硅灰-氧化铝地质聚合物的力学性能

硅灰-氧化铝地质聚合物的力学性能
张浩博;郑智轨;寇佳亮
【摘要】采用正交试验对硅灰-氧化铝地质聚合物进行了力学性能试验研究.结果表明:影响硅灰-氧化铝地质聚合物强度的因素依次为碱激发剂浓度、硅铝比
(n(SiO2)/n(Al2O3))、碱激发剂种类.配制硅灰-氧化铝地质聚合物的碱激发剂为KOH,其最佳浓度为3.0 mol/L,硅铝比为4.当KOH浓度为3.6 mol/L,硅铝比为4时,硅灰-氧化铝地质聚合物的抗折强度可达7.17 MPa,抗压强度可达
17.15MPa.%Silica fume-aluminum oxide geopolymer was prepared and its mechanical properties were investigated through orthogonal test.Results show that the properties of geopolymer are determined by the concentration of alkali activator,the molar ratio between silicon and aluminum and the type of alkali activator.It is recommended that the concentration of alkali activator is 3.0 mol/L,the ratio between silicon and aluminum is n(SiO2)/n(Al2O3)=4,and the best suitable alkali activator is potassium hydroxide.It is observed that flexural strength and compressive strength of geopolymer are 7.17 MPa and 17.15 MPa respectively when the concentration of potassium hydroxide is 3.6 mol/L.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2017(020)002
【总页数】5页(P288-292)
【关键词】硅灰-氧化铝地质聚合物;力学性能;碱激发剂;KOH
【作者】张浩博;郑智轨;寇佳亮
【作者单位】西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048;西安理工大学土
木建筑工程学院,陕西西安710048;西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】TU526
地质聚合物是指碱性激发剂与活性铝硅质材料在低温下通过类似地球化学反应形成的一类具有非晶态至准晶态结构的无机胶凝材料[1]，具有高强度、耐腐蚀性[2-3]、耐高温[4]等特点，与传统的硅酸盐水泥相比，其原料来源广泛，制备能耗低，且
具有优异的物理、化学性能，在汽车、航空、铸造、冶金、土木和环境工程等方面应用前景广阔，是近年来国内外新型绿色胶凝材料研究的热点[5-6].地质聚合物由[SiO4]4-与[AlO4]5-通过共用O相互聚合成三维网络结构，碱或碱土金属离子分
布于框架原子孔隙之间，是以离子键及共价键为主的无定形物质[7-8].
20世纪30年代，Purdon[9]在研究波特兰水泥的硬化机理时发现，少量的NaOH在水泥硬化过程中可以起到催化剂的作用，因此提出了所谓的“碱激发”
理论.1980年，Palomo等[10]以煅烧高岭土为原料，加入硅砂作为增强组分，制备了抗压强度高达84.3MPa的地质聚合物，其固化时间仅24h.吴怡婷等[11]以苏州高岭土为原料，以碱性氧化物、氟硅酸钠为激发剂和促硬剂，制备了28d抗压
强度达55.6MPa的地质聚合物胶凝材料.王玉江等[12]采用碱性激发剂，以黏土为主要原料制备了28d抗压强度达106.0MPa的地质聚合物，且具有较好的耐酸性和耐高温性.
由于以上研究使用的原料大多以硅铝矿物为主，很难判断其他少量组分对地质聚合
物强度的影响程度，不利于控制变量.基于上述分析，本文以硅灰和氧化铝为原料，置纯硅灰和氧化铝于强碱的环境下，使其中的硅和铝逐渐溶解形成凝胶，待凝胶相中的游离水干燥挥发，得到硅灰-氧化铝地质聚合物.
1.1 原材料
KOH，NaOH为天津市百世化工有限公司产品；氧化铝为煅烧α-Al2O3，粒径5.0μm(3000目)，密度3.94g/cm3，由登封卢店恒星抛光材料厂生产，其化学组成见表1；97级硅灰，粒径5.5μm(2500 目)，密度600～900kg/m3，巩义康泰物资贸易有限公司产品，其化学组成见表2；过2.5mm筛砂粒；自来水.
1.2 试验仪器
试验仪器为：JJ-5型水泥砂浆搅拌机；SJ-16型水泥净浆搅拌机；ZS-15型水泥砂浆振动台；101型电热鼓风干燥箱；DK-5000型电动弯曲试验机；WAW-1000
型计算机控制电液伺服万能试验机.
2.1 正交试验
本文采用化学激活方式对硅灰-氧化铝地质聚合物进行激活.选取3个影响因素(激
发剂种类(A)、硅铝比(B)、碱激发剂浓度(C))对试验结果进行了分析.每个影响因素分别选取3个水平：碱激发剂种类为KOH，NaOH，KOH+NaOH；硅铝比
(n(SiO2)/n(Al2O3))为2，4，6；碱激发剂浓度为1.5，3.0，4.5mol/L.根据影响
因素和水平选择L9(34) 正交表(见表3).由表3中的影响因素和水平设计的硅灰-氧化铝地质聚合物配合比见表4.
2.2 试验结果及分析
硅灰-氧化铝地质聚合物的强度试验结果如表5所示.由表5可见，7#试样的抗折
强度最大，2#试样的抗压强度最大.
正交试验极差分析结果见表6，其中K1，K2，K3分别表示各因素在第1，2，3
水平条件下获得的总强度(MPa)，R为极差(MPa)，R越大，表示该因素影响越显
著.
由表6可见：
(1)对试样7d抗折强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是碱激发剂种类，最次是硅铝比，最佳碱激发剂浓度为4.5mol/L，最佳碱激发剂为KOH，最佳硅铝比为2.
(2)对试样7d抗压强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是碱激发剂种类，最次是硅铝比，最佳碱激发剂浓度为3.0mol/L，最佳碱激发剂为KOH，最佳硅铝比为4.
(3)对试样14d抗折强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是碱激发剂种类，最次是硅铝比，最佳碱激发剂浓度为4.5mol/L，最佳碱激发剂为KOH，最佳硅铝比为4.
(4)对试样14d抗压强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是碱激发剂种类，最次是硅铝比，最佳碱激发剂浓度为3.0mol/L，最佳碱激发剂为KOH，最佳硅铝比为4.
(5)对试样28d抗折强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是硅铝比，最次是碱激发剂种类，最佳碱激发剂浓度为4.5mol/L，最佳硅铝比为2，最佳碱激发
剂为氢氧化钠.
(6)对试样28d抗压强度影响最显著的因素为碱激发剂浓度，其次是硅铝比，最次是碱激发剂种类，最佳碱激发剂浓度为3.0mol/L，最佳硅铝比为4，最佳碱激发
剂为KOH.
各影响因素水平与强度的关系如图1，2所示.
由图1，2可见，碱激发剂种类对硅灰-氧化铝地质聚合物的强度无太大影响，这
是由于NaOH和KOH提供的氢氧根浓度相同，其区别仅仅是钠离子比钾离子半
径稍小，碱性稍弱，因此二者对其强度的影响差别较小.随着硅铝比的增加，硅灰-
氧化铝地质聚合物的抗折强度基本不变，抗压强度先增加后减小，这是因为合适的硅铝比可以形成长链聚合物，空间结构更稳定.随着碱激发剂浓度的增加，硅灰-氧化铝地质聚合物的抗折强度逐渐提高，这是由于碱浓度越大，对地质聚合物的激发反应也越大.随着碱激发剂浓度的增加，硅灰-氧化铝地质聚合物的抗压强度先升后降，这是由于过量的碱会造成激发反应过快，水分来不及排出，使试件内部孔隙扩大，导致抗压强度下降.
综上可知，各因素对硅灰-氧化铝地质聚合物强度的影响程度为：碱激发剂浓度>
硅铝比>碱激发剂种类.配制硅灰-氧化铝地质聚合物的碱激发剂为KOH，其最佳浓度为3.0mol/L，最佳硅铝比为4.
由于影响硅灰-氧化铝地质聚合物强度的显著因素为碱激发剂浓度，激发剂种类和
硅铝比的影响很小，因此本文选择硅铝比为4，碱激发剂为KOH，其浓度分别为2.4，2.8，3.2，3.6，4.0mol/L进行试验，结果如图3所示.
由图3可以看到，硅灰-氧化铝地质聚合物抗折强度随着KOH浓度的提高而增大，当KOH浓度为4.0mol/L时，其28d的抗折强度较7，14d的抗折强度明显提高.不同KOH浓度试样28d的断面照片如图4所示.由图4可见，随着KOH浓度的
增加，试样表面的颜色逐渐加深，这是由于硅灰-氧化铝地质聚合物的激发反应越
来越充分所致.试样的抗压强度随着KOH浓度的增加先升后降，主要是因为过量的KOH会导致硅灰-氧化铝地质聚合物激发反应过快，使其中的水分来不及挥发而膨胀，从而使孔隙增大，抗压强度降低.
上述结果表明，对于硅灰-氧化铝地质聚合物的抗压强度而言，最佳碱激发剂浓度
为3.6mol/L.
(1)配制硅灰-氧化铝地质聚合物的碱激发剂为KOH，其最佳浓度为3.0mol/L，最佳硅铝比为4.
(2)影响硅灰-氧化铝地质聚合物强度的因素主次顺序为碱激发剂浓度、硅铝比、碱
激发剂种类.
(3)当碱激发剂为KOH，其浓度为3.6mol/L，硅铝比为4时，硅灰-氧化铝地质聚合物的抗折强度可达7.17MPa，抗压强度可达17.15MPa.
【相关文献】
[1] DAVIDOVITS J.Geopolymers and geopolymeric materials[J].Thermal Analysis，1989，35(2)：429-441.
[2] BAKHAREV T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions[J].Cement and Concrete Research，2005，35(6)：1233-1246.
[3] BAKHAREV T.Resistance of geopolymer materials to acid attack[J].Cement and Concrete Research，2005，35(4)：658-670.
[4] BAKHAREV T.Thermal behaiviour of geopolymers prepared using calss F fly ash and elevated temperature curing[J].Cement and Concrete Research，2006，36(6)：1134-1147.
[5] PALOMO A，GRUTZECK M W，BLANCO M T.Alkali-activated fly ashesa cement for the future[J].Cement and Concrete Research，1999，29(8)：1323-1329.
[6] MAJIDI B.Geopolymer technology，from fundamentals to advanced application：a review[J].Mater Technol，2009，24(2)：79-87.
[7] GLASSIER F P.Fundamental aspects of cement solidification and stabilization[J].J Hazard Mater，1997，52(2/3)：151-170.
[8] MILESTONE N B.Reactions in cement encapsulated nuclear wastes：need for toolbox of different cement types[J].Advances in Applied Ceramics，2006，105(1)：13-20.
[9] PURDON A O.The action of alkalis on blast-furnace slag[J].Journal of the Society of Chemical Industry，1940(59)：191-202.
[10] PALOMO A，MACLAS A，BLANCOM T，et al.Physical，chemical and mechanical characterization of geopolymers[C]∥Proc 9th Int Congr Chem Cem.New Delhi：[s.n.]，1992：505.
[11] 吴怡婷，施惠生.制备土聚水泥中若干因素的影响[J].水泥，2003(3)：1-3. WU Yiting，SHI Huisheng.Effect of some factors on the preparation of geopolymeric cement[J].Cement，2003(3)：1-3.(in Chinese)
[12] 王玉江，李和平，任和平.土聚水泥的研究[J].硅酸盐学报，2003，22(4)：70-74. WANG Yujiang，LI Heping，REN Heping.Study on geopolymeric cement[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2003，22(4)：70-74.(in Chinese)。