活性炭-矿渣基导电地质聚合物的制备及性能研究

引言地质聚合物是法国科学家Davidovits教授于20世纪70年代首次提出的一种新型绿色胶凝材料，以含铝硅酸盐材料为原料，在激活剂作用下制备的由硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子联结形成的三维网状结构凝胶体，兼具有机高分子、陶瓷和水泥的特点，也具有早强快硬、耐高温耐酸、耐久性好等特性[1-4]。地质聚合物可采用工业固废为原料，生产过程中不使用不可再生的石灰石资源，其能耗和CO2排放量分别为生产普通硅酸盐水泥的30%和17%[5]。因此，开发地质聚合物有可能成为普通硅酸盐水泥的优秀替代品，很大程度上解决水泥工业CO2排放持续增加的难题，减轻其对社会和环境的巨大负担[6]。矿渣作为钢铁行业的主要固体废弃物，大量堆存不仅占用土地资源，同时会污染环境，影响国民经济发展。利用矿渣制备地质聚合物，是其资源化利用的有效途径之一，国内外学者也做了大量研究。刘泽等[7]以矿渣为原料、水玻璃为激发剂制备了地质聚合物，发现当SiO2/Al2O3摩尔比为5.1时，碱激发矿渣基地质聚合物28d强度高达114.91MPa，主要水化产物为水化硅铝酸钙和水化硅酸钙。范飞林等[8]利用陕西蒲城矿渣为主要原料、硅酸钠和氢氧化钠为激发剂，制备的矿渣基地质聚合物混凝土在标准养护下抗压强度可达60.2MPa，且具有良好的和易性。张耀君等[9]以矿渣为原料、水玻璃为激发剂制备的树枝状网络结构的地质聚合物，28d抗压强度达到60.1MPa。孙佳等[10]以矿渣为原料、水玻璃为激发剂，在不同H2O/Na2O摩尔比下制备了矿渣基地质聚合物，结果显示，H2O/Na2O摩尔比为18.52时制备地聚物的强度接近100MPa。上述研究显示，矿渣的主要成分是硅酸盐或铝硅酸盐，具有潜在的水硬活性，可以作为地质聚合物的原料，不仅降低生产成本，也为消纳工业固体废弃物提供了一种有效途径，符合“资源节约型”“环境友好型”和“碳中和”社会的建设要求。但是，将地质聚合物作为建筑结构材料使用还具有脆性大、干燥收缩大等诸多问题，且目前关于其高附加值利用的报道还较少。因此，开发碱激发矿渣基胶凝材料的新用途势在必行。本文提出以矿渣为原料，水玻璃为激发剂，活性炭为导电介质，将导电性能好的活性炭与碱激发矿渣基地质聚合物复合，制备活性炭-矿渣基导电地质聚合物，开发一种具有潜在应用前景的新型廉价、生态友好的矿渣基导电地质聚合物，同时对于提高矿渣的高附加值利用率、开拓矿渣基地质聚合物的新用途，具有十分重要的意义。

1、原材料

矿渣：S95级粒化高炉矿渣粉取自北京首钢，密度3.08g/cm3，比表面积550m2/kg，其化学组成见表1。活性炭：南京纬达复合材料有限公司提供。水玻璃：市售工业水玻璃，其模数2.46，Na2O含量24.33%，SiO2含量57.91%。NaOH：分析纯，天津市永大化学试剂有限公司提供。表1矿渣的化学组成wt%

2导电地质聚合物的制备

采用模数1.3、浓度32%的水玻璃作为激发剂，NaOH调整水玻璃模数。按照GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试样品的凝结时间和标准稠度。活性炭掺量分别为矿渣量的0%、1%、5%、10%、20%，将活性炭与矿渣按上述比例混合均匀，按照标准稠度加入水玻璃，搅拌均匀的浆体分别倒入20mm×20mm×20mm和10mm×10mm×60mm的试模中振捣30s，排尽浆体中的气泡，然后将其放入标准养护室中养护，24h后脱模，放入80℃水泥快速养护箱中养护。20mm×20mm×20mm试样养护至1d、2d和7d，测试其抗压强度；10mm×10mm×60mm的试块养护龄期为2d，测试其电阻。3、结构表征及性能测试

利用D/MAX2500PC型Ｘ-射线衍射仪对样品进行物相分析，管电压40kV，管电流40mA，Cu(Ka)靶；采用ESCALAB250XI型场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌；YES-300数显式压力机测试样品的抗压强度；采用万用电表测试导电地质聚合物样品的电阻，并依据公式（1）计算其电阻率。

4、结果与讨论

4.1活性炭掺量对地质聚合物标准稠度的影响不同活性炭掺量制备导电地质聚合物的标准稠度测试结果见表2。由表2可知，活性炭掺量对导电地质聚合物的标准稠度有较大影响，随活性炭掺量的增加，标准稠度有较大幅度地增长。活性炭是主要由石墨的微小晶体构成的无定形碳，具有同石墨相似的组分，但不同于石墨的是，活性炭在制备过程中产生大量的点侵蚀，在碳化物表面形成许多极其细小的微孔隙，使得其具有疏松多孔的结构，因而活性炭的吸附性能较强。因此，在导电地质聚合物制备过程中，随着活性炭掺量的增加，需要的水玻璃量明显增大，进而也会影响到导电地质聚合物的强度、电阻率等性能。表2活性炭掺量对地质聚合物标准稠度的影响4.2活性炭掺量对地质聚合物凝结时间的影响不同活性炭掺量制备地质聚合物的凝结时间测试结果如图1所示。由图1可知，地质聚合物的初凝、终凝时间都随活性炭掺量的增加而延长。活性炭具有较大的比表面积和较强的物理吸附能力，部分活性炭颗粒附着在矿渣颗粒表面，阻碍了矿渣颗粒与水的接触，延缓了矿渣的水化，因而活性炭的加入导致地质聚合物的初、终凝时间都有所延长。图1活性炭掺量对地质聚合物凝结时间的影响4.3活性炭掺量对地质聚合物强度及结构的影响不同活性炭掺量制备导电地质聚合物各龄期的抗压强度测试结果如图2所示。由图2可知，随着活性炭掺量的增加，各龄期抗压强度均呈现先增加后减小的趋势；随着养护龄期的延长，样品的抗压强度先增加后下降。当活性炭掺量为1%和5%时，样品各龄期的强度均高于不加活性炭样品的强度，最高可达110.48MPa和100.63MPa。图2不同活性炭掺量地质聚合物各龄期抗压强度不加活性炭和加入5%活性炭制备导电地质聚合物蒸汽养护2d后，样品的XRD测试结果如图3所示。由图3可知，在2θ为25°～35°范围内存在明显的漫包峰，为碱激发矿渣地质聚合物的主要水化产物C-S-H凝胶、N(C)-A-S-H凝胶和水滑石的衍射峰，与文献报道基本一致[11]。活性炭加入前后，地质聚合物的特征峰未发生改变，说明活性炭的加入对碱激发矿渣基地质聚合物的水化产物基本没有影响，活性炭未参加地质聚合物的反应。图3不同活性炭掺量制备导电地质聚合物的XRD图谱4.4不同活性炭掺量制备地质聚合物的微观形貌分析图4是不同活性炭掺量制备导电地质聚合物的SEM照片。由图4可知，当活性炭掺量较低时，大部分活性炭被地质聚合物凝胶物包裹起来，其抗压强度较高；活性炭掺量>5%时，越来越多的活性炭未完全被凝胶物包裹，活性炭的石墨微晶片层间易滑动，导致地质聚合物的抗压强度下降，这与图2的规律一致。图4不同活性炭掺量制备导电地质聚合物的SEM照片（a:1%;b:5%;c:10%;d:20%）4.5活性炭掺量对地质聚合物电阻率的影响将不同活性炭掺量的样品蒸养2d后取出，测试其电阻，结果如图5所示。由图5可知，加入活性炭后，地质聚合物的电阻率显著降低，说明活性炭的加入可以明显提高材料的导电性。这主要是由于活性炭是一种无定形碳，结构中具有很多石墨微晶，而石墨具有良好的导电性所致。当活性炭掺量为5%时，地质聚合物的电阻率最小，为17.2Ω·m，继续增加活性炭掺量，地质聚合物的电阻率降低趋势减缓，这可能是因为过多的活性炭添加量使凝胶相无法包裹全部的活性炭颗粒，多余未被包裹的活性炭颗粒会被生成的凝胶体阻隔，活性炭颗粒不能相互连接形成导电网络所致[12]。结论

（1）随活性炭掺量的增加，地质聚合物的标准稠度需水玻璃量增加，初、终凝时间均有所延长。（2）活性炭掺量对地质聚合物