硅粉偏高岭土基地聚合物微观结构分析

硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 具 有 独 特 耐 久 性 的 原 因 ．结 果 表 明 ：硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 为 无 定 形
的碱金属铝硅酸盐胶体，Ｓｉ／Ａｌ摩尔比 较 高，与 硅 酸 盐 水 泥 水 化 产 物 完 全 不 同．加 入 碱 激 发 剂 发 生
聚合物耐久性与其微观结构的关系．
１ 试验
１．１ 原 材 料
硅 粉 由 市 场 采 购 ，偏 高 岭 土 由 高 岭 土 煅 烧 制 得 ．
硅粉和偏高岭 土 的 主 要 化 学 组 成 见 表 １．由 表 １ 可
见，硅粉主要成分为活性 ＳｉＯ２，其质量分数为９０．７４％； 偏高岭土主要成分为 活 性 Ａｌ２Ｏ３ 和 ＳｉＯ２，其 质 量 分
ｃｈａｉｎ．Ａｌ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｅｔｒａ－ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｉｎ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ－ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ．Ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎ－ ｓｉｏｎａｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ［ＳｉＯ４］ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ａｎｄ ［ＡｌＯ４］ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ｃｏｍｅｓ ｉｎｔｏ ｂｅｉｎｇ
ＸＲＤ 分 析 采 用 Ｄ／ｍａｘ－ｒＢ 型 Ｘ 射 线 衍 射 仪， ＣｕＫα 靶，管压４０ｋＶ，管流４０ｍＡ，扫描速度１．２００（°）／ ｍｉｎ，扫 描 范 围 ５．０００°～８０．０００°．
ＳＥＭ－ＥＤＳ 分 析 采 用 ＪＳＭ－５９００ 型 扫 描 电 镜 ，其 分 辨 率 为 ３ｎｍ．
ＦＴＩＲ 分析采用 Ｎｅｘｕｓ ６７０ 型 傅 里 叶 变 换 红 外 光谱仪，其信噪 比 为 ３３ ４００︰１，分 辨 率 为 ０．１ｃｍ－１， 线 性 度 为 ０．０７％ ．
ＬＩ Ｋｅ－ｌｉａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ，Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ（ＦＴＩＲ），ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ（ＳＥＭ－ＥＤＳ）ａｎｄ ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＮＭＲ）ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ－ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ，ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ａｎｄ ａｌｋａｌｉ ａｃｔｉｖａｔｏｒ．Ｔｈｅ
数 分 别 为 ４５．４５％ 和 ５１．９０％ ．碱 激 发 剂 为 氢 氧 化 钾
（分析纯），水为自来水．原材 料 设 计 配 合 比 为：ｍ（硅
粉）︰ｍ（偏高岭土）︰ｍ（氢 氧 化 钾）︰ｍ（水）＝１．０００︰
０．８４６︰０．５１５︰０．９２３．
表 １ 硅 粉 和 偏 高 岭 土 主 要 化 学 组 成
收 稿 日 期 ：２０１１－０４－０６； 修 订 日 期 ：２０１１－０８－１８ 第 一 作 者 ：李 克 亮 （１９７３— ），男 ，山 东 莒 南 人 ，华 北 水 利 水 电 学 院 高 级 工 程 师 ，博 士 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｌｌｉ７３＠１６３．ｃｏｍ
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建筑材料学报
第 １５ 卷
第 １５ 卷 第 ４ 期 ２ ０１第２４年期８ 月
建筑材料学报
李 克ＪＯ亮Ｕ：Ｒ硅Ｎ粉ＡＬ－偏 Ｏ高Ｆ 岭ＢＵ土ＩＬ基Ｄ地ＩＮ聚Ｇ合 Ｍ物Ａ微ＴＥ观ＲＩ结Ａ构ＬＳ分 析
文 章 编 号 ：１００７－９６２９（２０１２）０４－０５５３－０４
Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．５ ，５２３０１２
硅粉 偏高岭土基地聚合物微观结构分析
岭土基地聚合物的独特耐久性与其化学组成和微观
结构有着密 切 关 系．本 文 使 用 Ｘ 射 线 衍 射 （ＸＲＤ）、 扫描电 镜－能 谱 （ＳＥＭ－ＥＤＳ）、红 外 光 谱 （ＦＴＩＲ）和 核 磁共振（ＮＭＲ）等技 术 研 究 硅 粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物的化学组成及微观结构，分析硅粉－偏 高 岭 土 基 地
２ 试验结果与分析
２．１ ＸＲＤ 分析 图１为硅粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 的 Ｘ 射 线 衍
２．２ ＳＥＭ－ＥＤＳ 分 析 硅粉－偏高岭土基地聚合物的 ＳＥＭ 分析结果见
图 ２．由 图 ２ 可 见 ，硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 主 要 为 不规 则 的 胶 体，无 有 规 则 外 貌 的 结 晶 物 存 在．使 用 ＥＤＳ分析图２（ａ）中 Ａ 点和图２（ｂ）中 Ｂ 点地聚合 物 的元素组成，结 果 见 表 ２．由 表 ２ 可 见：Ａ 点 地 聚 合 物中，Ａｌ摩尔分数为１０．２０％，Ｓｉ摩尔分数为５９．５０％， Ｋ 摩尔分数为２８．４１％，Ｓｉ／Ａｌ摩尔比为 ５．８３，Ｋ／Ａｌ 摩尔比 为 ２．７９；Ｂ 点 地 聚 合 物 中，Ａｌ摩 尔 分 数 为 ６．５９％，Ｓｉ摩尔分数为６１．３２％，Ｋ 摩尔分数为２７．６９％， Ｓｉ／Ａｌ摩尔比为９．３１，Ｋ／Ａｌ摩 尔 比 为 ４．２０．上 述 结 果表明，２种胶体 中 Ｓｉ／Ａｌ摩 尔 比 都 较 高，这 是 因 为 硅粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 制 备 时 使 用 了 有 较 高 ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３ 摩尔比硅粉的缘故．
图１ 硅粉－偏高岭土基地聚合物的 ＸＲＤ 图谱 Ｆｉｇ．１ ＸＲＤ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ－ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ
ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ
Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｌ２Ｏ３ ＣａＯ Ｆｅ２Ｏ３ Ｋ２Ｏ ＭｇＯ Ｎａ２Ｏ ＳｉＯ２
Ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ０．９０ ０．３７ １．６５ １．２６ １．９３ ０．５４ ９０．７４ Ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ４５．４５ ０．０５ ０．２５ ０．２６ ０．０３ ０．０４ ５１．９０
Ｔａｂｌｅ １ Ｍａｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（ｂｙ ｍａｓｓ）ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ
ａｎｄ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ
％
射图谱．由 图 １ 可 见 ，该 地 聚 合 物 在 ２３°～３３°区 域 呈 现 弥 散 馒 头 状 衍 射 峰 ，并 无 尖 锐 的 衍 射 峰 出 现 ． 这表 明 硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 中 不 含 有 结 晶 良 好 的 矿 物 ，终 产 物 具 有 无 定 形 结 构 ．硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 原 材 料 含 钙 量 极 低 ，因 此 在 其 ＸＲＤ 分 析 结 果 中 没 有 发 现 氢 氧 化 钙 、水 化 铝 酸 钙 、水 化 硫 铝酸钙等硅酸盐水泥水化产物晶体的存在．
化学反应后，偏高岭土和硅粉中对应于 Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ键非对称伸缩振动的谱带吸收强度减弱，同时向
低频率方向移动，铝氧四面体取代 Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ链 上 部 分 硅 氧 四 面 体．硅 粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 中
的铝氧四面体和硅氧四面体相互键接构成空间三维网络状结构 ，从而使其具有优良的耐久性．
图２ 硅粉－偏高岭土基地聚合物的 ＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ．２ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ－ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ｂａｓｅｄ
ห้องสมุดไป่ตู้ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ
表 ２ 硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 中 主 要 元 素 组 成
地 聚 合 物 是 一 种 新 型 碱 激 发 材 料，它 克 服 了 硅 酸 盐 水 泥 耐 久 性 不 足 、环 境 协 调 性 差 等 缺 陷 ，是 环 境 友好型无机材料［１］．使用硅粉、偏高岭土 和 碱 激 发 剂 制得的硅粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 具 有 良 好 的 抗 硫 酸盐侵蚀、抗 氯 离 子 侵 蚀 等 耐 久 性 能［２］．硅 粉－偏 高
关 键 词 ：硅 粉 ；偏 高 岭 土 ；地 聚 合 物 ；微 观 结 构 ；耐 久 性
中 图 分 类 号 ：ＴＵ５２６ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－９６２９．２０１２．０４．０２３
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｉｌｉｃａ Ｆｕｍｅ－Ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ Ｂａｓｅｄ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ
李克亮
（华北水利水电学院 土木与交通学院，河南 郑州 ４５００１１）
摘要：采用硅粉、偏高岭土和 碱 激 发 剂 制 得 硅 粉－偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物．应 用 Ｘ 射 线 衍 射、扫 描 电
镜 －能 谱 、红 外 光 谱 和 核 磁 共 振 等 技 术 分 析 硅 粉 －偏 高 岭 土 基 地 聚 合 物 的 化 学 组 成 与 微 观 结 构 ，揭 示
ＮＭＲ 分析 采 用 ＡＶＡＮＣＥ－４００ 型 核 磁 共 振 波 谱仪，该仪器 使 用 单 脉 冲 程 序，探 头 直 径 为 ４ ｍｍ． ２７ Ａｌ ＮＭＲ 分析采用的谐振频率为１０４．２６３ ５ＭＨｚ， 脉冲宽 度 为 ０．７５μｓ，脉 冲 功 率 为 ２．００ｄＢ，扫 描 速 率为８ｋＨｚ，而２９Ｓｉ ＮＭＲ 分 析 采 用 的 谐 振 频 率 为 ７９．４８６ ６ＭＨｚ，脉冲宽度为５０μｓ，脉冲功率为２．００ｄＢ， 扫 描 速 率 为 ４ｋＨｚ．
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｈａｓ ａｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎｙ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｅａｋ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｎ ＸＲＤ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｉｓ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｓ ａｌｋａｌｉ ａｌｕｍｉｎｏ－ｓｉｌｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈｅｒ Ｓｉ／Ａｌ ｍｏｌｅ ｒａｔｉｏ ｔｈａｔ ｄｉｆｆｅｒｓ ｆｒｏｍ ｈｙｄｒａｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ．Ａｆｔｅｒ ａｌｋａｌｉ ａｃｔｉｖａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ，ｔｈｅ ｐｅａｋｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ ｉｎ ＦＴＩＲ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｈａｖｅ ａ ｓｈｉｆｔ ｔｏ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｉｔ ｍｅａｎｓ ｔｈａｔ［ＡｌＯ４］ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎｓ ｒｅｐｌａｃｅ ｓｏｍｅ ［ＳｉＯ４］ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ