礦物材料的添加對(duì)地質(zhì)聚合物性能的提升＊

王璐瑤

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安710075；陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安710075；自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710075；陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710075）

目前，在全球范圍內(nèi)，由于混凝土具有的優(yōu)異機(jī)械性能、低成本、易于使用等優(yōu)勢，成為了應(yīng)用最為廣泛的建筑材料。但在水泥生產(chǎn)過程中，釋放的二氧化碳約占環(huán)境釋放的二氧化碳總量的5%～7%，被認(rèn)為是加速全球變暖的重要原因之一，而地質(zhì)聚合物材料不需要水泥作為粘合劑，因此成為了新型環(huán)保材料。地質(zhì)聚合物可以利用工業(yè)副產(chǎn)品（例如稻殼灰、細(xì)粒徑高爐礦渣、粉煤灰、硅粉和赤泥等）作為原料來處理工業(yè)廢料，一般使用氫氧化鈉或氫氧化鉀和硅酸鈉溶液來活化原料，聚合過程中所獲得的地質(zhì)聚合物凝膠具有膠凝特性，并在地質(zhì)聚合物混凝土中充當(dāng)粘合劑。

地質(zhì)聚合物混凝土所采用的固化工藝一般為熱固化，為了達(dá)到理想的抗壓強(qiáng)度，固化溫度多為60～100 ℃。但熱固化過程需要特殊的布置，這大大提高了工藝成本并加大了操作難度，因此，為了擴(kuò)大基于地聚物的混凝土在一般建筑中的應(yīng)用范圍，環(huán)境溫度下的固化工藝得到了更廣泛的關(guān)注，本文重點(diǎn)介紹了幾種礦物的添加對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土性能的影響。

1 細(xì)粒徑高爐礦渣

高爐礦渣是高爐從礦石中提取鐵的過程中獲得的廢物副產(chǎn)品，主要由石灰和鋁硅酸鈣鎂組成，其較高的玻璃化和顆粒狀含量可提高混合物的反應(yīng)活性，從而加速地聚反應(yīng)和凝固過程。

1.1 初始性能

通常情況下，由于混合物中的硅酸鹽成分非常黏稠，因此，地質(zhì)聚合物混凝土的可加工性/流動(dòng)性低于常規(guī)混凝土。因此，礦渣混入混凝土中會(huì)加速地聚反應(yīng)和凝固過程，地質(zhì)聚合物混凝土的初始和最終凝固時(shí)間顯著縮短。但是，初凝時(shí)間與終凝時(shí)間之間的差異隨著爐渣含量的增加而減小。對(duì)于摻有25%礦渣的粉煤灰土聚合物混凝土，凝結(jié)時(shí)間從295 min 急劇縮短到45 min[1]。與上述相反，在較高的爐渣百分比下，凝固時(shí)間顯著縮短，這使得處理新鮮制備的混合物變得困難，因此可通過使用合適的緩凝劑進(jìn)行控制。

1.2 機(jī)械性能

添加高爐礦渣后，常溫固化的地質(zhì)聚合物混凝土的機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)提高，高爐礦渣含量每增加10%，28 d 抗壓強(qiáng)度就會(huì)顯著增加10 MPa。在使用地質(zhì)聚合物砂漿的情況下，強(qiáng)度的增加甚至高于混凝土樣品。當(dāng)添加量為30%時(shí)，地質(zhì)聚合物混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到55 MPa，地質(zhì)聚合物砂漿的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到63 MPa。另外，添加高爐礦渣的地質(zhì)聚合物材料具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度和耐磨性，因此，可能會(huì)成為修補(bǔ)材料的良好選擇。

1.3 耐久性

對(duì)于礦渣摻合粉煤灰地質(zhì)聚合物，由于改善了基體的孔徑并降低了孔隙率，因此，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B透性，在高溫固化下可進(jìn)一步增強(qiáng)。與不含礦渣的樣品相比，在礦渣含量為50%的地質(zhì)聚合物砂漿中，吸水率百分比的降低更快。在較大的礦渣含量下，形成的C-（A）-SH 凝膠具有大量的結(jié)構(gòu)結(jié)合水含量，可填充孔隙空間，而僅粉煤灰基地質(zhì)聚合物形成的NAS-（H）凝膠具有較小的孔隙能力阻塞。此外，摻有礦渣的粉煤灰地質(zhì)聚合物對(duì)高溫環(huán)境、硫酸鈉侵蝕和火都具有良好的抵抗力。

2 偏高嶺土

偏高嶺土是通過煅燒天然黏土礦物高嶺石[Al2Si2O5（OH）4]制成的無水硅鋁酸鹽材料。在二羥基化過程中，高嶺石損失了結(jié)構(gòu)水，形成了高度無序的結(jié)構(gòu)（偏高嶺土），該結(jié)構(gòu)實(shí)際上是無定形的[2]。因此，偏高嶺土顆?？墒沟刭|(zhì)聚合物基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)致密化，進(jìn)而會(huì)降低其孔隙率。在存在堿/堿土的溶液中，這種無定形相結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性。

2.1 初始性能

與球形粉煤灰顆粒相比，偏高嶺土顆粒具有較好的細(xì)度和板狀結(jié)構(gòu)，因此，需要更多的水才能達(dá)到類似的可加工性。因此，與粉煤灰混合物相比，偏高嶺土混合物的固/液比更低。粉煤灰基地質(zhì)聚合物中偏高嶺土含量的增大提升了固液比，因此，增大的比表面積增加了對(duì)水的需求，并降低了混合物的可加工性，使壓實(shí)變得困難。就聚合過程而言，偏高嶺土比粉煤灰/稻殼灰反應(yīng)性更好，因此，它提高了地聚反應(yīng)的速率，從而加速了初始和最終凝固。

2.2 機(jī)械性能

通常情況下，抗壓強(qiáng)度取決于偏高嶺土含量、固化溫度和固化時(shí)間，偏高嶺土的加入會(huì)顯著影響聚合速率和抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度的發(fā)展還受到偏高嶺土添加地質(zhì)聚合物中粉煤灰類型的影響。低鈣粉煤灰地質(zhì)聚合物砂漿的抗壓強(qiáng)度較大，用偏高嶺土替代粉煤灰可達(dá)10%，而高鈣粉煤灰地質(zhì)聚合物砂漿的抗壓強(qiáng)度卻呈下降趨勢。偏高嶺土的細(xì)顆粒尺寸起著微聚集體的作用，并填充了孔，從而降低了孔隙率并致密了微觀結(jié)構(gòu)。

2.3 耐久性

綜上所述，偏高嶺土顆粒使地質(zhì)聚合物基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)致密化，這可能會(huì)降低孔隙率。偏高嶺土摻混的粉煤灰土工聚合物比粉煤灰土工聚合物具有更高的內(nèi)聚力，因此可改善微觀結(jié)構(gòu)和耐久性。

3 納米二氧化硅

納米二氧化硅通常是通過1500～2 000 ℃之間的汽化二氧化硅而獲得的。納米二氧化硅具有較高的細(xì)球形顆粒，其主直徑為150 nm，具有較大的比表面積（15～25 m2/g）。

3.1 初始性能

納米二氧化硅由于具有更多的球形顆粒和較大的比表面積，因此，需要更多的水才能達(dá)到所需的可加工性。添加到粉煤灰地質(zhì)聚合物漿料中的納米二氧化硅在初拌狀態(tài)下呈剛性，且加工性較差。隨著納米二氧化硅含量的增加，流動(dòng)性顯著下降。通常情況下，納米二氧化硅可用于加速凝結(jié)過程，并提高大體積粉煤灰或礦渣混凝土的早期強(qiáng)度。另外，納米二氧化硅的無定形性質(zhì)提高了二氧化硅和氧化鋁相的溶解速度，并提高了聚合反應(yīng)的速度。

3.2 機(jī)械性能

納米二氧化硅可加速聚合，進(jìn)而進(jìn)一步影響強(qiáng)度特性。納米二氧化硅通過其孔隙填充作用改善了混凝土基體的顆粒堆積，并進(jìn)一步提高了混凝土的強(qiáng)度。有學(xué)者[3]向低鈣粉煤灰土聚合物混凝土中添加0.75%的納米二氧化硅，7 d 內(nèi)其抗壓強(qiáng)度已達(dá)到近80%，但之后有所下降；也有報(bào)道稱，納米二氧化硅含量較大時(shí)，抗壓強(qiáng)度沒有顯著提高。因此，少量的納米二氧化硅可能有助于獲得良好的早期抗壓強(qiáng)度。

3.3 耐久性

摻有納米二氧化硅的地質(zhì)聚合物砂漿的形態(tài)學(xué)研究表明，結(jié)晶化合物從無定形化合物的轉(zhuǎn)化增加。通過適當(dāng)百分比的納米二氧化硅，可以顯著改善地質(zhì)聚合物產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)，從而降低孔隙率并提高耐用性。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了在環(huán)境溫度下通過添加礦物添加劑以增強(qiáng)地質(zhì)聚合物產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和耐用性的范圍，細(xì)粒徑高爐礦渣、偏高嶺土和納米二氧化硅均可作為合適的材料，添加量取決于各礦物材料的性質(zhì)。雖然已得出可以使用高鈣含量的添加劑來提升地質(zhì)聚合物的性能，但是還需要更多的研究來確定其最佳用量。相信在不遠(yuǎn)的未來，使用納米材料將進(jìn)一步擴(kuò)大地質(zhì)聚合物材料在一般建筑中的應(yīng)用范圍。