱；文献［５６］研究表明，对于提高混凝土抗压强度而言，纳米偏高岭土最佳质量分数为１％；文献［７８］研究表明，对于水泥及水泥砂浆抗压强度，纳米偏高岭土最佳掺量为水泥质量的１０％．然而，有关环境、荷载等多因素作用下纳米偏高岭土水泥基材料断裂性能的试验和理论研究还是空白．为了研究纳米偏高岭土对水泥基材料断裂性能的影响规律，本文采用５种纳米偏高岭土（质量分数为１％、３％、５％、１０％、１５％）完成水泥砂浆配合比设计，浇筑试件为带切口纳米偏高岭土砂浆小梁．利用加载试验装置对纳米偏高岭土砂浆梁进行加载试验，得到荷载位移和荷载裂缝张口位移（Ｐ ＣＭＯＤ）的关系，分析讨论了纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂能、裂纹扩展规律、内力演化过程的影响规律．１ 试验研究１．１ 试验材料试验用水泥为小野田Ｐ·Ｏ４２．５Ｒ普通硅酸盐水泥，其化学成分见表１．纳米偏高岭土由内蒙古超牌偏高岭土有限公司生产，是由高岭石原矿经煅烧后研磨而成，其化学组成列于表２．纳米偏高岭土ＸＲＤ图谱如图１（ａ）所示，纳米偏高岭土和水泥的粒径分布如图１（ｂ）所示；砂子采用标准砂；拌制水泥砂浆用水为自来水．表１ 水泥化学成分（质量分数）％ｗ（ＣａＯ）ｗ（ＳｉＯ２）ｗ（Ａｌ２Ｏ３）ｗ（Ｆｅ２Ｏ３）ｗ（ＭｇＯ）ｗ（ＳＯ３）其他５９．３０２１．９１６．２７３．７８１．６４２．４１４．６９表２ 纳米偏高岭土化学组成（质量分数）％ｗ（ＳｉＯ２）ｗ（Ａｌ２Ｏ３）ｗ（Ｆｅ２Ｏ３）ｗ（ＣａＯ）ｗ（ＭｇＯ）ｗ（ＳＯ３）ｗ（Ｋ２Ｏ）ｗ（Ｎ２Ｏ）ｗ（ＩＬ）其他４９．４０４３．８８０．５１０．２７２．６６０．１４０．２３１．５２０．５９０．８０（ａ）ＸＲＤ图谱（ｂ）粒径分布（ｃ）ＴＥＭ形貌（ｄ）片层厚度图１ 纳米偏高岭土微观形貌和粒径分布图８３６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 由图１可看出，本文纳米偏高岭土的衍射峰呈弥散状，呈现为结晶态较差的过渡相；纳米偏高岭土和水泥的中位粒径（Ｄ５０）分别为１．７５和１４．２６μｍ，比表面积分别为４．０９和０．５８ｍ２／ｇ．图１（ｃ）、（ｄ）为纳米偏高岭土的ＴＥＭ形貌图像及纳米片层厚度的概率统计分析，可看出纳米偏高岭土片层厚度远小于１００ｎｍ．１．２ 纳米材料在水中的分散性纳米偏高岭土颗粒尺寸小，表面活性大，将其直接与干料拌和或先分散在水中再与干料拌和，都会出现颗粒团聚，形成二次颗粒，使团聚粒径变大，降低纳米偏高岭土对水泥基材料的性能改善效果．目前国内外有关纳米偏高岭土的分散技术主要包括物理分散方式（机械搅拌、超声分散以及高能处理法）和化学分散方式．基于国内外研究成果，为减少纳米偏高岭土颗粒的团聚并使其均匀分散于水泥砂浆，在制备试样前首先将纳米偏高岭土在蒸馏水中超声分散１５ｍｉｎ．然后制成悬浊液，随即与水泥、砂子拌制．１．３ 试件制作试验中试件水胶质量比为１∶２，胶砂质量比为１∶３；纳米偏高岭土质量分数为胶凝材料总用量的１％、３％、５％、１０％、１５％，试件配合比及编号如表３所示，试件制作工艺按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（ＪＴＧＥ３０—２００５）中《水泥胶砂强度检验方法（ＩＳＯ法）》（Ｔ０５０６—２００５）的相关规定进行．试验浇筑的带预制缝三点弯曲水泥砂浆试件尺寸为４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ，预制缝初始缝高比为０．４，缝深１６ｍｍ［９］，见图２．试验中预制缝利用２ｍｍ厚预埋钢板预制，为便于拆除，钢板表面事先涂抹脱模剂．试件浇筑成型后，２４ｈ拆模，表３ 纳米偏高岭土水泥砂浆配合比ｇ试件编号ｍ（水泥）ｍ（砂）ｍ（水）ｍ（偏高岭土）Ｍ０４５０．０１３５０２２５０．０Ｍ１４５５．５１３５０２２５４．５Ｍ３４３６．５１３５０２２５１３．５Ｍ５４２７．５１３５０２２５２２．５Ｍ１０４０５．０１３５０２２５４５．０Ｍ１５３８２．５１３５０２２５６７．５（ａ）三点弯曲切口梁试件尺寸 （ｂ）切口梁加载方式图２ 三点弯曲梁试件加载装置（单位：ｍｍ）拆除钢板，水中养护２８ｄ．同时，浇筑尺寸为４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的棱柱体砂浆试件，水中养护２８ｄ，测试其抗折、抗压强度．１．４ 试验方法及过程三点弯曲试验采用澳大利亚ＩＰＣＵＴＭ １００伺服液压多功能材料试验系统完成，荷载传感器量程为１００ｋＮ，精度为±０．０５％，顶部加载最大行程为１００ｍｍ，位移传感器精度为±０．５％；试验测试装置如图２所示．试验中采用位移加载控制，加载速率为０．０２ｍｍ／ｍｉｎ．为了判断砂浆试件是否开裂，监测裂缝尖端应力发展过程，确定裂缝起裂、开展及破坏过程，试验中在试件侧面预制缝尖端粘贴电阻应变片和应变花，如图３所示．试验用应变片型号为ＢＸ１２０ ５ＣＡ，电阻为（１１９．９±０．３）Ω，灵敏系数为（２．０８±１）％，试验中考虑温度变化影响，采用四分之一桥单臂温度补偿法测量（见图４）．所有应变片及补偿应变片与美国ＮＩＣｏｍｐａｃｔＤＡＱ９１８９应变采集系统连接，通过应变采集系统将试验数据传至计算机，数据采集频率为２０Ｈｚ．（ａ）试件正面（ｂ）试件背面图３ 试件表面应变布置图图４ １／４桥式测量电路原理图２ 试验结果分析与讨论２．１ 三点弯曲试验现象试验过程中，观察到不同纳米偏高岭土掺量水泥砂浆的试验现象及试件破坏形态，如表４和图５所示．可看出，整个受力破坏过程中不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆的表象基本相似，纳米偏高岭土９３６第４期范颖芳，等：纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ主要影响了裂纹的出现时刻、开展长度和宽度．当纳米偏高岭土质量分数小于５％时，随着纳米偏高岭土质量分数的增加，开裂荷载不断提高，裂缝扩展长度也在不断增大；当纳米偏高岭土质量分数为５％时，开裂荷载较普通水泥砂浆提高３３％；当纳米偏高岭土质量分数超过５％时，随着纳米偏高岭土质量分数的增加，开裂荷载不断降低，裂缝扩展长度不断缩短；当纳米偏高岭土质量分数为１５％时，试件开裂荷载与普通水泥砂浆接近．表４ 不同掺量纳米偏高岭土砂浆试件试验现象试件编号试验现象Ｍ０初始加载阶段，外观没有明显变化；随着荷载增加，当达到０．５７ｋＮ，在预设裂缝尖端附近出现细小可见裂缝；荷载继续增加，裂缝沿着初始方向缓慢发展，最终贯穿整个截面Ｍ１与Ｍ０基本相似，裂缝出现时荷载有所提高（０．６４ｋＮ），裂纹扩展长度增大，裂纹扩展时间增加Ｍ３与Ｍ１基本相似，裂缝出现时荷载有所提高（０．７１ｋＮ），裂纹扩展长度增大，裂纹扩展时间增加Ｍ５与Ｍ３基本相似，裂缝出现时荷载有所提高（０．７６ｋＮ），裂纹扩展长度增大，裂纹扩展时间增加Ｍ１０与Ｍ５基本相似，裂缝出现时荷载有所降低（０．６６ｋＮ），与Ｍ１试件裂缝出现荷载接近，裂纹扩展长度、裂纹扩展时间较Ｍ５缩短Ｍ１５与Ｍ５基本相似，裂缝出现时荷载有所降低（０．５０ｋＮ），与Ｍ１０试件相比，裂纹扩展长度减小，裂纹扩展时间缩短（ａ）Ｍ０（ｂ）Ｍ１（ｃ）Ｍ３（ｄ）Ｍ５（ｅ）Ｍ１０（ｆ）Ｍ１５图５ 不同纳米偏高岭土掺量水泥砂浆试件破坏形态２．２ 荷载位移曲线图６为三点弯曲试验梁试验中测得的不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆荷载位移曲线．由图可见，不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆试件在荷载作用下荷载位移曲线形式基本一致，可分为４个阶段：１）初始阶段．随着荷载的增加，位移缓慢增加，荷载与位移的关系曲线处于缓慢上升阶段，不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆荷载位移曲线基本保持一致．２）弹性阶段．随着荷载增加，位移增加速度加快，荷载和位移之间基本满足线性关系，水泥砂浆处于弹性阶段；不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆荷载位移曲线表现出的斜率不同，所达到的开裂荷载和位移发生了变化．３）带裂缝阶段．试件开裂后，随着荷载增加，位移增长速度进一步加快，水泥砂浆处于带裂缝工作阶段；不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆所达到的极限荷载和位移不同．４）下降阶段．该阶段荷载下降速率较快，伴随着位移缓慢增加，该阶段试件处于破坏状态．图６ 不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆荷载位移曲线２．３ 荷载裂缝张口位移曲线图７为三点弯曲试验梁试验中测得的不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆荷载裂缝张口位移曲线．由图可见，不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆试件在荷载作用下，荷载裂缝张口位移曲线形式基本一致，可分为３个阶段：①初始阶段．随着荷载的增加，裂缝张口位移不断增加，曲线处于上升阶段，基本满足线性关系，此时水泥砂浆基本处于弹性阶段．②上升阶段．随着荷载进一步增加，裂缝张口位移增长速率较早期阶段有所变化．③下降阶段．该阶段荷载下降速率较快，伴随着裂缝张口位移快速增加，该阶段试件处于破坏状态．对比不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆试件受弯过程中的荷载裂缝张口位移曲线，可看出，不同掺量纳米偏高岭土试件所能承受的峰值荷载、峰值０４６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ图７ 不同掺量纳米偏高岭土砂浆荷载裂缝张口位移曲线荷载对应位移以及极限位移都不相同．整体来讲，随着纳米偏高岭土掺量的增加，曲线顶点峰值所对应的横纵坐标不断增加，曲线整体向右上方偏移；但质量分数超过５％后，曲线顶点峰值所对应的的横纵坐标均迅速减小．２．４ 纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂能的影响考虑试件自重，根据图５所示三点弯曲试验试件荷载位移曲线，按照国际结构与材料研究协会混凝土断裂力学技术委员会（ＲＩＬＥＭＴＣ５０ ＦＭＣ）推荐的公式［１０］计算断裂能Ｇｆ，其表达式如下：Ｇｆ＝Ｗ０＋ｍｇδｍａｘＢ（Ｄ－ａ０）（１）式中，Ｗ０为试件跨中位置外荷载所做的功，可由荷载挠度曲线积分求得，Ｎ·ｍ；ｍ为两支点间试件质量，ｋｇ；ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２；δｍａｘ为试件跨中最大挠度，ｍ；Ｂ、Ｄ分别为试件的宽度和高度，ｍ；ａ０为预制缝高度，ｍ．由式（１）计算得到不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆的断裂能，结果如图８所示．图８ 纳米偏高岭土掺量与水泥砂浆断裂能的关系曲线由图８可看出：纳米偏高岭土能够在一定程度上提高水泥砂浆断裂能；随着纳米偏高岭土掺量增加，砂浆试件断裂能逐渐增加，当质量分数为５％时断裂能最高，是普通水泥砂浆的３．３４倍，此时砂浆抵抗裂缝扩展的能力较大；随着纳米偏高岭土掺量的进一步增加，纳米偏高岭土水泥砂浆试件断裂能不断降低，当质量分数达到１５％时，断裂能降为普通水泥砂浆的１．４７倍．究其原因，纳米偏高岭土的填充效应和火山灰效应造成水泥砂浆密实度增加，在受力过程中裂纹扩展需要消耗更多能量，因此断裂能增大；然而，随着纳米偏高岭土掺量的增加，水泥砂浆内部更加密实，试件延性逐步退化，表现出显著的脆性，在裂缝不能得到充分发展的情况下试件发生突然破坏，从而试件断裂能降低．为了从微观层次揭示纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能的影响，采用ＡｕｔｏＰｏｒｅⅣ９５００压汞仪测试不同质量分数纳米偏高岭土水泥浆孔径分布规律，见图９和表５；同时，从三点弯曲试验后的切口梁上获取试样，利用日本ＪＳＭ ６３６０ＬＶ扫描电子显微镜观察试样的内部微观形貌，得到不同纳米偏高岭土掺量水泥砂浆的内部微观形貌（见图１０）．图９ 不同掺量纳米偏高岭土水泥浆的孔径分布表５ 不同掺量纳米偏高岭土水泥浆孔结构参数测试结果纳米偏高岭土质量分数／％平均孔径／ｎｍ中位孔径／ｎｍ孔隙率／％比表面积／（ｍ２·ｇ－１）０９．７１３．２２６．４２０．９５６．３６．５２４．９２９．１１０６．１５．６２４．７３０．８１５５．４５．３２１．０３１．１ 由图９和图１０可看出，随着纳米偏高岭土掺量增加，水泥浆平均孔径、中位孔径和孔隙率逐渐减小，比表面积逐渐增大．因此，纳米偏高岭土增加了水泥浆密实度，细化了水泥浆孔结构［１１］．研究表明，纳米偏高岭土对水泥水化的促进作用（火山灰效应、成核效应）及其对水泥砂浆的填充效应是导致水泥砂浆内部密实度增加的主要原因．纳米偏高岭土颗粒的小尺寸效应使其表面能较高，有利于提高水泥砂浆断裂能．然而，当纳米偏高岭土掺量较大时（大于５％），水泥石水化产物生成量反而不及较低掺量纳米偏高岭土水泥砂浆（小于５％），导致１４６第４期范颖芳，等：纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（ｂ）Ｍ１（ｄ）Ｍ５（ｆ）Ｍ１５图１０ 不同纳米偏高岭土掺量水泥砂浆内部微观形貌水泥砂浆断裂能降低．２．５ 纳米偏高岭土对水泥砂浆极限荷载的影响基于纳米偏高岭土水泥砂浆切口梁三点弯曲试验，可得到不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆极限荷载与纳米偏高岭土掺量之间的关系（见图１１）．（ａ）开裂、极限荷载（ｂ）延性系数图１１ 纳米偏高岭土掺量与水泥砂浆荷载值和延性系数的关系曲线由图１１（ａ）可看出：当纳米偏高岭土掺量小于５％时，随着水泥砂浆中纳米偏高岭土掺量的增加，试件开裂荷载和极限荷载都逐渐增加；当纳米偏高岭土质量分数为５％时，开裂荷载和极限荷载较普通水泥砂浆分别提高３３％和２２％；当纳米偏高岭土掺量继续增加，砂浆试件开裂荷载和极限荷载不断下降，当质量分数达到１５％时，开裂荷载和极限荷载较普通水泥砂浆分别降低１２％和２０％．为了表征纳米偏高岭土掺量对砂浆脆性特性的影响，定义极限荷载Ｐｕ与开裂荷载Ｐｃｒ之比为试件延性系数．显然，试件延性系数Ｐｕ／Ｐｃｒ愈大，表明此构件的延性愈好．纳米偏高岭土掺量对水泥砂浆试件延性系数的影响规律如图１１（ｂ）所示．可看出，纳米偏高岭土导致水泥砂浆延性系数大幅下降，当质量分数达到５％时，水泥砂浆延性系数降低达５０％．２．６ 纳米偏高岭土对水泥砂浆变形性能的影响图１２为基于三点弯曲试验得到的纳米偏高岭土水泥砂浆荷载峰值对应的跨中位移随纳米偏高岭土掺量的变化关系．由图可见，随着纳米偏高岭土掺量增加，水泥砂浆极限荷载对应的跨中峰值位移在逐渐增加，在质量分数为５％时达到峰值，较普通水泥砂浆提高了６１％．但随着纳米偏高岭土掺量的继续增加，其极限荷载对应位移却呈现出不断下降的趋势．２４６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ图１２ 纳米偏高岭土掺量与水泥砂浆极限荷载对应位移的关系曲线２．７ 纳米偏高岭土水泥砂浆抗折、抗压强度依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（ＪＴＧＥ３０—２００５）［１２］的相关规定，采用电动抗折试验机和电液伺服压力试验机对养护２８ｄ的水泥砂浆分别进行抗折和抗压强度测试，试验中每组３个试件．纳米偏高岭土水泥砂浆抗折、抗压强度及折压比随偏高岭土掺量的变化关系如图１３所示．（ａ）抗折强度（ｂ）抗压强度（ｃ）折压比图１３ 纳米偏高岭土掺量与水泥砂浆强度的关系曲线由图１３（ａ）、（ｂ）可看出，当纳米偏高岭土质量分数小于５％时，随着纳米偏高岭土掺量增加，水泥砂浆抗压、抗折强度与纳米偏高岭土掺量成正相关；当质量分数为５％时，砂浆抗折、抗压强度达到最大，较普通水泥砂浆分别提高１５％和２５％；一旦纳米偏高岭土质量分数超过５％，砂浆抗折、抗压强度随着纳米偏高岭土掺量线性递减，其中抗折强度较抗压强度降低更为显著；当质量分数为１５％时，砂浆抗折、抗压强度较普通水泥砂浆分别提高０．５％和１６％．由图１３（ｃ）可看出，纳米偏高岭土对砂浆试件的折压比影响较小，不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆试件的折压比基本保持一致，一般在０．１１～０．１２之间．３ 结论１）适量纳米偏高岭土增强了水泥砂浆的断裂能．当纳米偏高岭土质量分数较小（低于５％）时，砂浆试件断裂能随纳米偏高岭土掺量增加逐渐增加，掺５％纳米偏高岭土砂浆试件断裂能为普通砂浆的３．３４倍；当纳米偏高岭土质量分数超过５％时，纳米偏高岭土砂浆试件断裂能不断降低．２）适量纳米偏高岭土能够改善水泥砂浆抗压、抗折强度．当纳米偏高岭土质量分数较小（低于５％）时，水泥砂浆抗压、抗折强度与纳米偏高岭土质量分数呈正相关；掺５％纳米偏高岭土砂浆抗折、抗压强度较普通水泥砂浆分别提高１５％和２５％；一旦纳米偏高岭土质量分数超过５％，砂浆抗折、抗压强度随着纳米偏高岭土质量分数线性递减；掺１５％纳米偏高岭土砂浆抗折、抗压强度较普通砂浆分别提高０．５％和１６％．３）纳米偏高岭土对砂浆试件的折压比影响较小，不同掺量纳米偏高岭土水泥砂浆试件的折压比一般在０．１１～０．１２之间．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］李宗津，孙伟，潘金龙．现代混凝土的研究进展［Ｊ］．中国材料进展，２００９，２８（１１）：１７，５３．ＬｉＺＪ，ＳｕｎＷ，ＰａｎＪＬ．Ｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｎｔｅｍ ｐｏｒａｒｙｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｉｎａ，２００９，２８（１１）：１７，５３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］莫宗云，刘益良，王大光，等．偏高岭土水泥基材料力学性能研究进展［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１８，３７（３）：９１１９１７．ＤＯＩ：１０．１６５５２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００１１６２５．２０１８．０３．０２６．ＭｏＺＹ，ＬｉｕＹＬ，ＷａｎｇＤＧ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏ ｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉ ａｌｓｂｌｅｎｄｅｄｗｉｔｈｍｅｔａｋａｏｌｉｎ［Ｊ］．ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，２０１８，３７（３）：９１１９１７．ＤＯＩ：１０．１６５５２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００１１６２５．２０１８．０３．０２６．（ｉｎＣｈｉ ｎｅｓｅ）［３］ＦａｎＹＦ，ＺｈａｎｇＳＹ，ＫａｗａｓｈｉｍａＳ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｋａｏｌｉｎｉｔｅｃｌａｙｏｎｔｈｅｃｈｌｏｒｉｄｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｅ ｍｅｎｔ ｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｍ ｐｏｓｉｔｅｓ，２０１４，４５：１１７１２４．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｅｍ ｃｏｎｃｏｍｐ．２０１３．０９．０２１．３４６第４期范颖芳，等：纳米偏高岭土对水泥砂浆断裂性能影响的试验研究［４］ＱｕａｎｊｉＺＪ，ＬｏｍｂｏｙＧＲ，ＷａｎｇＫＪ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎａｎｏ ｓｉｚｅｄｈｉｇｈｌｙｐｕｒｉｆｉｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｃｌａｙｏｎｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｆｒｅｓｈｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６９：２９５３００．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１４．０７．０５０．［５］ＭｕｈｄＮｏｒｈａｓｒｉＭＳ，ＨａｍｉｄａｈＭＳ，ＭｏｈｄＦａｄｚｉｌＡ，ｅｔａｌ．Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｏｆｎａｎｏｍｅｔａｋａｏｌｉｎａｓａｄｄｉｔｉｖｅｉｎｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＵＨＰＣ）［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１６，１２７：１６７１７５．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１６．０９．１２７．［６］ＦａｄｚｉｌＡＭ，ＭｕｈｄＮｏｒｈａｓｒｉＭＳ，ＨａｍｉｄａｈＭＳ，ｅｔａｌ．Ａｌｔｅｒａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｍｅｔａｋａｏｌｉｎｆｏｒｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｃ］／／ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｉｖｉｌａｎｄＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２０１３．Ｋｕｃｈｉｎｇ，Ｍａｌａｙｓｉａ，２０１４：８８７８９４．ＤＯＩ：１０．１００７／９７８９８１４５８５０２６＿７６．［７］Ａｌ ＪａｂｒｉＫ，ＳｈｏｕｋｒｙＨ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎａｎｏｍｅｔａｋａｏｌｉｎｏｎｔｈｅｒｍｏ ｐｈｙｓｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｒｏｐｅｒ ｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ ｖｏｌｕｍｅｆｅｒｒｏｃｈｒｏｍｅｓｌａｇｍｏｒｔａｒ［Ｊ］．Ｃｏｎ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１８，１７７：２１０２２１．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１８．０５．１２５．［８］Ａｌ ＳａｌａｍｉＡＥ，ＭｏｒｓｙＭＳ，ＴａｈａＳ，ｅｔａｌ．Ｐｈｙｓｉｃｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｌｅｎｄｅｄｗｈｉｔｅｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｌｙａｃｔｉｖａｔｅｄｕｌｔｒａｆｉｎｅｎａｎｏｃｌａｙｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１３，４７：１３８１４５．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１３．０５．０１１．［９］李庆华，徐松杰，徐世?，等．采用碳纳米管提高纤维砂浆的起裂断裂韧度［Ｊ］．建筑材料学报，２０１７，２０（２）：１８６１９０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７９６２９．２０１７．０２．００５．ＬｉＱＨ，ＸｕＳＪ，ＸｕＳＬ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｉ ｔｉａｌｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｆｉｂｅｒｍｏｒｔａｒｂｙｃａｒｂｏｎｎａｎｏ ｔｕｂｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１７，２０（２）：１８６１９０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７９６２９．２０１７．０２．００５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１０］ＲＩＬＥＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｔｔｅｅ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｏｆｍｏｒｔａｒａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｒｅｅ ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｔｅｓｔｓｏｆｎｏｔｃｈｅｄｂｅａｍｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９８５，１８：２８７２９０．［１１］朱绘美，宋强，张军．盐卤干湿循环耦合作用下纳米偏高岭土改性混凝土的性能［Ｊ］．硅酸盐学报，２０２０，４８（２）：２３７２４５．ＤＯＩ：１０．１４０６２／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４５６４８．２０１９０３１０．ＺｈｕＨＭ，ＳｏｎｇＱ，ＺｈａｎｇＪ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｎａｎｏ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎｕｎｄｅｒｃｏｕｐｌｅｄｅｆｆｅｃｔｏｆｓａｌｔｌａｋｅｂｒｉｎｅａｎｄｄｒｙ ｗｅｔｃｙｃｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，２０２０，４８（２）：２３７２４５．ＤＯＩ：１０．１４０６２／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４５６４８．２０１９０３１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１２］交通部公路科学研究所．ＪＴＧＥ３０—２００５公路工程水泥及水泥混凝土试验规程［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００５．４４６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
高性能土壤凝结剂[发明专利]
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[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1275605A [43]公开日2000年12月6日[21]申请号99106822.X [21]申请号99106822.X [22]申请日99.5.26[71]申请人周永玲地址810000青海省西宁市南山路116号省环保局共同申请人贾宁燕 艾先源[72]发明人周永玲 贾宁燕 艾先源[74]专利代理机构青海省专利服务中心代理人范远明 陈文福[51]Int.CI 7C09K 17/10//C0 9K103:00权利要求书 1 页 说明书 1 页[54]发明名称高性能土壤凝结剂[57]摘要本发明属于建筑用无公害新材料技术领域,特别涉及一种高性能土壤凝结剂。
其特征是此土壤凝结剂的原料配比为水泥熟料20～60%,矿渣20～56%,石灰8～24%,石膏5～20%,重量百分比,工艺过程为原料混匀→球磨→产品检验包装,或球磨→原料混匀→产品检验包装。
该产品不用焙烧,常温常压生产,工艺简单,用途广泛,造价低,产品性能远远超过现有水泥产品,使用中不用砂、石钢筋,其造价可节约50～60%费用,有较好的耐酸碱腐蚀性。
99106822.X权 利 要 求 书第1/1页 1、一种高性能土壤凝结剂，其特征是它的原料配比为水泥熟料20～60％，矿渣20～56％，石灰8～24％，石膏5～20％，重量百分比工艺过程为原料混匀→球磨→产品检验包装。
2、根据权利要求1所述的土壤凝结剂，其特征是最佳的原料配比为水泥熟料32～45％，矿渣28～40％，石灰12～20％，石膏10～15％，重量百分比。
3、一种高性能土壤凝结剂，其特征是它的原料配比为水泥熟料20～60％，矿渣20～56％，石灰8～24％，石膏5～20％，重量百分比，工艺过程为原料混匀→球磨→产品检验包装。
4、根据权利要求3所述的土壤凝结剂，其特征是最佳的原料配比为水泥熟料32～45％，矿渣28～40％，石灰12～20％，石膏10～15％，重量百分比。
古陶瓷修复用碱激发偏高岭土基胶凝聚合材料的制备及性能
第42卷第2期2021年4月Vol.42No.2Apr.2021 Journal of C eramicsDOI:ki.tcxb.2021.02.013古陶瓷修复用碱激发偏高岭土基胶凝聚合材料的制备及性能李其江，王宪旅，袁枫，张茂林，吴隽(景德镇陶瓷大学古陶瓷研究中心，江西景德镇333001)摘要：以修复要求最高的白瓷胎体为修复目标，选用超白高岭土为铝硅酸盐原料，钠水玻璃及NaOH为复合激发剂，制备出了可用于古陶瓷修复的碱激发偏高岭土基胶凝聚合材料，探讨了高岭土锻烧温度、激发剂模数、激发剂用量及水用量对其抗弯强度与抗水解性能的影响。
对最优样品的白度、透光度、粘结瓷胎强度及收缩率与石膏作了对比分析，并采用采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射分析了其结构特征。
结果表明，聚合反应生成的是纳米级小球状的硅铝胶凝聚合物，没有晶体及类晶体生成；制备出的最优样品抗弯强度可达10.72MPa,抗水解性能最优，对其制备影响最大的因素是高岭土的活化温度及水的用量；最优样品粘结瓷质胎体和陶质胎体的强度分别是石膏的31.71倍和5.29倍；白度和透光度与石膏相近，但膨胀系数大于石膏。
本研究工作拓宽了碱激发胶凝聚合材料的应用领域，对于古陶瓷的修复研究具有重要的意义。
关键词：古陶瓷；修复；碱激发；无机胶凝材料；高岭土中图分类号：K876.3文献标志码：A文章编号：1000-2278(2021)02-0325-08 Preparation and Properties of A lkali-activated Gelling Polymerwith Metakaolin for Ancient Ceramic RestorationLIQijiang,WANGXianlv,YUANFeng,ZHANG Maolin,WUJun(Research Center of Ancient Ceramic,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen333001,Jiangxi,China)Abstract:Aiming at the highest repair requirements for white porcelain body,ultra white kaolin was selected as the raw material of aluminosilicate,while sodium silicate and NaOH were used as the composite activators,alkali-activated gelling polymer materials that can be used for the repair of ancient ceramics have been prepared.The eilects of calcination temperature,activator modulus,dosage of activator and water consumption on flexural strength and hydrolysis resistance of the samples were studied and discussed.Whiteness,transmittance,flexural strength of the bonded white ceramic body and shrinkage of the optimized samples were compared with those of gypsum,with their structural characteristics to be analyzed by using SEM and XRD.It was demonstrated that the nano spherical silica alumina gel polymer was formed through polymerization,without the presence of crystal or quasi crystal.Specifically,the optimized sample reached a flexural strength of10.72MPa and the highest hydrolysis resistance.The activation temperature of kaolin and water consumption had the stgrongest influence on the performance of the materials.The strengths of the porcelain body and pottery were31.71times and 5.29times of gypsum,respectively.The whiteness and light transmittance of the optimal samples were similar to those of gypsum,but their expansion coefficient was higher than that of gypsum.This work broadened the application field of alkali-activated gelled polymer,which is of great significance to the restoration of ancient ceramics.Key words:ancient ceramic;restoration;alkali-activated;inorganic gelling materials;Kaolin0引言中国作为世界上唯一一个具有连续上万年陶收稿日期：2020-12—16。
偏高岭土-天然水硬性石灰胶凝材料的制备及其轻集料改性研究
偏高岭土-天然水硬性石灰胶凝材料的制备及其轻集料改性研究偏高岭土-天然水硬性石灰胶凝材料的制备及其轻集料改性研究一、引言水硬性石灰胶凝材料作为一种传统的建筑材料，具有一定的优势，如良好的耐久性、透气性和环境友好性等。
但在应用过程中，水硬性石灰胶凝材料存在着强度低、抗裂性差等问题。
为了改善水硬性石灰胶凝材料的性能，本文提出了利用偏高岭土作为改性剂，并引入轻集料进行轻质化改性的方法，以提高其强度和耐久性。
二、实验方法1. 偏高岭土的选择与处理在本文中，我们选择了一种含有高岭土矿物的粘土作为改性剂。
首先对高岭土进行研磨处理，然后通过筛选得到所需的颗粒大小。
之后，将高岭土与石灰水进行混合搅拌，形成偏高岭土溶液。
2. 水硬性石灰胶凝材料的制备将所得偏高岭土溶液与适量的石灰和水进行混合制备成水硬性石灰胶凝材料。
同时，为了控制其粘度和流动性，可以适量添加分散剂。
3. 轻集料的加入本实验中选择了气孔水泥砂浆作为轻集料。
将制备好的水硬性石灰胶凝材料与轻集料进行搅拌，使其均匀混合。
三、结果讨论通过对制备的水硬性石灰胶凝材料的强度、抗裂性、耐久性等性能进行测试，得到了以下结论：1. 加入适量的偏高岭土可以改善石灰胶凝材料的强度和抗裂性能。
这是因为偏高岭土中含有较多的硅酸盐矿物，可以增强胶凝材料的硬化反应。
2. 加入轻集料可以减轻石灰胶凝材料的密度，使其具有较好的轻质化效果。
同时，轻集料还可以增加胶凝材料的孔隙率，提高其透气性，有利于胶凝材料的耐久性。
3. 经过一系列的试验，得到了制备水硬性石灰胶凝材料的最佳配比为：水硬性石灰胶凝料、偏高岭土溶液和轻集料的质量比为3:1:1。
四、结论本实验通过采用偏高岭土作为改性剂，并引入轻集料进行轻质化改性的方法，成功改善了水硬性石灰胶凝材料的性能。
得到的改性材料具有较高的强度、抗裂性和耐久性，并具有较好的轻质化效果。
这为水硬性石灰胶凝材料的应用提供了一种新的技术途径。
另外，本研究还为其他类似胶凝材料的改性提供了一定的参考价值。
偏高岭土-矿渣基地聚合物缓凝剂的性能研究
偏高岭土-矿渣基地聚合物缓凝剂的性能研究诸华军;姚晓;张祖华;王道正;何玉鑫【摘要】A retarder BCH developed from independent research was usedto adjust the setting time of metakaolin-slag geopolymer paste, Analysis of reaction heat, measurement of chemically combined water content and micro-morphology analysis were used to verify the retarding effect of BCH. Results show that BCH can be used to effectively decrease the reaction rate of geopolymer paste and improve the eompressive strength of solidified products. BCH has the best retarding efficiency with addition of 5. 0%(by mass). At 20 ℃ and 80 ℃ the initial setting time is prolonged by 20.4 and 13. 7 times that without the retarder respectively. At 80 ℃ the eompressive strength at 3 d and 28 d is improved by 12. 28% and 5. 80% respec tively. Alkali activated reaction at 20 ℃ and 50 ℃ has late and lower exothermal peak than that without BCH. Alkali activated reaction at 80 ℃ takes place during the period of 4. 0~6. 0 h and is later than that without BCH( for 0. 2~1. 0 h). When reacted a t 80 ℃for 1. 0 h, the paste does not set, the product is covered with a layer of slurry, whereas the product of alkali activated reaction without BCH is compact solid.%以自主研发的缓凝剂BCH对偏高岭土-矿渣基地聚合物浆体凝结时间进行调节；利用反应热分析、化学结合水量测定和微观形貌观察等方法对BCH的缓凝效果进行验证.结果表明:缓凝剂BCH能有效延缓地聚合物浆体的反应速率,且对其硬化体抗压强度有一定增强作用.当BCH掺量为5.0％(质量分数)时,缓凝效果最佳,地聚合物浆体20℃和80℃的初凝时间分别比未掺BCH的增加了20.4倍和13.7倍；80℃养护3d和28 d的地聚合物硬化体抗压强度分别比未掺BCH的提高了12.28％和5.80％；在20℃和50℃下碱激发反应放热峰出现时间较未掺BCH的明显延迟,放热峰强度显著降低；80℃时碱激发反应主要发生在4.0～6.0 h时间段,较未掺BCH的反应时间段(0.2～1.0 h)滞后；80℃碱激发反应1.0h后,反应产物浆体不凝结,产物颗粒表面覆盖黏附物,而未掺BCH的碱激发反应产物为连续致密的硬化体.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2012(015)003【总页数】6页(P416-421)【关键词】地聚合物;凝结时间;缓凝剂;反应热【作者】诸华军;姚晓;张祖华;王道正;何玉鑫【作者单位】盐城工学院材料工程学院,江苏盐城224051;南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009;南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009;常州市建筑科学研究院有限公司,江苏常州213015;南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009【正文语种】中文【中图分类】TQ177.1地聚合物是一种不同于硅酸盐水泥的新型碱激发胶凝材料，主要由低聚态—Si—O—，—Al—O—分子基团缩聚形成，其终产物以共价键和离子键为主.因此，地聚合物的力学性能、耐久性能优异，引起了世界各国材料研究者的重视，是近年来国际上研究非常活跃的材料之一[1－6].在碱激发条件下，偏高岭土和矿渣可反应形成偏高岭土矿渣基地聚合物（以下简称为地聚合物）.由于偏高岭土和矿渣均属于高活性无机硅铝酸盐，碱激发条件下凝结、硬化快，特别是高温条件下碱激发反应速率更是难以控制[7]，从而使得地聚合物的推广应用受到限制，如其无法应用于高温地区路面浇注、核废料处理等工程作业中.国内外许多研究人员对偏高岭土、矿渣的碱激发反应速率及其影响因素进行了研究，如史才军等[7]对工业废渣粉的碱激发反应特性进行了分析，认为温度对工业废渣粉碱激发反应速率的影响显著，高温下浆体凝结速率快；郑娟荣等[8]对碱偏高岭土胶凝材料凝结硬化性能的影响因素进行了研究，并指出80℃条件下，低模数（0.5～1.0）水玻璃与偏高岭土形成的胶凝材料在拌和时发生闪凝.Yao等[9]测试了20℃和50℃时偏高岭土的水化热，结果表明，反应温度提高，偏高岭土反应放热速率和放热强度明显提高.上述研究表明，反应温度提高，偏高岭土、矿渣的碱激发反应速率明显加快，高温条件下的反应速率更是难以控制.然而，针对该类胶凝材料高温下凝结速率快的问题，前期研究均未提出有效解决方法.例如，焦宝祥等[10]对常温下水玻璃矿渣胶凝材料的缓凝问题进行了研究，指出消石灰对水玻璃矿渣水泥具有良好的缓凝作用，但未涉及高温条件下的调凝问题.另外，目前关于地聚合物凝结速率方面的研究很少，在高温条件下对地聚合物凝结速率控制的研究还未见报道.本试验前期也使用了多种水泥类缓凝剂以期对地聚合物凝结时间进行控制，如石膏、酒石酸及木钙类、高分子类缓凝剂等，但均无效果.为此，笔者自主研发了缓凝剂BCH，并通过BCH对地聚合物浆体的凝结时间进行调节，同时利用反应热分析、化学结合水量测定和微观形貌观察等方法对BCH的缓凝效果进行验证，以求有效解决地聚合物高温下凝结速率快的技术难题，为地聚合物的广泛应用提供新技术支持.1 试验1.1 原材料偏高岭土产自江苏苏州，比表面积为750m2／kg；矿渣产自江苏南京，比表面积为410m2／kg，2种原材料的化学组成分析结果见表1.碱激发材料为液体硅酸钠（模数为3.2，密度为1.69g／cm3），用NaOH调节其模数至2.0，加水稀释后备用.缓凝剂BCH为试验室自制，白色粉末，主要由适当比例的有机二元酸和碱金属盐反应后，生成产物经干燥粉磨而制得.表1 偏高岭土和矿渣的主要化学组成Table1 Main chemical components（by mass）of metakaolin and slag%Raw material Al2O3SiO2CaO K2O Na2O Fe2O3MgO Metakaolin 44.03 52.20 0.31 0.69 0.15 0.65 0.27 Slag 19.84 36.86 31.75 0.53 0.37 0.80 8.531.2 试验方法地聚合物浆体制备时，经试验优选，确定偏高岭土与矿渣质量比为60︰40，浆体液固比为0.89mL／g.地聚合物浆体凝结时间、地聚合物硬化体抗压强度的测试按照GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准进行，其中凝结时间测试样的养护温度分别为20℃和80℃，抗压强度测试样的养护温度为80℃；进行反应热分析时，将配制好的地聚合物浆体置于预热（20，50℃）稳定的STA449C型同步综合热分析仪中（仪器最高试验温度为50℃），然后记录碱激发反应放热速率的变化；SEM分析时，取养护至规定龄期的反应产物，经烘干、喷金后，用JSM－5900型扫描电子显微镜观察其微观形貌.2 结果与讨论2.1 BCH掺量对地聚合物浆体凝结时间的影响BCH掺量（以占偏高岭土和矿渣的总质量分数计）对地聚合物浆体凝结时间的影响见图1.由图1可见：（1）在20，80℃条件下，随着BCH掺量的增大，地聚合物浆体凝结时间均呈现出先增大而后减小的趋势，其中BCH掺量为5.0%时，缓凝效果最佳，地聚合物浆体的初凝时间和终凝时间均最长.（2）在20℃条件下，未掺BCH地聚合物浆体的初凝时间和终凝时间分别为76min和356min.随着BCH掺量增大至5.0%，浆体初凝时间缓慢增长，终凝时间增长速率明显高于初凝时间.当BCH掺量为5.0%时，浆体初凝时间为1 625min，终凝时间达到5230min，分别比未掺BCH地聚合物浆体增加了20.4倍和13.7倍.（3）80℃条件下，地聚合物反应速率显著加快，未掺BCH地聚合物浆体的初凝时间和终凝时间分别为18min和26min.随着BCH掺量增大至5.0%，浆体初凝时间和终凝时间均明显延长；BCH掺量为5.0%时，浆体初凝时间为329min，终凝时间为342min，分别比未掺BCH地聚合物浆体增加了17.3倍和12.2倍.由此可见，缓凝剂BCH的加入能有效减缓地聚合物的凝结固化速率.图1 BCH掺量对地聚合物浆体凝结时间的影响Fig.1 Effect of BCH addition on setting time of geopolymer paste2.2 BCH掺量对地聚合物硬化体抗压强度的影响缓凝剂BCH能有效延缓地聚合物浆体的凝结固化速率.养护温度为20℃，BCH掺量为5.0%时，地聚合物浆体养护3d仍未完全硬化，因此，试验选择考察80℃条件下，不同BCH掺量对地聚合物硬化体抗压强度的影响，结果见表2.表2 BCH掺量对地聚合物硬化体抗压强度（80℃）的影响Table2 Effect of BCH addition on compressive strength（80℃）of solidified geopolymerBCH addition（by mass）／%Compressive strength／MPa 3d 7d 28d 0 33.4 35.8 36.2 1.0 35.2 36.7 38.1 3.0 38.4 38.2 39.0 5.0 37.5 37.6 38.3 8.0 28.9 32.3 32.8由表2可见：当BCH掺量≤5.0%时，各龄期地聚合物硬化体的抗压强度均大于未掺BCH地聚合物硬化体.当BCH掺量为5.0%时，80℃养护3d和28d的地聚合物硬化体抗压强度分别比未掺BCH的提高了12.28%和5.80%.这主要是由于高温（80℃）下未掺BCH时，碱激发反应速率太快，偏高岭土和矿渣未能完全反应.加入BCH后，碱激发反应速率减缓，偏高岭土和矿渣反应较完全，从而使地聚合物硬化体抗压强度增加.由表2还可见：过量（8.0%）BCH的加入使地聚合物硬化体的抗压强度降低.综合考虑BCH对地聚合物浆体的调凝效果和对地聚合物硬化体抗压强度的影响，BCH的适宜掺量为5.0%.2.3 BCH掺量对碱激发反应过程的影响碱激发反应过程是一个复杂的物理化学反应过程，偏高岭土、矿渣和碱溶液、水接触后放出吸附溶解热，同时碱激发过程也放出大量化学反应热.通过对碱激发反应放热速率的测试可对碱激发反应过程进行考察和分析.图2是不同BCH掺量下碱激发反应放热速率图.图2 不同BCH掺量下碱激发反应放热速率图Fig.2 Heat evolution of alkali activated reaction at different BCH addition由图2可见，BCH的掺入对碱激发反应放热有较大影响.20℃条件下，未加入缓凝剂时，第1个放热峰出现时间较早（2.0h），放热速率大（4.87mW／g），放热时间短；第2个放热峰出现在12.0h，放热速率为2.18mW／g，放热时间较短，至25.0h后，放热速率较低.BCH的加入降低了碱激发反应过程放热速率.当BCH 掺量为2.0%时，最大放热峰在6.7h出现，放热速率为2.94mW／g.由于BCH掺量少，偏高岭土、矿渣和碱溶液接触后的溶解热降低，加上碱激发反应放热，2个放热峰发生叠加.当BCH掺量为5.0%时，放热速率明显减小、放热峰强度降低.而BCH掺量为8.0%时，在1.8h左右有1个放热峰出现，峰型较小，可能为缓凝剂与体系中其他离子发生化学反应所致，该反应的发生也促进了地聚合物浆体的凝结硬化.反应温度为50℃时，放热速率明显提高.未掺缓凝剂时，最高放热峰出现在1.4h，放热速率为5.26mW／g，未出现明显的第2个放热峰（这是因反应温度提高导致放热速率加快，单位时间内放热量增大，引起放热峰叠加所致）.掺加BCH后，放热速率降低.当BCH掺量为2.0%时，在4.3h出现1个较大的放热峰，放热速率为3.78mW／g.BCH掺量增大至5.0%和8.0%时，放热速率明显减缓，放热峰分别出现在11.3h和9.8h左右，与未掺BCH碱激发反应相比，放热峰出现时间推迟，放热峰强度降低，放热时间延长.图3为20℃下BCH掺量对偏高岭土、矿渣碱激发反应放热速率的影响.由图3可见，偏高岭土和矿渣中加入5.0%BCH后，放热峰出现时间延迟，矿渣碱激发反应最强放热峰由1.0h（5.39mW／g）延迟至9.0h（3.74mW／g），偏高岭土碱激发反应最强放热峰由11.4h（2.56mW／g）延后至20.7h（2.05mW／g）.可见，缓凝剂BCH 对偏高岭土、矿渣的碱激发过程均有明显延缓作用.图3 BCH掺量对偏高岭土、矿渣碱激发反应放热速率的影响Fig.3 Effect of BCH addition on heat evolution in alkali activated reaction of metakaolin or slag 2.4 BCH对碱激发反应产物化学结合水量的影响化学结合水量测定是研究胶凝材料水化过程普遍使用的方法之一，化学结合水量随水化物量的增加而增大，即随水化程度的提高而增加[11].地聚合物属于碱激发胶凝材料，反应过程中伴随大量水化反应的进行.图4为80℃条件下，BCH对碱激发反应产物化学结合水量（质量分数）的影响.图4 BCH对碱激发反应产物化学结合水量的影响Fig.4 Effect of BCH on the content（by mass）of chemically combined water in alkali activated reaction product由图4可见，掺入5.0%BCH对碱激发反应后期产物的化学结合水量影响较小（反应12.0h时，未掺BCH的化学结合水量为7.35%，掺BCH的化学结合水量为7.66%），但对碱激发反应前期产物的化学结合水量影响较大.未掺BCH时，碱激发反应产物化学结合水量在0.2～1.0h内急剧提高，反应2.0h后，化学结合水量变化较小，可见碱激发反应主要发生在0.2～1.0h时间段.掺加5.0%BCH后，碱激发反应产物化学结合水量在0.5～4.0h时间段变化幅度较小，而在4.0～6.0h时间段化学结合水量增加较快，可见掺加BCH后碱激发反应主要发生在4.0～6.0h时间段.这也表明，5.0%BCH的掺入能有效延缓地聚合物碱激发反应的进行.2.5 碱激发反应产物形貌分析将80℃下碱激发反应1.0h后的产物浸泡于无水乙醇中，然后观察其外观形貌（见图5），结果发现，掺5.0%BCH的碱激发反应产物外观形貌完全不同于未掺BCH的碱激发反应产物.未掺BCH的碱激发反应产物浆体已固化，具有一定强度，试样破碎后呈块状；而掺5.0%BCH的碱激发反应产物浆体未凝结，经无水乙醇终止水化时，反应产物仍以微小颗粒沉淀于瓶子底部.可见，BCH的掺入能明显延缓碱激发反应的进行.图5 80℃下碱激发反应1.0h后产物的外观形貌Fig.5 Product appearance after 1.0halkali activated reaction at 80 ℃图6为80℃下碱激发反应1.0h后产物的显微形貌.由图6可见，掺入5.0%BCH 后，碱激发反应产物的显微形貌完全不同于未掺BCH的.未掺BCH时，碱激发反应速率快，碱激发反应产物浆体在1.0h时固化形成连续致密的硬化体.掺入5.0%BCH后，碱激发反应速率大幅降低，在1.0h时碱激发反应产物浆体未凝结固化，反应产物仍以颗粒状形式存在，且其表面有絮状黏附物，应为缓凝剂反应后在原料颗粒表面形成的沉淀，这种沉淀暂时阻碍了偏高岭土和矿渣碱激发反应的进行.图6 80℃下碱激发反应1.0h后产物的显微形貌Fig.6 SEM images after1.0halkali activated reaction at 80 ℃3 结论（1）缓凝剂BCH可有效延缓地聚合物碱激发反应速率.BCH掺量为5.0%时，地聚合物浆体在20℃和80℃的初凝时间分别比未掺BCH的增加了20.4倍和13.7倍.（2）BCH的掺加有利于地聚合物硬化体抗压强度的发展.当BCH掺量为5.0%时，80℃养护3d和28d的地聚合物硬化体的抗压强度分别比未掺BCH的提高了12.28%和5.80%.（3）当BCH 掺量为5.0%时，20，50℃下碱激发反应放热速率显著降低，放热峰出现时间大幅延迟；5.0%BCH对偏高岭土和矿渣的碱激发反应（20℃）均有明显延缓作用.（4）当BCH掺量为5.0%时，碱激发反应主要发生在4.0～6.0h时间段；未掺BCH时，碱激发反应主要发生在0.2～1.0h时间段.（5）80℃反应1.0h时，未掺BCH的碱激发反应产物为连续致密的硬化体，而掺5.0%BCH的碱激发反应产物浆体未凝结固化，且反应产物颗粒表面有黏附物.参考文献：[1]YIP C K，LUKEY G C，Van－DEVENTER J S J.The coexistence of geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation[J].Cement and Concrete Research，2005，35（9）：1688－1697.[2]KONG D L Y，SANJAYAN J G，KWESI S parative performance of geopolymers made with metakaolin and fly ash after exposure to elevated temperatures[J].Cement and Concrete Research，2007，37（12）：1583－1589.[3]KOMNITSAS K，ZAHARAK D D.Geopolymerisation：A review and prospects for the minerals industry[J].Minerals Engineering，2007，20（14）：1261－1277.[4]DUXSON P，FERNANDEZ－JIMENEZ A，PROVIS J L，et al.Geopolymertechnology：The current state of the art[J].J Mater Sci，2007，42（9）：2917－2933.[5]诸华军，姚晓，张祖华.高岭土煅烧活化温度的初选[J].建筑材料学报，2008，11（5）：621－625.ZHU Hua－jun，YAO Xiao，ZHANG Zu－hua.Optimization of calcined temperature for kaolin activation[J].Journal of Building Materials，2008，11（5）：621－625.（in Chinese）[6]Van－JAARSVELD J G S，Van－DEVENTER J S J.The potential use of geopolymeric materials to immobilize toxic metals（PartⅠ）：Theory and applications[J].Minerals Engineering，1997，10（7）：659－669.[7]SHI C J，KRIVENKO P V，ROY D.碱激发水泥和混凝土[M].史才军，郑克仁译.北京：化学工业出版社，2008：63－64.SHI C J，KRIVENKO P V，ROYD.Alkali－activated cements and concretes[M].Translated by SHI Cai－jun，ZHENG Keren.Beijing：Chemical Industry Press，2008：63－64.（in Chinese）[8]郑娟荣，覃维祖，张涛.碱偏高岭土胶凝材料的凝结硬化性能研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2004，31（4）：60－63.ZHENG Jun－long，QIN Wei－zu，ZHANG Tao.The setting and hardening characteristics of alkali－activated metakaolin cementitious material[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2004，31（4）：60－63.（in Chinese）[9]YAO X，ZHANG Z H，ZHU H J，et al.Geopolymerization process of alkali－metakaolinite characterized by isothermalcalorimetry[J].Thermochimica Acta，2009，493（1－2）：49－54.[10]焦宝祥.水玻璃矿渣水泥的缓凝剂研究[J].化学建材，2002（11）：12－15.JIAO Bao－xiang.Study on retarder of water glass－slagcement[J].Chemical Building Materials，2002（11）：12－15.（in Chinese）[11]毕文彦，管学茂，邢锋，等.水泥矿物水化率的测定与特性分析[J].河南理工大学学报：自然科学版，2008，27（5）：586－592.BI Wen－yan，GUAN Xue－mao，XING Feng，et al.The measurement and characteristic analyses of cement mineral hydration rates[J].Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science，2008，27（5）：586－592.（in Chinese）。
水玻璃对地聚合物凝结时间以及产物的影响
重庆大学本科学生毕业设计〔论文〕水玻璃对地聚合物凝结时间和产物的影响学生：王俊学号：20213883指导教师：彭小芹教授专业：材料科学与工程〔建筑材料工程方向〕重庆大学材料科学与工程学院二O一二年六月Graduation Thesis of Chongqing University Effects of Water-glass to Geopolymer on The Setting Time and ProductsUndergraduate: Wang JunSupervisor: Prof. Peng XiaoqinMajor: Materials Science and Engineering〔Building Materials Engineering〕College of Material Science and EngineeringChongqing UniversityJune 2021摘要地聚合物是建筑材料中一种新型碱激发无机聚合胶凝材料，其反响产物是一种三维网络状的无机聚合物。
地聚合物原材料的制备过程中CO2和工业三废的排量以及能耗方面都比普通硅酸盐水泥更具有环境协调性。
故地聚合物是一种“绿色环保材料〞，当前可持续开展形势下此种绿色环保材料有极大的开展空间。
本课题是基于对地聚合物研究过程中遇到速凝和凝结时间不稳定的问题制约了地聚合物的进一步研究。
解决碱激发偏高岭土地聚合物凝结时间问题，对地聚合物的研究进展有极大的促进作用。
本次试验主要研究水玻璃的模数〔M〕、掺量以及改性水玻璃等对偏高岭土基地聚合物净浆的凝结硬化规律和反响产物力学性能；利用FTIR微观分析方法对碱激发偏高岭土的反响机理和反响过程进行了初步探索。
实验结果说明：1、水玻璃模数与地聚合物凝结时间呈负相关；随着水玻璃模数的增加抗压强度增长后减低。
2、对于相同模数的水玻璃其掺量与凝结时间和抗压呈正相关；地聚合物早期强度开展很快，但后期强度有倒缩现象。
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碱- 偏高岭土胶凝材料的凝结硬化性能研究
郑娟荣1, 2, 覃维祖2 , 张 涛2
( 1. 湖南大学 土木工程学院 , 湖南 长沙 410082; 2. 清华大学 土木工程系 , 北京 100084)
摘 要: 对碱- 偏高岭土胶凝材料的凝结硬化性能进行了研究. 研究方法是将碱激发剂 偏高岭土 砂= 0. 7 1 1( 质量比) 混合并成型为 3 cm 3 cm 3 cm 的试块, 在规定的条件下
第 31 卷 第 4 期 2004年8月
湖 南 大 学 学 报 ( 自然科学版) Journal of Hunan U niversity ( N atural Sciences)
文章编号: 1000- 2472( 2004) 04- 0060- 04
Vol. 31, No. 4 Aug 2 0 0 4
文献标识码: A
T he Set ting and Hardening Charact erist ics of Alkal-i Act ivated M etakaolin Cem ent it ious M aterials
ZHEN Juan- yong, QIN W e-i zu, ZHANG T ao
( 1. College of Civil Engineering, Hunan U niv , Chang sha 410082, China; 2. Dept of Civil Engineer ing , T shinghua U niv, Beijing 100084, China)
Abstract: T he sett ing and hardening characterist ics of alkal-i act ivat ed metakaolin cement it ious m at erials w ere investigat ed. Raw materials were blended according to liquid alkaline met akaolin sand = 0. 7 1 1 ( mass ratio) ; t hen, the mixt ure was cast int o 3 3 3( cm) metal model and cured f or a given t ime under given condit ions; f inally , t he set ting and hardening charact eristics w ere evaluated w it h the com pressive st rengt hs of specimen. T he test results have indicated t hat t he com pressive strengt hs of alkal-i act ivated met akaolin cement-i t ious mat erials are quickened w ith the increase of t he concent rat ion of liquid alkaline, curing t emperat ure, and the duration of curing; the compressive strengt hs are also related w it h t he modulus of water- glass: t he development speed of the compressive st rength is rapid w hen t he modulus values of w at er-g lass are 0. 75~ 1; t he sand mort ar of alkal-i act iv at ed met akaolin cement it ious materials can not be demoulded at 80 for a period of 24 h w hen t he modulus values of water- glass are no less t han 2; When t he modulus values of w ater- glass are 0. 5, flash set t ing occurs to t he sand mort ar w hile being mixed. T herefore, it can be concluded t hat w hen t he modulus v alues of w at er- glass are 0. 75~ 1, the original state of SiO2 in w ater- glass may be benef icial to t he formation of reaction product s and/ or the dissolving velocit y of metakaolin in t his kind of alkaline concentrat ion may be equal to t he f orm at ion velocity of reaction product s.
1 1 原材料 1) 偏高岭土. 本研究过程所采用的偏高岭土取
自山西大同的煤质高岭土, 经破碎、粗磨、煅烧( 800 5 h) , 再磨细到比表面积为 400 m2/ kg, 其化学
成分( 本文所涉及的组成、含量等均为质量分数或质 量 比) 如表1. 图1为偏高岭土的X射线衍射图, 表
2) 碱激发剂. 由氢氧化钠、氢氧化钾、可溶性硅酸 钠溶液( 水玻璃) 和水按配比配制成不同浓度或不同 模数的液体碱激发剂. 其中氢氧化钠和氢氧化钾为化 学纯试剂、可溶性硅酸钠溶液为工业产品. 本试验配 制了 8 种液态碱激发剂, 其基本技术指标见表 2.
以推断: 当水玻璃模数为 0. 75~ 1 时, 水玻璃中 SiO2 初始状态有利于反应产物的形成以及 ( 或者) 偏高岭土在该水玻璃的碱浓度中的溶解度可能与反应物的形成速度相匹配.
关键词: 碱- 偏高岭土胶凝材料; 凝结硬化性能; 碱激发剂的种类和浓度; 养护条件; 水
玻璃模数
中图分类号: T U502
表 3 碱偏高岭土胶凝材料砂浆的抗压强度( MPa)
Tab. 3 Compressive strengths of alkal-i activated
metakaolin sand mortars( MPa)
碱激发剂
养护温度 /
4h
养护时间
12 h
24 h
20
0. 0
0. 0
0. 0
S1
60
2. 0
15. 0
16. 6
80
11. 3
养护到规定的时间, 根据试块的抗压强度来评价凝结硬化性能. 试验结果表明: 碱- 偏高岭土
胶凝材料的胶砂强度随碱的浓度增加而加快; 随养护温度升高和养护时间延长而加快; 与水 玻璃的模数有关. 当水玻璃模数为 0. 75~ 1 时, 胶砂强度发展速率迅速; 当水玻璃模数 2
时, 砂浆在 80 养护 24 h 不能脱模; 当水玻璃模数为 0. 5 时, 砂浆拌合时发生闪凝. 由此可
从表 3 可看出: 对于同一种碱激发剂, 碱偏高岭 土胶凝材料的胶结强度发展速率随养护温度升高而 加快、随养护时间延长而略有提高; 随碱激发剂的浓 度升高或水玻璃的模数下降而加快.
为了验证水玻璃的模数和养护湿度对碱偏高岭 土胶凝材料胶结强度的影响, 补充了一组 试验( 如 表 4) .
从表 4 可看出: 当液体钠水玻璃的模数为 0. 75 ~ 1 之间时, 与偏高岭土形成的胶凝材料的胶砂强 度在 80 ( 相对湿度大于 90% ) 养护时, 其强度高 达 50 M Pa; 在常温( 约 20 ) , 相对湿度 65% 的条 件下养护 24 h, 其试块的抗压强度约为 20 MP a. 当 水玻璃模数 2 时, 砂浆在 80 或 20 养护 24 h 都不能脱模. 当液体钠水玻璃的模数为 0. 5 时, 与偏 高岭土形成的胶凝材料在拌合时发生闪凝, 高浓度 碱( S14) 并不使偏高岭土发生闪凝.
2 试验结果
表 2 中 8 种碱激发剂和偏高岭土和标准砂配制 砂浆的配比( 质量比) 为: 液体碱激发剂 偏高岭土
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湖南大学学报( 自然科学版)
2004 年
砂= 0. 7 1 1. 按上述配比配料并搅拌均匀, 所得到 的砂浆的跳桌流动度约为 210~ 220 mm, 然后浇注 为 3 cm 3 cm 3 cm 的试块, 在规定的温度下养护 ( 湿度大于 90% ) 到规定的时间, 最后测试其抗压强 度, 试验结果见表 3.
收稿日期: 2003-09- 16 基金项目: 清华大学中大博士后基金资助 作者简介: 郑娟荣( 1964- ) , 女, 湖南道县人, 博士, 湖南大学副教授. E-mail: ljshncs@ 126. com
第4期
郑娟荣等: 碱- 偏高岭土胶凝材料的凝结硬化性能 研究
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Key words: alkal-i act ivated met akaolin cement it ious m aterials; sett ing and hardening characterist ics; kinds and concentrations of alkaline; curing condit ions; modulu of w ater- glass
材料研究者的极大兴趣. 本文作者对于碱激发偏高 岭土胶凝材料的形成条件( 碱的种类和浓度、配比、 养护条件等) 进行了研究, 以便了解影响该胶凝材料 凝结硬化性能的变化因素.
明偏高岭土主要为无定形物质, 其中含少量结晶质 二氧化硅.
1 原材料及试验方法
图 1 偏高岭土的 XRD 图 F ig. 1 XRD pattern of metakaolin