偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物的制备与性能研究

1、安徽建筑工业学院本科生毕业论文.偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物的制备与性能研讨：.；安徽建筑工业学院本科生毕业论文 PAGE II PAGE I摘 要地质聚合物是一种新型胶凝资料，因其具有优良的性能，近年来引起了国内外研讨学者的广泛关注。本文利用偏高岭土和粉煤灰为原料，经过碱激发制备地质聚合物。利用正交设计研讨了偏高岭土的细度、粉煤灰的掺量和碱激发剂的模数对地质聚合物力学性能的影响，并研讨了其任务性能和凝结性能。研讨阐明：1高岭土在850下煅烧并保温2h制备具有活性的偏高岭土，偏高岭土在常温下由氢氧化钠和水玻璃溶液制成的碱激发剂激发，可以制备地质聚合物。2偏高岭土地质聚合物的早期强度开展很快，经

2、过掺入粉煤灰调控其反响进程，改善其粘聚性，偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物浆体的流动性随着粉煤灰掺量的添加而变好。3经过正交实验得出影响偏高岭土粉煤灰基地质聚合物力学性能的大小要素分别为偏高岭土细度、粉煤灰掺量和水玻璃模数。最正确配方为：偏高岭土为最细，粉煤灰掺量为25%，水玻璃模数为1.3；4同一粉煤灰含量的混合原料在采用不同模数的水玻璃激发时，随水玻璃模数的增大，凝结时间增长。关键词：地质聚合物；偏高岭土；粉煤灰；任务性能；凝结时间AbstractGeopolymer is a new gelled material which attracted lots of attentions, bo

3、th at home and abroad in recent years, for its excellent properties. In this thesis, geopolymer has been synthesized from raw materials what are metakaolinite and fly ash under activation of NaOH solution and sodium silicate solution. We discuss that how fineness of the metakaolinete, content of fly

4、 ash and modulus of sodium silicate affect the mechanical properties of Flyash-Metakaolinite based geopolymer by using orthogonal experimental design.Meanwhile，the working performance and setting time of geoploymer are studied.Research shows: (1) Flyash-Metakaolinite based geopolymer has been synthe

5、sized at room temperature from metakaolinite under activation of NaOH solution and sodium silicate solution.We get metakaolinite with high activity from kaolinite which has been calcined at 850,and holds 2 hours.(2) Metakaolinite-based geoploymer has good performance in the development of the early

6、strength.The reaction process is regulated by mixing the flyash and hence the workability is improved. The content of fly ash in the total raw materials increased, the flowability of the slurry of Flyash-Metakaolinite based geopolymer is getiing better. (3)We know that fineness of the metakaolinete,

7、 content of fly ash and modulus of sodium silicate are thre influencing factors. The best formula is the finenest metakaolinite, fly ash accounted for 25% of the total raw materials and modulus of modified water glass was 1.3.(4) When the raw materials with the same content of flyash getted activate

8、d by sodium silicate with different modulus,the setting time getting longer along with the increase of the modulus of the sodium silicate.Keywords: Geopolymer Metakaolinite Fly ash Working performance Setting time目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295302030 摘 要 PAGEREF _Toc295302030 h I HYPERLINK l

9、 _Toc295302031 Abstract PAGEREF _Toc295302031 h II HYPERLINK l _Toc295302032 第一章 绪论 PAGEREF _Toc295302032 h 2 HYPERLINK l _Toc295302033 1.1 地质聚合物简介 PAGEREF _Toc295302033 h 2 HYPERLINK l _Toc295302034 1.2 地质聚合物的制备 PAGEREF _Toc295302034 h 3 HYPERLINK l _Toc295302035 1.2.1 偏高岭土地质聚合物的制备 PAGEREF _Toc2953

10、02035 h 3 HYPERLINK l _Toc295302036 1.2.2 粉煤灰地质聚合物的制备 PAGEREF _Toc295302036 h 4 HYPERLINK l _Toc295302037 1.3 地质聚合物的反响机理 PAGEREF _Toc295302037 h 6 HYPERLINK l _Toc295302038 1.4 地质聚合物开展中的有利条件和遇到的问题 PAGEREF _Toc295302038 h 7 HYPERLINK l _Toc295302039 1.4.1 地质聚合物的有利条件 PAGEREF _Toc295302039 h 8 HYPERLIN

11、K l _Toc295302040 1.4.2 地质聚合物开展中遇到的问题 PAGEREF _Toc295302040 h 9 HYPERLINK l _Toc295302041 1.5 地质聚合物的运用前景 PAGEREF _Toc295302041 h 10 HYPERLINK l _Toc295302042 1.6 本文研讨的主要内容 PAGEREF _Toc295302042 h 11 HYPERLINK l _Toc295302043 第二章 实验部分 PAGEREF _Toc295302043 h 11 HYPERLINK l _Toc295302044 2.1 实验原资料 PAG

12、EREF _Toc295302044 h 11 HYPERLINK l _Toc295302045 2.2 实验仪器及设备 PAGEREF _Toc295302045 h 12 HYPERLINK l _Toc295302046 2.3 实验资料预备及预处置 PAGEREF _Toc295302046 h 13 HYPERLINK l _Toc295302047 2.3.1 偏高岭土制备 PAGEREF _Toc295302047 h 13 HYPERLINK l _Toc295302048 2.3.2不同模数改性水玻璃的配制 PAGEREF _Toc295302048 h 13 HYPERL

13、INK l _Toc295302049 2.3.3 实验原料配比 PAGEREF _Toc295302049 h 15 HYPERLINK l _Toc295302050 2.4 实验方法 PAGEREF _Toc295302050 h 16 HYPERLINK l _Toc295302051 2.4.1 地质聚合物试样制备 PAGEREF _Toc295302051 h 16 HYPERLINK l _Toc295302052 2.4.2 地质聚合物浆体流动度的测定 PAGEREF _Toc295302052 h 17 HYPERLINK l _Toc295302053 2.4.3 抗压强度

14、实验 PAGEREF _Toc295302053 h 17 HYPERLINK l _Toc295302054 2.4.4 正交优化设计实验 PAGEREF _Toc295302054 h 17 HYPERLINK l _Toc295302055 第三章 结果与讨论 PAGEREF _Toc295302055 h 18 HYPERLINK l _Toc295302056 3.1 正交实验分析 PAGEREF _Toc295302056 h 18 HYPERLINK l _Toc295302057 3.1.1 偏高岭土细度对资料抗压强度的影响 PAGEREF _Toc295302057 h 19

15、 HYPERLINK l _Toc295302058 3.1.2 粉煤灰掺量对资料抗压强度的影响 PAGEREF _Toc295302058 h 20 HYPERLINK l _Toc295302059 3.1.3 水玻璃模数对资料抗压强度的影响 PAGEREF _Toc295302059 h 22 HYPERLINK l _Toc295302060 3.2 偏高岭土-粉煤灰基地质聚合物性能研讨 PAGEREF _Toc295302060 h 23 HYPERLINK l _Toc295302061 3.2.1 流动性研讨 PAGEREF _Toc295302061 h 23 HYPERLIN

16、K l _Toc295302062 3.2.2 凝结时间研讨 PAGEREF _Toc295302062 h 24 HYPERLINK l _Toc295302063 第四章 结论与展望 PAGEREF _Toc295302063 h 25 HYPERLINK l _Toc295302064 4.1 结论 PAGEREF _Toc295302064 h 25 HYPERLINK l _Toc295302065 4.2 展望 PAGEREF _Toc295302065 h 26 HYPERLINK l _Toc295302066 致 谢 PAGEREF _Toc295302066 h 26 HY

17、PERLINK l _Toc295302067 参考文献 PAGEREF _Toc295302067 h 27 PAGE 28 PAGE 29第一章 绪论1.1 地质聚合物简介 地质聚合物最早由法国的Davidovits J教授在研讨古罗马建筑和埃及金字塔时提出的1。Geopolymer一词原意指由地球化学作用或地质合成作用而构成的铝硅酸盐矿物聚合物，故此人们将地质聚合物又称为地聚合物、矿物聚合物、土聚水泥、土壤聚合物、化学键陶瓷资料、低温铝硅酸盐玻璃等2-7。地聚合资料属于碱激发资料，即强碱溶液与硅酸盐矿物颗粒发生反响，在其外表构成具有硅酸盐长链构造的凝胶相，凝胶相固化脱水后构成的物相称之为

18、基体相，呈非晶态或半晶态，强度较低，而基体相将未反响的矿物颗粒或骨料粘结在一同，构成具有一定强度的资料8。这类胶凝资料具有传统水泥所不具有的优良性能9：早强快硬，体积稳定性好，耐化学腐蚀，界面结合力强，抗渗性好，耐高温性好，耐水热作用，耐久性好，可自调温调湿等。它以其独特的性能以及在建筑资料、高强资料、固核固废资料、密封资料和耐高温资料等方面所显示出宽广的运用前景，已成为世界各国资料科学任务者关注的目的之一10-15。地聚合物资料具有类似有机高聚物的链接构造，其根本构造单元为无机的 Si-O四面体和Al-O四面体，其终产物以离子键及共价键连结为主，范德瓦尔斯键以及氢键连结为辅。Davidovi

19、ts J以硅铝比为根据对地聚合物进展了系统的划分如以下图，将地聚合物的长链构造分为3种类型：硅铝长链，即PS(Si/Al=l)，双硅铝长链，即PSS(Si /Al=2)和三硅铝长链，即PSDS(Si/Al=3)，如图l.l所示。图1.1 地聚合物的分类地聚合物是由硅氧四面体和铝氧四面体以顶角相连而成的具有不规那么三维网状构造，金属离子充填网络空隙而构成的非晶态至半晶态的固体资料，在化学成分上类似于沸石，但是地质聚合物为一种无定型凝胶体。地聚合物主要是由不同比例的硅氧四面体和铝一氧四面体衔接成的多维网络构造，碱没有直接进入到网络构造中，但是起到了平衡电价的重要作用。图 1.2 地聚合物的构造模型

20、1.2 地质聚合物的制备地质聚合物的制备研讨不仅可以改动反响条件，而且还可以改动原资料。工业废弃物粉煤灰和矿渣可部分或全部替代原来运用的粘土矿物，既有环境效益又突显经济效益，因此成为目前研讨热点。下面将引见偏高岭土地质聚合物和粉煤灰地质聚合物的制备。1.2.1 偏高岭土地质聚合物的制备偏高岭土是由高岭土煅烧得到的。高岭土中主要矿物相是高岭石，层状含水铝硅酸盐，硅氧四面体层:铝氧八面体层1:1，理想化学式是Al4Si4O10(OH)8，伴生矿有埃洛石、石英、云母等矿物，其显观形貌见图1.3。图1.3 高岭石显微形貌 (a)扫描电镜；(b)透射电镜；(c)原子力显微镜16在100C150C高温下

21、(或130C200C水热条件)，高岭石和NaOH发生缩聚反响构成水化方钠石 (hydrated sodalite) 或水合方钠石 (hydrosodalite)，见式1.1。但在室温下，由于高岭石活性较低，该反响进展极慢，因此需求将原料预先活化。Si2O5 Al2(OH)4 + NaOH Na(SiOAlO)n式1.1Si2O5 Al2(OH)4 2SiO2 Al2O3+2H2O式1.2高温煅烧是活化方法之一。实际上，高岭石在527煅烧可转化为偏高岭石(式1.2)。Kolouek17等提出在550下直接煅烧偏高岭土和NaOH、KOH的混合物，但研讨结果阐明，这种全新的制备方法所得到的产物水化后

22、强度很低 (1MPa左右)，缘由能够在于高岭石并未活化。Zhu17等研讨证明煅烧温度高于600更有效，且煅烧温度显著影响产物构造，进而影响到无机聚合物的力学性能。Rocha17研讨阐明650900煅烧后的高岭石的Al核磁共振谱在4ppm、25ppm和53ppm出现共振谱峰，它们分别对应Al的六、五和四配位，阐明高岭土煅烧产物并不完全是偏高岭石。在讨论无机聚合物某些特性和无机聚合构成反响机理时，为防止或减少其它要素添加研讨的复杂性，往往选用偏高岭石或较纯偏高岭土作原料。在无机聚合物运用研讨方面，往往不运用纯高岭土，由于较纯高岭土资源有限，且用途广泛。运用低质量粘土制备无机聚合物，不仅可以节约资源

23、，而且利于该资料推行运用。Zibouch17研讨了高岭土中其它矿物的影响，发现含有20%伊利石和10%石英的高岭土仍可以用来制备无机聚合物。Chen等17探求运用水库淤泥替代高岭土来制备无机聚合物，淤泥取自台湾A-Kung-Tien水库，主要矿物组成是石英、蒙脱石、蛇纹石和斜铁辉石，先湿法过筛除去某些杂质，烘干后细磨至平均粒径50m，500900煅烧6h，煅烧产物经碱激发后制成的无钙无机聚合物强度很高，850煅烧产物的激发制品7d和28d抗压强度分别达45.1MPa和57.2MPa，该项研讨为开辟无机聚合物原料来源提供了新思绪。1.2.2 粉煤灰地质聚合物的制备粉煤灰是热电站燃煤烟气中分别出来

24、的副产品，呈细微球状，见图1.4，其化学组成和矿物相组成取决于煤的质量和熄灭条件。粉煤灰主要成分为SiO2,Al2O3. (SiO2+Al2O3+Fe2O370%) 和C级 (70%SiO2+Al2O3+Fe2O350%)；GB/T 1596-2005也有类似级别的分法，根据来源，无烟煤和生煤熄灭后搜集的粉煤灰称为F类，褐煤和亚烟煤熄灭后搜集的称为C类，其CaO含量普通高于10%，该规范进一步根据拌制混凝土和砂浆时技术目的 (如煤灰细度、需水量、烧失量等) 将粉煤灰分为一级、二级和三级。图1.4 粉煤灰显微形貌：(a)原灰；(b) 中空球体 粉煤灰的预处置工艺对无机聚合物性质有很大影响。Tem

25、uujin和van Riessen18研讨了煅烧工艺对无机聚合物性质的影响，发现煅烧可使粉煤灰中残留的碳粒获得充分熄灭，但也使无机聚合物的强度有所降低，经过XRD、SEM并结合EDS分析，煅烧使粉煤灰无定型相含量降低，颗粒外表生成了莫来石和磁铁矿，降低了原料活性。Temuujin18等进一步研讨了机械粉磨工艺的影响，将粒径为14.4m的粉煤灰细磨至6.8m，细磨后的粉煤灰活性增高，在室温养护下反响28d无机聚合物抗压强度达45MPa，这与Kumar等人研讨结果一致18。机械粉磨使粉煤灰内部玻璃体粉碎，产生各种不稳定的断键与畸变，硅氧四面体由聚合态向单体转变，这些构造上的变化是机械活化的本质19

26、。激发剂的性质会显著影响粉煤灰的溶解过程和产物的性质。激发剂中，碱金属离子的类型对粉煤灰基无机聚合物性质影响很大，例如分别用KOH和NaOH溶液作激发剂，前者产物强度更高，比外表积较大，结晶程度差，抗HCl溶液腐蚀才干稍低。激发剂中存在一定量铝酸根离子可促进无机聚合物的构成，使产物强度提高20-26。掺合料或外加剂的选择也会显著影响产物性质。Swanepoel和Strydom在粉煤灰中掺入40%高岭土，用硅酸钠和NaOH混协作为激发剂，发现大量高岭土残留抑制了产物的强度开展，60C条件下获得的无机聚合物28d抗压强度仅为7.5MPa。Luna Galiano最近对比研讨了粉煤灰中掺矿渣和偏高岭

27、土作为复合原料，发现掺矿渣的无机聚合物经加速碳化后抗压强度显著提高，固化重金属离子的才干更强。胡明玉等27运用沸石和膨润土作为矿物掺合料，结果阐明掺量为1015%时，用NaOH溶液和生石灰粉作为复合激发剂，可合成28d抗压、抗折强度分别大于26MPa、8MPa的粉煤灰基无机聚合物资料，沸石作掺合料有利于提高粉煤灰无机聚合物资料的耐硫酸盐腐蚀性。利用粉煤灰替代烧粘土制备无机聚合物成为目前研讨趋势，但在研讨过程中须思索以下几点现实：来源不同，粉煤灰性质不同，对无机聚合物性能影响较大；粉煤灰活性较低，反响速率慢，不能耗费按化学计量掺入的碱，析出的碱与空气中的CO2反响呵斥“泛霜景象；机械活化粉煤灰有

28、利于无机聚合物的开发和工程运用，但粉磨也添加了原料本钱和能耗。1.3 地质聚合物的反响机理关于地质聚合物的反响机理依然是一个尚未完全处理的问题，尤其是对不同体系及组成相对复杂的体系更是如此。目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反响机理模型有以下几个。1法国科学家Joseph Davidovits为代表的研讨者所提出的利用氢氧化钠或氢氧化钾激发偏高岭土制备地质聚合物的机理模型：偏高岭土等活性资料在高碱性溶液中裂解为类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体，这些低聚物在高碱环境下发生聚合反响作用，构成三维网状构造的无机高聚物。根据反响产物中硅铝比(Si/A1)之间的比例关系，可将地质聚合物

29、分为3种类型：PS型、PSS型、PSDS型，基于此可将地质聚合物的分子式表达为：Mn-(SiO2)x-AlO2-nmH2O，式中z为1、2或3；M为碱金属离子(Na+、K+等)，n以为聚合度。m为结合水量。2曹德光等28副研讨提出利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土制备地质聚合物的反响机理：硅酸钠溶液低聚合形状的硅氧四面体基团与偏高岭石中的活性铝氧层之间发生了化合反响，即低聚合度的硅氧四面体基团与偏高岭土的铝氧层发生了“键合反响。这里的低聚度硅氧四面体基团起到一种“胶联的键协作用，将偏高岭土颗粒“粘联在一同，构成一种网络状的三维空间构造产物。并给出了地质聚合物的反响式： 式1.3图1.5地质聚合物

30、的构造模型张云升等29运用环境扫描电镜原位定量追踪K-PS型和K-PSDS型地质聚合物水泥在相对湿度80条件下水化产物生成开展演化的全过程。结果阐明：在水化早期，偏高岭土颗粒松散地堆积在一同，存在许多大空隙；随着龄期的延伸，生成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩展；到了后期，颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密。段瑜芳等30也对低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝资料进展了研讨，并提出碱激发偏高岭土胶凝资料的水化同样可以分为初始期、诱导期、加速期、减速期以及稳定期。但是，各水化阶段的反响机理与传统的水泥基资料完全不同。初始期主要是偏高岭土对溶液组分的外表吸附；诱导期主要表现为活性

31、硅铝氧化物的溶解；加速期表现为四面体基团的聚合；减速期水化速度降低的主要缘由是分散阻力增大，同时偏高岭土反响面积减小，液相中的碱含量降低也是重要缘由。3李化建等31研讨提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝基胶凝资料的水化机理：焊接原理(铝硅酸盐之间的缩聚)和包裹原理(硅凝胶、C-S-H凝胶以及铝硅酸盐之间的交错)的综合。煤矸石质硅铝基胶凝资料的硬化成岩分为3个阶段，即成岩剂的水解、迁移，原位键合以及包裹胶结。4马鸿文等32研讨提出利用碱硅酸盐混合溶液(氢氧化钠和水玻璃)激发粉煤灰和煅烧高岭石制备地质聚合物的反响机理：粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解，其中部分Si

32、-O、Al-O键发生断裂；断裂之后的Si、Al组分在碱金属离子Na+、OH-等作用下构成Si、Al低聚体(-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、A1(OH)-、Al(OH)52-、Al(0H)63-)，而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化，这些低聚体又构成凝胶状的类沸石前驱体；最后前驱体脱水得到非晶相物质。1.4 地质聚合物开展中的有利条件和遇到的问题地质聚合物具有原资料丰富、工艺简单、节约资源和能源等优点，又兼具有机高分子、陶瓷和水泥等资料的优良性能，使之越来越遭到人们的注重。但是，目前开展和运用无机聚合物技术也存在诸多困难。1.4.1 地质聚合物的有利条件1原料来源丰富、价钱低廉 自然

33、界中硅铝酸盐原料储量丰富，同时工业废渣、粉煤灰、脱硫灰、矿山尾矿等固体废弃物亦可作为硅铝酸盐原料，在降低本钱的同时又可以处置掉这些常规方法难以处置的对环境有害的物质，到达变废为宝的效果。地壳中Si、Al和O共占84%左右，多以硅酸盐或铝硅酸盐矿物方式存在，许多硅铝质矿物可用于制备无机聚合物。我国粘土矿物储量丰富，仅高岭土资源，上世纪90年代探明保有储矿208处，储量14亿3千万吨，其中B级矿和C级矿达3亿4千5百万吨。因廉价易得，大量优质高岭土已被广泛用于油漆、粗瓷、精瓷、耐火资料、电瓷、塑料、橡胶、造纸和涂料中，而低品高岭土矿以及分别出的残渣正寻求开发运用渠道。2早强快硬，力学性能好地质聚合

34、物具有早期强度高，凝结时间快的特点。有研讨阐明：利用碱激发偏高岭土制得的地质聚合物在25下4h的抗压强度可达87.5MPa，7天强度可以到达.6MPa。凝结时间方面具有快硬水泥的特点，并表现出随着温度升高，凝结时间缩短的趋势33。运用优质骨料配制的地质聚合物混凝土，25下1天的抗压强度可达56MPa，后期强度也不降低。在一定工艺条件下，地质聚合物制品的强度可达300MPa以上34。3良好的界面结合才干传统硅酸盐水泥在与骨料结合的界面处容易出现氢氧化钙的富集和择优取向的过渡区，呵斥界面结合力薄弱。地质聚合物不存在硅酸钙的水化反响，其最终产物主要是以共价键为主的三维网络凝胶体，与骨料界面结合严密，

35、不会出现类似的过渡区。与水泥基资料相比，当抗压强度一样时，地质聚合物具有更高的抗折强度。4能有效的固封重金属离子和核废料 地聚合资料产物相由复杂而致密的多相组成，聚合产生的多维孔状构造可以有效地把金属离子固封在空腔中。同时骨架中的铝离子也能吸附某些金属离子以平衡铝+3价，四配位所带的负电荷。研讨还发现虽然地聚合资料基质对各种金属元素都有较好的固封作用，但固封效率因元素原子半径不同而有所差别。 5耐久性好地质聚合物是由无机的硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的三维网络凝胶体，具有有机高聚物的键接构造。所以地质聚合物兼有有机高聚物和硅酸盐水泥的特点，但又不同于上述资料。与有机高分子相比，地质聚合物不老

36、化、不熄灭，耐久性好；与硅酸盐水泥相比，其能经受环境的影响，耐久性远远优于硅酸盐水泥。消费工艺节能地质聚合物的制备工艺如图1.6，运用粘土质原料，主要耗能环节在粉磨和煅烧：粉磨能耗大约是水泥生料能耗的1/2 (水泥生料煅烧还需能耗)，粘土煅烧温度在527900C较适宜，时间较短普通控制在6h以内，与水泥1400C煅烧相比能耗更低，养护阶段的能耗相对而言只是很少一部分。假设用矿渣只需粉磨能耗，运用粉煤灰且不机械活化，不思索激发剂的消费能耗，无机聚合物的消费能耗极低，Davidovits以为是总体能耗是消费水泥能耗的1/61/4。图1.6 地质聚合物制备工艺1.4.2 地质聚合物开展中遇到的问题储

37、量丰富的天然矿物和待处置的产业废渣为无机聚合物的制备提供了物质根底，高强耐久、工艺环保等性能为开展无机聚合物的提供了市场动力，但无机聚合物开展与运用中还存在许多突出问题。1地质聚合物质量难控制质量难控制主要缘由是原料来源广泛，性状复杂。高岭土组成较为单一，但本钱居高制约其大规模运用，利用粉煤灰、炉渣和渣滓灰等固体废弃物满足可继续开展的要求。但各地原料物理形状、化学组成无法一致，大规模利用这些废弃物，无机聚合物的质量难于控制。2工艺条件不固定高温养护是目前研讨、制备无机聚合物广泛运用的工艺，高温养护工艺可以在制造无机聚合物预制件中运用，但毕竟添加了能耗本钱，尤其添加了工艺复杂性，使现场浇筑施工难

38、度添加。另外，化学激发剂来源于化工产品，大量运用也添加了本钱。3缺乏相关技术规范无机聚合物的性能检测无相应国家规范或国际规范，目前普通运用水泥基资料的规范，参考比较广泛的是ASTM C1157和AS3600，这两个规范关怀水泥混凝土的性能而不注重水泥的组成或混凝土的配比。无机聚合物的性质显然与水泥相去甚远，因此，建立新规范是推进无机聚合物向前开展之需，目前，国内嘉兴学院和苏州混凝土水泥制品研讨院正拟筹建立相关规范，国外Van Deventer主持的RILEM 的AAM委员会也在初步开展相关任务。4地质聚合物运用目的不详细运用目的不详细是指： 作为高温构造资料，缺乏与金属、陶瓷等系统对比研讨以及

39、服役性能测试； 作为新型建筑资料，缺乏耐久性、工程性能研讨； 作为重金属或放射性废物的封固资料，缺乏稳定性评价研讨。基于以上分析，无机聚合物运用前景很广，但目前尚未得到广泛运用，商业缘由在于产质量量难控制，根本缘由在于性能研讨不系统，规律认识不深化。1.5 地质聚合物的运用前景地质聚合物本身具备的优良性能特点决议了其宽广的运用前景，主要可运用于以下几个方面：1开发土木工程资料和快速修补资料 地质聚合物突出的快硬早强性能使它在运用中可以提高施工速度，同时由于其早期强度高及界面粘结强度高的特点，可用作混凝土构造快速修补资料。2开发优质地质聚合物基涂料 地质聚合物水化后构造致密，具有良好的防水、防火

40、等性能。与有机涂料相比，地质聚合物基涂料具有耐酸性、防火阻燃性、环保性、防霉菌性等一系列优点。地质聚合物基涂料作为特种涂料将有宽广的运用前景。3开发工业有毒废渣和核废料固封资料 地质聚合物的最终产物为类沸石相，而沸石是具有骨架(又称三维网状、笼形)构造的含水硅酸铝，沸石资料能吸附有毒化学废料，所以地质聚合物是固化各种化工废料、固封有毒重金属离子及核放射元素的有效胶凝资料。4开发地质聚合物复合资料 利用地质聚合物特有的快硬早强、高抗折强度、耐腐蚀和导热系数低、可塑性好等特点，可以开发建筑用的地质聚合物GRC板材和块体资料。5开发化学键合陶瓷 地质聚合物经过水化反响能到达与高温烧结陶瓷相媲美的构造

41、，而且低温浇注地质聚合物便于成型各种复杂外形的制品。6开发防火和耐高温资料地质聚合物能经受1200的高温，可用于制造炉膛、隔热资料等。1.6 本文研讨的主要内容1制备研讨:以偏高岭土和粉煤灰为主要原料，经过改性水玻璃激发制备出高性能的偏高岭土粉煤灰地质聚合物。2性能研讨:研讨了偏高岭土的细度、粉煤灰掺量和水玻璃模数对地质聚合物任务性能、凝结时间和力学性能的影响。第二章 实验部分2.1 实验原资料1煤系高岭土偏高岭土Al2O32SiO2是由高岭土Al2(Si2O5)(OH)4在适当温度下煅烧构成的无水硅酸铝，是一种高活性的火山灰物质。其化学过程如式2.1所示： Al2(Si2O5)(OH)4Al

42、2O32SiO2 + 2H2O 式2.1 高岭土经过在适当的温度下煅烧后，由于其羟基的脱去，Al 由原来的六配位逐渐向四配位转变，构成无定形粉末状的物质，即为偏高岭土。 由于偏高岭土中原子陈列不规那么，呈现热力学介稳形状，在适当激发条件下具有胶凝性。 本论文中采用的高岭土是由淮北金岩高岭土开发有限责任公司。高岭土经过煅烧脱羟基处置得到的偏高岭土。高岭土有两种细度：200目和2000目。偏高岭土细度那么由两种细度煅烧后的高岭土以三种不同比例混合而成。表2.1为高岭土的化学组成。表2.1 煤系高岭土的化学组成 %Na2OSiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2OLoss0.1244.8

43、039.520.300.410.300.060.0614.432粉煤灰本论文中采用的粉煤灰为南京电厂一级低钙灰。表2.2为粉煤灰的化学组成。表2.2 粉煤灰的化学组成 %Al2O3SiO2K2OFe2O3CaOSO3MgOLoss31.3450.891.505.933.901.451.272.523化学纯NaOH：在早期制备地质聚合物时，氢氧化钠为主要激发剂。后来研讨发现采用碱金属硅酸盐溶液比单独运用氢氧化钠作为激发剂会更有利于反响进展，制备的地质聚合物具有更好的性能。本文所用的NaOH为无锡展望化工试剂消费的NaOH固体4工业水玻璃：市购，M=3.03。5水：城市自来水2.2 实验仪器及设备

44、序号仪器及设备厂家1TD21001电子天平余姚市金诺天平仪器25-12箱式电阻炉杭州蓝天化验仪器厂3ZS-15型水泥胶砂振实台无锡建仪仪器机械4JJ-5型水泥胶砂搅拌机无锡建仪仪器机械5NYL-600型液压实验机无锡市建筑资料仪器厂6WEW-600C型液压万能实验机济南试金集团7激光粒度分析仪济南润之科技8维卡仪9秒表2.3 实验资料预备及预处置2.3.1 偏高岭土制备两种不同细度的高岭土在850下煅烧并保温2h制备具有活性的偏高岭土。分别配制三种不同细度的偏高岭土。略粗的为：2/3的粗偏高岭土和1/3的细偏高岭土；中等细度的为：1/2的粗偏高岭土和1/2细偏高岭土；略细的为：1/3的粗偏高岭

45、土和2/3的细偏高岭土。用激光粒度仪测得粗细偏高岭土的粒度分布如图2.1和图2.2所示。图2.1 粗偏高岭土的粒度分布图2.2 细偏高岭土的粒度分布2.3.2 不同模数改性水玻璃的配制一 水玻璃模数的测定水玻璃模数的测定方法参照中华人民共和国国家工业硅酸钠规范GB /T 42092021。水玻璃模数是指溶液中氧化硅与氧化钠的摩尔比。1氧化钠含量的测定液体硅酸钠实验溶液的制备：称取约5g试样，准确至0.0002g，移入250ml容量瓶中，用水溶解，稀释至刻度，摇匀，此溶液为实验溶液C。用移液管移取50ml实验溶液C置于300ml锥形瓶内，加10滴甲基红指示液，用盐酸规范滴定至溶液由黄色变微红色即

46、为终点。滴定后的溶液为实验溶液E，保管此溶液供测定二氧化硅的含量(X3)。 式2.2其中：c盐酸规范滴定溶液的实践浓度，mol/L； V滴定耗费的盐酸规范滴定溶液体积，ml； m试料的质量，g；0.03099与1.00ml盐酸规范滴定溶液c(HCl)=1.000ml/L相当的以克表示的氧化钠的质量。2二氧化硅含量测定在测定氧化钠含量后的实验溶液E中，参与30.1g氟化钠，摇动使其溶解，此时溶液又变成黄色，立刻用盐酸规范滴定溶液滴定至红色不变，再过量23mL，准确记录盐酸规范滴定溶液的总体积。然后用氢氧化钠规范滴定溶液滴定至黄色为终点。同时做空白实验，在250mL锥形瓶中，参与50mL水，10滴

47、甲基红指示液，参与30.1g氟化钠，立刻用盐酸规范滴定溶液滴定至红色不变，再过量23mL，准确记录盐酸规范滴定溶液的总体积。然后用氢氧化钠规范滴定溶液滴定至黄色为终点。二氧化硅含量为X4 式2.3式中：c1盐酸规范滴定溶液的实践浓度，mol/L；c2氢氧化钠规范滴定溶液的实践浓度，mol/L；V1滴定中耗费的盐酸规范滴定溶液的体积，ml；V2滴定中耗费的氢氧化钠规范滴定溶液的体积，ml；V3空白实验耗费的盐酸规范滴定溶液的体积，ml；V4空白实验耗费的氢氧化钠规范滴定溶液的体积，ml；m试料的质量，g；0.01502与1.00mL盐酸规范滴定溶液c(HCl)=1.000mol/L相当的，以克表

48、示的二氧化硅的质量。 模数M=二氧化硅百分含量/氧化钠百分含量 1.032，其中：1.032为氧化钠相对分子质量与二氧化硅的比值。测定结果：水玻璃的模数M=3.03 Na2O%=10.11% SiO2%=29.72%二不同模数改性水玻璃的配制配制不同的模数的方法是经过改动其氧化钠的含量，经过参与氢氧化钠改动水玻璃中氧化钠的含量。M=1.2 100g水玻璃需参与19.94g NaOHM=1.3 100g水玻璃需参与17.4g NaOHM=1.4 100g水玻璃需参与15.23g NaOH2.3.3 实验原料配比一正交实验原料的配比按照表2.3，对正交优化设计9组实验进展原料配制。贴上标签，实验时

49、对应取试料。表2.3 实验原料配比 原料实验号粗偏高岭土/g细偏高岭土/g粉煤灰/g117587.587.52151.6775.83122.53128.364.2157.54131.25131.2587.55113.75113.75122.5696.2596.25157.5787.517587.5875.83151.67122.5964.2128.3157.5二地质聚合物流动性能影响实验原料的配比实验取料数据如下表2.4所示：表2.4 流动性测试实验配比实验号偏高岭土质量/g粉煤灰质量/g粉煤灰掺量/%1950002760190203570380404380570605190760806095

50、01002.4 实验方法2.4.1 地质聚合物试样制备地质聚合物试体的制备是将不同比例的粉煤灰和偏高岭土在枯燥条件下充分混合后倒入净浆搅拌锅内，在搅拌的同时参与一定量上述不同模数改性水玻璃，快搅90s后慢搅30s。将搅拌后的浆体在40mm40mm40mm的模具中浇筑成型。自然养护24h后拆模。并在自然条件下养护至所需龄期，测试其抗压强度。图2.3 地质聚合物试样制备流程图2.4.2 地质聚合物浆体流动度的测定将搅拌后的浆体放入以下安装中，计算一样体积浆体滴完的时间。以此来表示浆体的流动度。图2.4 流动度的丈量安装2.4.3 抗压强度实验地质聚合物试块力学性能的测试参照水泥胶砂强度检测方法，采

51、用检验水泥胶砂试体抗压夹具在压力机上测定其抗压强度。压力机为无锡市建筑资料仪器厂消费的NYL-600型液压实验机，加压速率2.4kN/s。试块成型24h拆模后置于自然条件下养护至所需龄期，测试其抗压强度。2.4.4 正交优化设计实验以粉煤灰为矿物掺合料，设计一个三要素、三程度的正交实验。要素和程度见表2.5，正交实验设计见表2.6。表2.5 要素程度表程度因 素偏高岭土细度 /m2kg-1粉煤灰掺量/%Na2OnSiO2溶液模数1A粗251.22B中351.33C细451.4表2.6 正交实验设计及结果 要素实验号A偏高岭土细度B粉煤灰掺量CNa2OnSiO2溶液模数1粗(1)25 (1)1.

52、2 (1)2粗(1)35 (2)1.3 (2)3粗(1)45 (3)1.4 (3)4中(2)25 (1)1.4 (3)5中(2)35 (2)1.2 (1)6中(2)45 (3)1.3 (2)7细(3)25 (1)1.3 (2)8细(3)35 (2)1.4 (3)9细(3)45 (3)1.2 (1)按表2.3进展取料实验。枯燥条件下充分混合后倒入净浆搅拌锅内，在搅拌的同时参与一定量上述不同模数改性水玻璃，快搅90s后慢搅30s。将搅拌后的浆体在40mm40mm40mm的模具中浇筑成型。自然养护24h后拆模。并在自然条件下养护至所需龄期，测试其抗压强度。第三章 结果与讨论在地质聚合物制备过程中，很

53、多要素会影响地质聚合物的抗压强度。本章以粉煤灰、偏高岭土为铝硅酸盐原料，改性钠水玻璃为碱激发剂来制备地质聚合物，调查不同偏高岭土细度、粉煤灰掺量粉煤灰占原料总量=25%、35%和45%和改性水玻璃模数Ms = n(SiO2)/n(Na2O) = 1.2、1.3、1.4对抗压强度的影响，并获得任务性和抗压强度均较好的地质聚合物配方。采用在40mm40mm40mm的立方型模具成型，拆模后将试块置于自然条件下养护至所需龄期。3.1 正交实验分析试块龄期为3d、7d、28d的抗压强度见表3.1。对表3.1中的实验结果进展极差分析，计算结果见表3.2。并画出趋势图。从表3.2可以看出，总体上影响偏高岭土

54、-粉煤灰基地质聚合物抗压强度的要素按主次顺序为BAC,且合成该资料的最正确方案为A3B1C2。偏高岭土细度对资料抗压强度影响占主导要素。表3.2 正交实验设计及结果 要素实验号A偏高岭土细度B粉煤灰掺量CNa2OnSiO2溶液模数抗压强度/MPa3d7d28d1(1)(1)(1)28.2345.4456.542(1)(2)(2)31.7445.4451.323(1)(3)(3)18.5238.4443.074(2)(1)(3)47.4461.3065.335(2)(2)(1)27.4338.7449.036(2)(3)(2)22.3237.6643.237(3)(1)(2)56.6665.75

55、69.458(3)(2)(3)32.4348.4355.289(3)(3)(1)26.03446749.36表3.2 各要素对抗压强度的极差分析极差K1K2K3R3dA26.10732.39738.37312.266B44.14030.53722.20021.940C27.26036.91032.7079.6507dA43.10742.90052.9509.843B59.49744.20340.25717.240C42.95049.61749.3906.66728dA50.31052.53058.0307.720B63.77351.87745.22018.553C51.64354.66754.

56、5603.0243.1.1 偏高岭土细度对资料抗压强度的影响偏高岭土细度对资料抗压强度的影响如图3.1所示。由图可知：偏高岭土细度对试块早期强度影响明显，偏高岭土越细，得到试块的早期强度和后期强度都越高。下面对这种规律进展初步讨论。图3.1偏高岭土细度对资料抗压强度的影响偏高岭土为无定形物质，其原子陈列是不规那么的，呈现热力学介稳形状，其粒径小比外表积大，因此具有较高的活性。偏高岭土在碱性激发剂中反响非常迅速并伴随着大量的热量，放出的热量又会促进反响的进一步进展，反响产物也就越多，强度也就越高。最终表现出偏高岭土在原料中所占比例越高，其早期强度也就越高。随着反响的进展，偏高岭土的外表积减小，碱

57、浓度的降低，反响速率变慢。由于粉煤灰中玻璃体构造致密，偏高岭土的反响产物将粉煤灰颗粒包裹，碱度的下降，加之由于外表富SiO2和富 SiO2-Al2O3 维护层的阻隔作用，使得粉煤灰的活性难以发扬，最终导致其后期抗压强度增长有限。在含粉煤灰较高比例的配方中，虽然其早期强度较低，但是由于没有大量偏高岭土反响产物的包裹和相对较高的碱度，使得粉煤灰的活性被继续激发出来，从而表现出在后期具有较高的抗压强度的增长。3.1.2 粉煤灰掺量对资料抗压强度的影响图3.2反映了不同掺量粉煤灰对试块强度开展的影响。从图3.2可以看出，试块的强度随粉煤灰掺量的增大而减小，粉煤灰掺量为25%时得到试块的强度最高。以下从

58、粉煤灰根本性质出发对产生这种规律的缘由进展分析。图3.2 粉煤灰掺量对资料抗压强度的影响粉煤灰为火力发电过程的副产物，它是经过袋式除尘器或者静电除尘器来去除烟气中的颗粒而搜集到的。粉煤灰由不同尺寸的球状颗粒组成，其化学成分主要为SiO2和 Al2O3，含有少量的CaO和 Fe2O3。粉煤灰的化学组成取决于燃煤的种类，粉煤灰中也会含有一些不规那么或有棱角的未燃尽的炭粒和矿物颗粒。粉煤灰中含量最多的物相为玻璃体，还含有少量的晶体化合物如石英、莫来石、赤铁矿、尖晶石等，其含量随着煤的产地而不同。粉煤灰颗粒多为实心玻璃珠，部分为空心，还有一些球体是子母珠，即球体里面包裹着球体。粉煤灰可以参与反响的物相

59、主要是玻璃体，由于玻璃体是在高温条件下构成的，含有较高的内能。玻璃体含量越多，所具有的内能越大，粉煤灰参与反响的才干越强；从化学成分上看，粉煤灰反响才干主要SiO2和A12O3，其含量越多，粉煤灰参与反响的才干越强；另外一个不容忽视的还有粒度要素，粉煤灰粒度越细，提供化学反响的作用面积就相应越大，反响才干也就越强。粉煤灰属于无定形体，都是具有活性的铝硅酸盐，在碱激发剂的作用下外表都会有硅氧四面体和铝氧四面体析出，在粉煤灰和偏高岭土外表发生聚协作用，从而产生强度。但粉煤灰是高温下的煅烧产物，其稳定性及外表活性都比偏高岭土差，因此只需适当的配比才干聚合成强度较高的地质聚合物样品。由于粉煤灰中玻璃体

60、构造致密，偏高岭土的反响产物将粉煤灰颗粒包裹，碱度的下降，加之由于外表富SiO2和富 SiO2-Al2O3维护层的阻隔作用，使得粉煤灰的活性难以发扬，最终导致其后期抗压强度增长有限。粉煤灰掺量添加，体系中偏高岭土含量就减少。由于偏高岭土在碱性激发剂中反响非常迅速并伴随着大量的热量，放出的热量又会促进反响的进一步进展，反响产物也就越多，强度也就越高。其次，由于粉煤灰没有偏高岭土活性高，在常温下也没有偏高岭土那么容易被碱激发剂激发，得到具有强度的反响产物较少。最终表现出偏高岭土在原料中所占比例越低，即粉煤灰掺量越多，得到强度也就越低。3.1.3 水玻璃模数对资料抗压强度的影响图2给出了在不同龄期下