矿渣-偏高岭土地聚合物早期凝结硬化性能研究

表2 水玻璃模数和激固比对地聚合物早期力学性能的影响
Tab.2 the influence of the modulus of sodium silicate and activator-solid ratio to the early mechanical properties of geopolymer

编号
模数
激固比 1d 3d
抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa
D1 1.0 0.4 6.35 30.2 8.50 40.8
D2 1.2 0.4 5.43 29.1 8.50 41.4
D3 1.4 0.4 5.08 28.3 8.00 34.7
D4 1.6 0.4 4.08 22.2 6.40 31.5
D5 1.8 0.4 4.25 18.4 6.50 27.0
D6 1.0 0.5 5.05 32.8 8.60 63.7
D7 1.2 0.5 5.78 33.5 8.35 58.0
D8 1.4 0.5 5.65 32.3 7.90 53.5
D9 1.6 0.5 5.35 26.1 7.77 50.0
D10 1.8 0.5 5.35 22.6 7.06 45.2
D11 1.0 0.6 3.55 32.5 5.90 66.8
D12 1.2 0.6 3.70 34.5 7.20 64.8
D13 1.4 0.6 4.98 35.5 8.12 65.0
D14 1.6 0.6 4.63 32.3 8.42 59.3
D15 1.8 0.6 4.28 25.6 7.93 56.4
D16 1.0 0.75 3.33 16.5 3.45 53.5
D17 1.2 0.75 3.55 27.4 3.92 57.3
D18 1.4 0.75 3.05 31.5 4.57 59.5
D19 1.6 0.75 2.85 32.0 6.11 58.8
D20 1.8 0.75 2.83 33.2 6.35 63.5

由表2可以看出：
（1）激固比低于0.6时，随着水玻璃模数的增大，胶砂试件力学强度总体表现为逐渐下降的趋势，这可能是因为在碱度不高时，偏高岭土中硅铝氧链的解聚速度不快，而随着水玻璃模数的增大，单体[SiO4]的量增大，提高了反应环境中溶液的浓度，不利于偏高岭土的解聚与缩聚，地质聚合反应的进程受到了抑制；另外可能是碱度不高时大部分矿渣颗粒未参与反应，矿渣活性未被激发出来，故试件力学强度表现为逐渐下降。
（2）当激固比大于等于0.6，水玻璃模数在1.2－1.4之间时胶砂试件强度最高，这里可能有2个原因，原因之一是由于碱度较大时偏高岭土中硅铝氧链的解聚速度较快，偏高岭土的溶解速度与地质聚合反应产物的形成速度相匹配，原因之二可能是因为该模数范围内的水玻璃中SiO2初始聚合状态较好，有利于缩聚反应的进行。而在模数低于1.2时或大于1.4时，水玻璃的初始聚合状态的极大分散性和单体[SiO4]的量均未在最佳值，不利于地质聚合反应的进行[4]。
（3）当水玻璃模数不变，激固比小于等于0.6时，随着激固比的增大也就是碱度增加时，试件的强度逐渐增加，原因如（2）中所述，而当激固比大于0.6时，试件强度有较大的下降，可能是由于碱度偏大，偏高岭土的溶解速度过快，与地质聚合反应的速度不匹配，抑制了反应过程；另外可能是由于碱度高，矿渣颗粒表面水化速度过快，生成地质聚合物的数量陡增，体积增大，导致产物内部出现微裂纹[5]。
总体来看，当激固比为0.6、水玻璃模数为1.4时，地聚合物胶砂试件1d、3d力学强度最高，表明在该情况下最有利于地质聚合反应的进行。

2.2 含Ca2+的外加剂对地聚合物早期强度和凝结时间的影响
在碱-矿渣-偏高岭土胶凝体系中，矿渣主要是铝硅酸盐玻璃体结构，其主要成分是SiO2 ，Al2O3 ，CaO，其基本键型是Si-O、Al-O、Ca-O键，其中Ca-O键的键能最低，故当碱液存在时，矿渣中的Ca-O键最先断裂[6]，析出的Ca2+与碱液中的SiO2 很快形成C-S-H凝胶，可缩短体系的凝结时间。偏高岭土地聚合物属于Me2O-Me2O3-SiO3-H2O类型的碱胶凝系统，地质聚合反应生成的碱金属硅铝酸盐矿物的凝结硬化速度较慢，使得地聚合物的凝结时间偏长。如果在Me2O-Me2O3-SiO3-H2O系统中引入Ca2+离子，在强碱性的环境下，Ca2+离子就能参与到地质聚合反应中去，生成含钙的硅铝酸盐矿物，其凝结和硬化速度较快，可缩短体系的凝结时间 [7] 。因此，本试验将CaCl2 和Ca(NO3)2分别加入到矿渣-偏高岭土胶凝体系中，研究其对地聚合物早期强度和凝结时间的影响。试验采用0.6的激固比，水玻璃模数为1.4，水灰比0.38，胶砂比1：1，试验结果如表3。
表3 Ca2+对地聚合物早期抗压强度和凝结时间的影响
Tab.3 the influence of Ca2+ to the early strength and setting time of geopolymer

掺量抗压强度/MPa 砂浆凝结时间/min
0% 1% 2% 3% 0% 1% 2% 3%

Ca(NO3)2 1d 42.6 47.1 44.8 42.1
265
207
142
103
3d 55.4 62.5 56.4 54.9

CaCl2 1d 39.4 41.9 38.2 30.9
265

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