水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物物理力学性能的影响.pdf

文章编号 1671 7619 2017 04 0006 05 水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物物理力学 性能的影响 何卓名 邹家强 刘爱华 王海洋 华南农业大学水利与土木工程学院 广州 510642 摘要 研究以水玻璃 即 Na2SiO3溶液 为主的碱激发剂对偏高岭土为原料制备的地聚合物物理力学性能的影 响 研究结果表明 随着水玻璃模数的逐渐提高 偏高岭土基地聚合物的抗折及抗压强度呈现先升高后下降的 趋势 当水玻璃模数为 1郾 30 时 地聚合物达到最大抗折和抗压强度 地聚合物浆体流动性随水玻璃模数的增大 呈现先增加后减少最后趋于平稳的趋势 模数为 1郾 00 时 浆体流动性最好 凝结时间则随模数的增大而逐渐增 长 根据实际要求来选择配制激发剂的模数 达到既不浪费原材料又能满足力学性能要求的目的 此外 不同 的水玻璃模数对地聚合物的密度并无明显影响 关键词 碱激发剂 偏高岭土 地聚合物 水玻璃模数 力学性能 中图分类号 U416郾 16摇 摇 摇 文献标志码 A 基金项目 广东省交通运输厅科技项目 编号 科技 2014 02 011 作者简介 何卓名 1993 在读硕士研究生 主要研究方向 道路注浆材料 E mail 416635229 qq com 0摇 引言 地聚合物是英文 geopolymer 的意译 是由法国 材料科学家 Davidovits 于 20 世纪 70 年代发现的 并于 1985 年在美国专利中首次提出的概念 1 2 地聚物各性能类似于普通硅酸盐水泥 其基本成 分为铝硅酸盐 基本结构为有 SiO4 和 AlO4 四 面体构成的无定型三维网络结构 但同时地聚合 物又具有许多突出的优点 如 具有优良的力学性 能和耐久性 耐高温 耐酸 可固结重金属离子 低 能耗 低有害气体排放 3 Davidovits 提出了地聚合 反应的解聚 缩聚机理 该机理表明任何铝硅质 材料都有可能成为制备地聚合物的原料 所以地 聚合物的制备可以使用粉煤灰 高炉矿渣等工业 废弃物为原料 制备过程相对清洁节能 制品应用 前景广阔 因此有关地聚合物材料的研究已经成 为国内外的热点 4 高岭土 Al2O3 2SiO2 2H2O 经高温脱水处 理后 其结构会发生较大的改变 形成偏高岭土 偏高岭土虽然要通过用高岭土煅烧而成 但目前 国内外已经有较合理制备偏高岭土的机制 国内 利用因国家政策原因关闭的立窑水泥厂 通过立 式窑煅烧法制备偏高岭土 既合理利用了资源和 能源 又使得偏高岭土的来源更广泛 5 偏高岭土 中原自排列不规则 呈现热力学介稳状态 具有较 高的火山灰活性 6 地聚合物的聚合反应须在碱 性条件下进行 一般使用苛性碱或碱金属硅酸盐 溶液作为激发剂 其中硅酸钠溶液 或称水玻璃 因便宜易得 成为使用最普遍的激发剂 而且 目 前国内外学者均认为以氢氧化钠和水玻璃为原料制 备成的复合碱性激发剂激发效果最佳 7 9 所以本 实验以氢氧化钠和水玻璃为原材料制作激发剂 国内外学者在偏高岭土基地聚合物的制备工 艺以及其力学性能方面的研究较多 10 11 而抗压 强度作为地质聚合物重要的工程性能被广泛研 究 研究表明 水玻璃溶液的模数是影响地聚合 物抗压强度的重要因素 目前来说 大多数研究 所选取的水玻璃模数在较高的数值范围 大于 1郾 00 况且有部分实验表明模数从 1郾 00 开始增 大时地聚合物的强度就已经随之减小 12 而且有 文献记录认为较低模数的激发剂也会激发出高强 度的地聚合物 13 为探求能激发出偏高岭土基地 聚合物最高强度对应的水玻璃模数 扩大实验的 水玻璃模数范围是必要的 此外 国内外大多数 研究侧重探究偏高岭土基地聚合物最大抗折 抗 压强度所对应的水玻璃模数 14 16 水玻璃模数的 变化对地聚合物浆体的流动性与凝结时间的影响的 6 2017 年第 4 期摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇 广 东 公 路 交 通 Guangdong Highway Communications摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 Vol郾 43 No郾 4 Aug郾 2017 研究则偏少 浆体流动性与凝结时间在不同工程中 要求不一 所以在地聚合物的实际应用中应综合其 强度 流动性 凝结时间来选择水玻璃模数 本文综合探究了水玻璃模数对地聚合物强 度 流动性以及凝结时间的影响 1摇 原材料与试验方法 1郾 1摇 原材料 本实验所用原材料是偏高岭土和水玻璃 即 Na2SiO3溶液 Na2SiO3的化学表达式为 Na2O nSiO2 即摩尔比 Na2O SiO2 n 其中化学式中的 n 即为水玻璃模数 偏高岭土由高岭土煅烧制得 高岭土购买自湛江华鼎矿业生产 水玻璃为工业 产品 原材料化学组成如表 1 所示 还有制备用 于改变水玻璃模数时加入的 NaOH 溶液的固体片 状 NaOH 纯度为 99 表 1摇 原材料化学组成 项目CaOMgOFe2O3Al2O3SiO2Na2O 高岭土0郾 050郾 640郾 5136郾 17 50郾 710郾 13 水玻璃 Na2SiO3 23郾 8012郾 30 1郾 2摇 试验方法 1郾 2郾 1摇 偏高岭土的制备 根据高岭土的差热分析图 如图 1 所示 其脱 水温度范围在 600益 900益 当煅烧温度为 600益时 氧化铝溶出率很低 而随着温度升高至 800益时 氧化铝溶出率最高 高岭土活性最高 当 煅烧温度达到 900益时会生成大量莫来石 3Al2O3 2SiO2 阻碍地聚合反应 17 实验结果表明 在实 验电炉 800益下煅烧 2 h 的高岭土 氧化铝溶出率 达 75郾 81 18 19 因此将煅烧温度定在 800益 保 温2 h 将高岭土细粉放入刚玉坩埚中 使用上海 康路仪器设备有限公司的 12 12A 型箱式电阻炉 并按照指定的煅烧温度进行煅烧 试验证明 在 该煅烧制度下 试体的强度最高 图 1摇 高岭土的铝溶出率与温度关系 1郾 2郾 2摇 水玻璃模数的调整 由模数 n 的定义可知 用 w 表示化学物物质 的量 有 1 n w Na2O w SiO2 设改变前的水 玻璃的模数为 n1 在水玻璃溶液中加入一定浓度 的 NaOH 溶液来增加溶液里 Na 的含量 使其模数 n 得到相应的调整 设加入 NaOH 溶液后的水玻 璃模数为 n2 根据物质守恒原理 有 n2 n1 w1 Na w2 Na 所以根据实验需要水玻璃的模 数和原材料水玻璃的模数 可以根据下列公式计 算出需加入的 NaOH 的质量 m 2 c m1 M1 n2 n1 1 伊 40 式中 m 需要加入的 NaOH 质量 c 原材料水玻璃溶液的浓度 m1 实验中加入的原材料水玻璃溶液的质 量 M1 原材料水玻璃的摩尔质量 n2 调整后得到的溶液的模数 n1 原材料水玻璃溶液的模数 为更好地探究水玻璃模数对地聚合物性能的 影响 本实验将水玻璃模数调整的范围定于 0郾 70 1郾 60 1郾 2郾 3摇 试件的制备 根据实验需要的模数 将需要的固体 NaOH 质 量计算出来 确定液固比为 0郾 50 从而计算得到 一次实验所需的水的质量 将定量固体 NaOH 与 水进行混合得到一定浓度的 NaOH 溶液 后将水玻 璃与该浓度下 NaOH 溶液进行混合制备得到一定 模数的碱激发剂 实验期间命名为 A 试剂 然后 将制备所得 A 试剂与偏高岭土混合搅拌 采用 160 mm伊40 mm伊40 mm 三联标准棱柱试模成型净浆试 体 室温条件下养护 7 d 1郾 2郾 4摇 力学性能测定 对于土木行业来说 最直接表征偏高岭土活 性的方法就是制作出标准试件并测定其力学性 能 11 因此按照 1郾 2郾 3 节制备试体后 在室温条件 下养护 24 h 后进行脱模 使其充分与空气接触并 继续在室温条件下养护至 7 d 然后按照国标 水 泥砂浆强度检验法 利用沈阳长城机电设备厂的 KZJ 500 型电动抗折试验机测定其抗折强度 折断 后得到两段试件 在室温条件下使用广材试验仪 器有限公司的 WA kE 型微机控制电液万能试验 机对其测定抗压强度 抗压试验采用 0郾 1 mm min 7 2017 年第 4 期何卓名 等 水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物物理力学性能的影响总第 151 期 的位移速率进行数据采样 试件抗折与抗压受力简图如图 2 图 3 所示 图 2摇 抗折受力简图 单位 mm 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 图 3摇 抗压受力简图 单位 mm 1郾 2郾 5摇 密度的测定 试件在室温条件下养护 24 h 后进行脱模 使 其充分与空气接触并继续室温养护至 7 d 7 d 后 利用精度 0郾 02 mm 的游标卡尺测量其表观长度 同时利用常熟市双杰测试仪器厂的 JJ1000 型电子 天平 精度为0郾 01 g 测量其质量 测定并收集相 关数据后计算得出其密度 2摇 试验结果与讨论 2郾 1摇 不同水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物力 学性能的影响 按照1郾 2 节的流程制备偏高岭土基地聚合物 其中偏高岭土为1 000 g 液固比为0郾 50 养护温度 为室温 25益 养护时间为 7 d 养护方式为开放式 裸露养护 7 d 后利用抗折试验机测定其抗折强 度 并使用万能试验机测定其抗压强度 考察水 玻璃在不同模数下对地聚合物力学性能的影响 试验结果见表 2 表 2摇 不同水玻璃模数对地聚合物力学性能的影响 n 7 d fracture strength MPa 7 d compressive strength MPa 0郾 702郾 3025郾 217 0郾 802郾 3028郾 824 0郾 903郾 6031郾 829 1郾 003郾 5432郾 533 1郾 106郾 7032郾 928 1郾 206郾 7635郾 219 1郾 305郾 6837郾 494 1郾 404郾 8334郾 624 1郾 504郾 5330郾 512 1郾 604郾 5824郾 176 表 2 结果显示 水玻璃模数对偏高岭土基地 聚合物的抗压强度是一个先升高后降低的过程 其关系曲线如图 4 所示 其中 以水玻璃模数 n 1郾 30 的 A 试剂作为碱激发剂时的激发效果最好 其对应的地聚合物 7 d 平均抗压强度为 37郾 494 MPa 最大抗压强度能达到 39郾 784 MPa 图 4摇 水玻璃模数与抗压强度关系曲线 另外 水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物抗 折强度的影响与抗压的效果类似 也是存在一个 先升高后降低的趋势 其关系曲线如图 5 所示 其中 以水玻璃模数 n 1郾 20 的 A 试剂作为碱激发 剂时的激发效果较好 其对应的地聚合物 7 d 平均 抗折强度为 6郾 76 MPa 该模数下最大抗折强度能 达到 8郾 05 MPa 但最大抗折强度是出现在模数 n 1郾 3 的时候 为 8郾 41 MPa 8 2017 年第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 广东公路交通摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇摇 总第 151 期 图 5摇 水玻璃模数与抗折强度关系曲线 2郾 2摇 不同水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物密 度的影响 摇 摇 按照1郾 2 节的流程制备偏高岭土基地聚合物 其中偏高岭土为1 000 g 液固比为0郾 50 养护温度 为室温 25益 养护时间为 7 d 养护方式为开放式 裸露养护 7 d 后利用游标卡尺测量其表观长度 同时利用电子天平测量其质量 考察水玻璃在不 同模数下对地聚合物密度的影响 试验结果见表 3 表 3摇 不同水玻璃模数对地聚合物密度的影响 ndensity g cm 3 0郾 701郾 48 0郾 801郾 47 0郾 901郾 52 1郾 001郾 45 1郾 101郾 65 1郾 201郾 62 1郾 301郾 61 1郾 401郾 53 1郾 501郾 51 1郾 601郾 60 表 3 结果表明 水玻璃模数对偏高岭土基地 聚合物密度的影响没有如对力学性能那样存在一 个先升高后降低的过程 其关系曲线如图 6 所示 由表3 及图6 可知 不同水玻璃模数的激发剂制造 出的地聚合物的密度虽然有所变化 但波动范围 较小 在 1郾 45 1郾 65 之间 排除测量误差和不同批 次成品的影响 可以说明地聚合物的密度并未因 激发剂模数的改变而改变 图 6摇 水玻璃模数与密度关系曲线 2郾 3摇 不同水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物凝 结时间与流动性的影响 按照1郾 2 节的流程制备偏高岭土基地聚合物 其中偏高岭土为 1 000 g 液固比为 0郾 50 当水玻 璃模数变化时 其初凝时间及流动性也随之变化 初凝时间以及终凝时间的测定按照 CNS786 和 ASTM C191 01 测试标准使用维卡仪进行测定 流 动性以工程施工时注浆所用时间为参照 入模时 使用漏斗进行注浆入模 两者时间记录如表 4 所 示 表4摇 不同水玻璃模数对地聚合物凝结时间及流动性的影响 n initial setting time min final setting time min flowability s 0郾 7080依10125依1045 0郾 80100依10160依1035 0郾 90210依10250依1023 1郾 00240依10310依1020 1郾 10450依10480依1025 1郾 20510依10660依1023 1郾 30600依10680依1023 1郾 40640依10690依1022 1郾 50680依10770依1022 1郾 60700依10840依1022 表 4 结果显示 随着水玻璃模数的升高 偏高 岭土基地聚合物的初 终凝时间也在一直增长 其中以模数为 0郾 80 的凝结时间较符合施工要求 即初凝时间在 90 min 左右 终凝时间在 200 min 左右 另外 地聚合物的流动性在模数 0郾 70 9 2017 年第 4 期何卓名 等 水玻璃模数对偏高岭土基地聚合物物理力学性能的影响总第 151 期 1郾 10 范围内有先增大后减小的趋势 流动性最好 的是模数为1郾 00 水玻璃制造出来的地聚合物 但 当模数大于 1郾 10 后 地聚合物浆体流动性趋于一 个平缓的过程 由此推断 欲达到施工要求的注 浆效果 水玻璃模数不可低于 0郾 80 3摇 结论 1 在适当 A 试剂作用下 可以利用偏高岭土 合成出具有一定抗折和抗压强度的地聚合物 而 且抗折与抗压强度随着水玻璃模数的增大而先升 高后减小 2 当水玻璃模数为 1郾 3 时 其对应的碱激发 剂对偏高岭土基地聚合物的激发效果最好 其 7 d 平均抗压强度可达 37郾 494 MPa 最大可达 39郾 784 MPa 其最大抗折强度可达 8郾 41 MPa 3 水玻璃模数的改变对偏高岭土基地聚合 物的密度没有显著影响 4 地聚合物的初 终凝时间随着水玻璃模数 的增大而增长 其中以模数为 0郾 80 的激发剂所制 造出的地聚合物的初终凝时间较符合施工要求 而流动性 注浆速度 随着模数的增大也在增大 但在模数大于 0郾 90 之后 继续增大激发剂模数对 浆体流动性的影响则不太显著 所以实际工程应 用时 模数保证在 0郾 90 及以上即可 5 上述结论表明 综合力学性能 流动性与 初凝 终凝时间来比较 若实际工程要求浆体的 初 终凝时间较短 而对强度要求不是很高 则可 选择模数 0郾 80 或 0郾 90 的激发剂制造地聚合物 若需要流动性较好的浆体 模数 1郾 00 水玻璃所激 发出来的地聚合物比较符合施工要求 若实际工 程需要长时间运输浆体 要求浆体的初 终凝 8 h 到 10 h 而对强度要求较高 可选择模数 1郾 30 激发 剂制造的地聚合物进行施工 由于模数越高 制 造同样多的激发剂所用的水玻璃越多 水玻璃的 价格比工业氢氧化钠的价格要高得多 且综合力 学性能来看 模数高于 1郾 30 的激发剂所制造出的 地聚合物强度在下降 初凝和终凝时间也在增长 所以为节约成本和原材料 实际工程中不建议使 用模数高于 1郾 30 的激发剂制造地聚合物 参考文献 1 Davidovits J Geopolymers and geopolymericmaterials J Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 1989 35 2 429 441 2 张书正 龚克成 地聚合物 J 材料科学与工程学 报 2003 21 3 430 436 3 简家成 刘峥 赖丽燕 偏高岭土地聚物制备条件 及其水化过程 J 桂林理工大学学报 2014 34 3 544 548 4 汪海风 盛建松 吴春春 等 矿渣基地聚合物泡沫 混凝土的制备及性能研究 J 建筑砌块与砌块建筑 2016 1 45 47 5 王智宇 偏高岭土的制备及其在混凝土中的应用 J 建材技术与应用 2006 5 6 9 6 王春梅 杨立荣 蔡基伟 煅烧制度及激发剂对偏 高岭土或性的影响 J 武汉理工大学学报 2009 31 7 126 130 7 赵永林 张耀君 徐德龙 水玻璃激发矿渣超细粉 制备灌浆材料的研究 J 混凝土 2007 6 39 40 8 李海宏 张耀君 李辉 碱激发不同活性粉煤灰地质聚 合物的研究 J 西安石油大学学报 2007 22 3 89 91 9 Palomo A Grutzeck M W Blanco M T Alkali acti鄄 vated fly ashes A cement for the future J CemConcrRes 1999 29 8 1323 1329 10 饶绍建 王克俭 正交试验研究矿物聚合物抗压 强度 J 硅酸盐通报 2010 29 6 1442 1446 11 周健儿 李其江 包启富 工艺因素对地质胶凝聚 合物力学性能的影响 J 中国陶瓷 43 7 32 35 12 张祖华 姚晓 褚华军 硅酸钠模数对无机聚合物 力学性能与微观结构的影响 J 南京工业大学学报 自然 科学版 2011 33 1 52 56 13 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 14 薛彩红 聂金合 高莉 等 水玻璃对偏高岭土基地质 聚合物材料性能的影响 J 非金属矿 2015 38 5 5 7 15 李亚林 王顺风 马雪 等 水玻璃对地质聚合物抗压 强度及孔结构的影响 J 非金属矿 2017 40 2 46 49 16 薛丹 车云轩 宋鹏 等 偏高岭土基地质聚合物的 制备和力学性能研究 J 四川水泥 2014 5 120 123 17 彭晖 崔湖 蔡春声 偏高岭土活性的煅烧温度影响 及测定方法研究 J 硅酸盐通报 2014 33 8 2078 2094 18 徐小彬 殷素红 杨建军 偏高岭土活性快速检验 方法的研究 J 硅酸盐通报 2008 27 4 690 694 19 Catherine A R John L P Grant C Lukey etal The mechanism of geopolymer gel for mation investigated through seeded nucleation J Journal of Colloid and Interface Sci鄄 ence 2011 357 2 384 392 收稿日期 2017 06 11 下转第 19 页 01 2017 年第 4 期摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇 广 东 公 路 交 通 Guangdong Highway Communications摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 Vol郾 43 No郾 4 Aug郾 2017 参考文献 1 江厚权 公路沥青路面车辙成因及修补方案 D 天津 天津大学 2008 2 苏凯 孙立军 沥青路面车辙产生机理 J 石油沥 青 2006 4 1 7 3 刘立杰 阳宏毅 沥青路面车辙形成机理及应力影 响分析 J 中外公路 2007 5 71 73 4 沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 M 北京 人民交通出版社 2001 5 Evaluation of Rutting Potential In Asphalt Mixes U鄄 sing Finite Element Modeling J Annual Conference of the Transportation Association of Canada St John蒺s Newfound鄄 land and Labrador 2003 6 沈金安 李福普 陈景 高速公路沥青路面早期损 坏分析与防治对策 M 北京 人民交通出版社 2004 收稿日期 2017 04 25 Preventive Measures and Effects of Road Rutting in Huaiji Section of Guangdong Guangxi Expressway LU Feiyu Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co Ltd Guangzhou 510620 Abstract As the traffic growth and increase of overloading and heavy vehicles which may result in road rut have be鄄 come the main factors of asphalt pavement damages in China being based on the reference of domestic and foreign da鄄 ta in this paper the formation mechanism of asphalt pavement rutting has been analyzed Being combined with practi鄄 cal engineering in this paper the measures of preventing and treating asphalt pavement rutting have been pointed out from the aspects of pavement structure raw material selection mix proportion design construction quality control and so on Key words asphalt pavement rutting 适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适 prevention methods 上接第 10 页 Effects of Sodium Silicate Modulus on Physical and Mechanical Properties of Metakaolin based Geopolymers HE Zhuoming ZOU Jiaqiang LIU Aihua WANG Haiyang College of Water Conservancy and Civil Engineering South Chin