碱激发胶凝材料的反应产物_王旻

· 1130 ·2009年

碱激发胶凝材料的反应产物

王旻

(清华大学土木工程系，北京 100084)

摘要：通过X射线衍射、红外光谱、扫描电子显微镜、能谱分析，对碱激发胶凝材料反应产物的相组成进行探索性分析。结果表明：该碱激发胶凝材料硬化后的反应产物主要是含碱的铝硅酸盐凝胶，并存在未反应的水玻璃，副产物K2SO4是生产物中唯一的晶体物质。含碱的铝硅酸盐凝胶中可固溶Mg，Ca，S，Fe等离子，包裹着起微集料作用的未反应的粉煤灰玻璃微珠与莫来石颗粒，形成高度非均质的复杂体系。

关键词：碱激发偏高龄土；含碱铝硅酸盐凝胶；硫酸钾

中图分类号：TQ172 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2009)07–1130–07

REACTION PRODUCTS OF ALKALI-ACTIV ATED CEMENTING MATERIAL

W ANG Min

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100831, China)

Abstract: The phase components of reaction products of a sort of alkali-activated metakaolin were analyzed by means of X-ray dif-fraction, infrared spectrophotometer and scanning electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy. It was shown that the dominating reaction product was the amorphous aluminosilicate gel containing alkali, and some original water-glass still existed to-gether with the reaction products. K2SO4 as a minor product, was the only crystal matter in the new products. Alkaline-earth metal ions such as Mg, Ca, S, Fe could be solid dissolved in aluminosilicate gel; unreacted micro glass beads and mullite grains as micro- aggregate were wrapped by gel, a very heterogeneous complicated system were formed whereupon.

Key words: alkali-activated metakaolin; aluminosilicate gel containing alkali; kalium sulfate

国内外对碱激发胶凝材料已有长期研究的历史，[1–4]大多作为结构构件材料来研究，也已应用于作为预制混凝土管、固化土壤加固地基等。[5]尚未见有用于作为结构加固的报道。碱激发胶凝材料的特点之一是凝结速率和黏结力发展都很快，适合用于结构加固。选择天然高岭土经适当温度下分解成无定形产物，具有较高的潜在反应活性。文献[6]报道了一种碱激发“偏高龄土”材料Geopolymer(翻译为“地聚物”，或“土聚合物”)，认为其产物是沸石的无定形相似物，又称“类沸石”或“准沸石”。[7] 但是，沸石是一种结晶质矿物，其特点是含有丰富的孔穴孔道，存在可交换的阳离子和脱附自由的沸石水，因此检测出这些特性才能确认是沸石。最可靠的检验方法是X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)和NH

4

+净交换量的测定，如果组成和沸石完全一样，

但不具备NH

4

+交换的特性或无XRD特征峰，就不是沸石，也不能称作“类沸石”，[3] 因为只是成份相似，并不等于结构相似或性质相似，正像石墨和金刚石的成分都是C，但完全不是一种物质一样，化学组成通过结构而决定物质的性能。[8]只是从化学成分结果分析计算，得出化学组成(没有水)与某种沸石的一致，并没有证据证明有该组成的物质就是沸石。[3]经显微共焦激光Raman光谱法检测，在试样中，因“偏高龄土”的存在，加水1h到1d，水玻璃中的碱首先反应生成含碱铝硅酸盐凝胶，同时生成K2SO4，才可加速固化剂中铝硅酸盐凝胶的生成反应。[9]

收稿日期：2009–04–12。修改稿收到日期：2009–04–22。第一作者：王旻(1978—)，男，博士研究生。Received date:2009–04–12. Approved date: 2009–04–22.

First author: WANG Min (1978–), male, postgraduate student for doctor degree.

E-mail: wangmin01@

第37卷第7期2009年7月

硅酸盐学报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 37，No. 7

J u l y，2009

王旻：碱激发胶凝材料的反应产物· 1131 ·第36卷第7期

1 实验

1.1原材料

采用的偏高岭土为山西大同的煤质高岭土，经破碎、煅烧、磨细而成。煅烧温度为770℃，比表面积为402m2/kg，化学组成如表1。图1为偏高岭土的XRD谱，表明偏高岭土主要为无定形物质，只含很少量结晶态二氧化硅(石英)和莫来石。

表1 偏高岭土的化学组成

Fig.1 Compositions of metakaolin w/% SiO2 Al2O3 CaO K2O Fe2O3 SO3 Loss

51.64 42.15 0.19 0.11 0.89 0.60 4.61

图1 偏高岭土的XRD谱

Fig.1 X-ray diffraction (XRD) pattern for metakaolin

碱激发剂为天津泡花碱厂生产的钾水玻璃，模数为2.79。石膏为分析纯二水石膏。粉煤灰为淮南电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。硅灰为挪威Elken公司生产的Elken凝聚态硅灰。

1.2试样

激发剂、偏高岭土、粉煤灰、硅灰的配比(质量比)为10:9:1:1，石膏掺量为3.7%，采用该配比成型的试件各龄期双向剪切强度为：1d，0.76MPa；7d，1.24MPa；90d，1.38MPa。

2 测试结果及韦分析

2.1 相组成分析

试样反应前后的XRD谱如图2和图3。由图2可见，固相原材料中的结晶态物质主要是二水石膏和“偏高龄土”与粉煤灰中的莫来石。在图2中，反应1a后的结晶态物质主要是K2SO4和莫来石。与反应前的试样比较可知，在1a的反应过程中，莫来石基本没有变化，未参与反应；二水石膏的特征峰消失，表明已参与反应，新生成物中的晶相物质只有K2SO4。2θ为10°到40°之间的散射区面积

图2 反应前样品的XRD谱

Fig.2 XRD pattern for sample before reaction

图3 反应后样品的XRD谱

Fig.3 XRD pattern for sample after reaction

增大。反应前，散射区的2θ约为15°到36°，高度约500单位；反应后，2θ约为12°到40°，高度约750单位。散射区增大表明非晶体物质增多。可判断为反应产物中有远程无序的凝胶生成。

红外(infrared，IR)光谱分析结果见图4、图5。在图4中，对照XRD的分析，473cm–1为SiO2中

图4 反应前样品的IR光谱

Fig.4 Infrared (IR) spectrum of sample before reaction