室温条件制备矿渣——粉煤灰...聚合物的试验和反应机理研究_孙双月.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-18基金项目 河北省教育厅高等学校科学研究项目(编号:ZD2020415)。作者简介 孙双月(1980),女,副教授,博士。综合利用室温条件制备矿渣粉煤灰基地聚合物的试验和反应机理研究孙双月(燕京理工学院环境与健康学院,河北 三河 065201)摘 要 地聚合物是一种新型的无机聚合物胶凝材料。为了便于现场浇筑以及固体废物资源化利用,对室温条件下用矿渣和粉煤灰来制备地聚合物胶凝材料进行了研究。矿渣和粉煤灰以 2 1 混合后作为硅铝质原料,通过复合碱激发剂来激活,采用不同制备工艺、室温养护来制备地聚合物胶凝材料。探索了不同制备工艺、复合碱激发剂掺量对地聚合物抗压强度的影响,并对地聚合物物相组成、微观形貌和红外吸收性质进行了分析。结果表明:在地聚合物制备过程中,将硅铝质原料与氢氧化钠进行混磨,有利于硅铝质原料的激活;复合碱激发剂的最佳掺量为 16%时,3 d龄期试样的抗压强度可达到 16.1 MPa,28 d 龄期达到 33.6 MPa。最终试样结构类似于混凝土,由地聚合物凝胶和未反应硅铝质原料为骨料组成,生成的地聚合物凝胶将未反应的硅铝质原料颗粒黏结为一整体,其结构越致密抗压强度越高。关键词 矿渣 粉煤灰 地聚合物 混磨 碱激发 地聚合反应机理 中图分类号TQ177 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-247-07DOI 10.19614/ki.jsks.202302034Experimental and Mechanism Study on Slag/Fly Ash-based Geopolymer Cured at Room TemperatureSUN Shuangyue(School of Environment and Health,Yanching Institute of Technology,Sanhe 065201,China)Abstract The geopolymer is a new inorganic polymer cementitious material.In order to facilitate on-site pouring,and u-tilize of solid waste,the preparations of geopolymer cured at room temperature from slag and fly ash were studied.The geopoly-mers were synthesized at room temperature by different preparation processes,from raw materials of slag and fly ash 21 ratio,which were activated by compound alkaline activators.The effects of the different preparation process and activator dosage on the compressive strength of geopolymers were investigated.The phase composition,microstructure and infrared absorption of specimens were characterized.The results show that the mixed grinding of aluminosilicate materials and sodium hydroxide is in favor of activating the aluminosilicate material,especially improving the early strength.The optimum content of compound alka-line activators is 16%,the compressive strength of the geopolymer specimens cured at room temperature for 3 day reaches 16.1 MPa,cured for 28 day reaches 33.6 MPa.The structure of the resulting specimens is similar to the concrete,consisting of the geopolymer gel and the skeletal materials,the unreacted aluminosilicate raw material particles are bonded by the formed geopolymer gel together as a whole.The denser the structure of the specimens,the higher the compressive strength.Keywords slag,fly ash,geopolymer,mixed grinding,alkali activation,geopolymerization mechanism 地聚合物是近年来新发展的一种新型绿色无机胶凝材料,是由富含硅铝酸盐的前驱体经激活而生成的以硅铝四面体为单元的三维网络结构的无机聚合物材料1。由于其特殊的结构特点,使地聚合物兼具有陶瓷、水泥以及有机高分子材料等的性能,具有优异的力学性能,耐侵蚀、耐高温、阻燃、固封重金属等优点2-3,在土木工程材料、耐火材料、吸附材料等方面应用前景广阔4。另外,地聚合物的制备具有“两不两低”的经济环保效益,其制备过程不使用石灰石原料,无碳酸盐分解,CO2排放量较低,只有传统硅酸盐水泥排放量的 1/5;不需要经过高温煅烧,直接利用原料或经高温预处理使用;生产能耗低,为陶742瓷的 1/20,钢的 1/70,塑料的 1/150;需要的燃料少,排放的有害气体 NOx、SOx非常低,仅占硅酸盐水泥的 1/101/5,基本无毒性气体产生5-6;因此,用地聚合物胶凝材料来代替传统硅酸盐水泥,不仅可以节约资源和能源,还可以降低污染气体排放量,尤其是碳排放,将会助力实现碳达峰、碳中和“双碳”目标。在“双碳”背景下,地聚合物胶凝材料的生产及应用前景更加广阔。随着对地聚合物胶凝材料的深入研究,其制备原料种类越来越多,目前主要有高岭土、冶炼渣、粉煤灰、建筑废渣、天然火山灰等富含硅铝酸盐的固体废物和天然矿物7-10。其中,矿渣和粉煤灰是我国当前排放量较大的工矿业固体废物,并且排放量逐年增加,而综合利用率较低,造成严重的资源浪费11-12。通过研究发现,矿渣和粉煤灰均是富含硅铝酸盐的固体废物,是制备地聚合物的理想原料13-14。因此用矿渣和粉煤灰来制备生产地聚合物胶凝材料,不仅可以获得一种代替传统硅酸盐水泥的胶凝材料,还可以达到固体废物资源化利用的目的,具有重要的社会效益、经济效益和生态环保效益15-16。王梦琪等17研究了水玻璃、NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SO4这 5 种激发剂对碱矿渣-钢渣胶凝材料抗压强度的影响,结果表明,在激发剂单掺体系中,水玻璃的效果最好。杨世玉等18研究表明,当养护温度在 4570 时,地聚合物试件抗压强度随温度升高近似呈线性增长,80 养护 1 d 试件的抗压和抗弯强度达到最大。本研究拟以矿渣、粉煤灰作为硅铝质原料,在复合碱激发剂及室温条件下来制备地聚合物胶凝材料。在室温条件下制备地聚合物,并且室温养护,不仅可以节约能源、降低碳排放,还有利于现场浇筑,具有实际应用的可行性。研究探讨不同制备工艺和复合激发剂掺量对地聚合物胶凝材料抗压强度的影响,揭示其反应机理,以期为其他工业废弃物室温条件制备地聚合物的研究提供理论基础。1 试验原料及方法1.1 试验原料本试验用矿渣和粉煤灰的主要成分见表 1,其XRD 图谱见图 1。表 1 矿渣和粉煤灰的化学组成Table 1 Chemical compositions of slag and fly ash原料各成分含量/%SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3K2ONa2OTiO2SO3烧失量矿渣32.6815.3234.636.141.320.253.310.554.681.12粉煤灰48.9325.194.251.2415.322.840.230.560.171.27图 1 矿渣和粉煤灰的 XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of slag and fly ashM莫来石;Q石英;C氧化钙由表 1 可知,矿渣和粉煤灰中二氧化硅和氧化铝的含量均较高,并且物相均以非晶态为主,说明其具有潜在的火山灰活性,可以作为制备地聚合物的原料。由图 1 可知,矿渣主要以非晶态为主,其 XRD 图谱在 2=1540范围内有较宽的隆峰,这是非晶态物相的特征,同时夹杂少量莫来石、石英等晶态物质,粉煤灰也主要以非晶态或半晶态为主,在 2=15 40范围内有较宽的隆峰,并夹杂少量莫来石、石英和氧化钙等晶态物质。水玻璃为市售工业级,固含量(质量分数)为34.79%,即含有 8.38%的 Na2O、26.41%的 SiO2,以及 65.21%的水。氢氧化钠:市售分析纯。1.2 试验方法将矿渣和粉煤灰作为硅铝质原料,矿渣和粉煤灰质量配比为 21,水灰比为 0.45,复合碱激发剂模数为 1.2,用水玻璃和分析纯氢氧化钠按计算配比称量混合或称量后备用。研究不同制备工艺、复合碱激发剂掺量对地聚合物抗压强度的影响。制备工艺有两种:第 1 种是将所有原料按照配比称量后,直接加入水泥砂浆搅拌机中混合搅拌均匀,转移至水泥胶砂三联试模(40 mm40 mm160 mm)中,振实、刮平后用842总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期保鲜膜密封以隔绝空气,并防止水分蒸发太快引起开裂,然后在室温环境下(25)养护 24 h 后脱模,并装入密封袋分别室温养护至 3、7、14、28 d(以下简称G1 工艺,如图 2(a)所示);第 2 种是将矿渣、粉煤灰和分析纯氢氧化钠固体按照配比称量后,转移至球磨机中,以180 r/min 的转速混磨30 min,然后再将混合料转移至水泥砂浆搅拌机中,加入一定量水玻璃和去离子水混合搅拌均匀后,倒入水泥胶砂三联试模中,后续步骤同 G1 工艺(以下简称 G2 工艺,如图 2(b)所示)。复合碱激发剂掺量(以固含量占总原料质量的百分比表示)分别为 8%、12%、16%、20%、24%。参照 GB/T 176711999水泥胶砂强度检验方法(ISO)的要求,对采用上述两种制备工艺所制得的3、7、14 和 28 d 试样测试抗压强度,并采用 X 射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱仪(IR)测试分析试样的物相组成、微观形貌和红外吸收特性。图 2 地聚合物制备工艺流程示意Fig.2 Preparation process diagrams of geopolymers2 试验结果与讨论2.1 复合碱激发剂掺量对抗压强度的影响采用 G2 工艺来制备地聚合物试样,考察复合碱激发剂掺量对地聚合物试样抗压强度的影响,地聚合物试样的抗压强度测试结果如图 3 所示。由图 3 可以看出,当复合碱激发剂模数一定时,3、7、14 以及 28 d 龄期试样的抗压强度均随碱激发剂掺量的增加先呈逐渐上升的趋势,但当碱激发剂掺量超过 16%以后,不同龄期试样的抗压强度上升趋势均变缓,28 d 还出现了小幅下降趋势。说明当复合碱激发剂掺量超过 16%时,通过增加碱激发剂掺量来提高试样的抗压强度效果不明显。这可能是由于,复合碱激发剂在