碱激发矿渣地质聚合物的制备与力学性能

碱激发矿渣地质聚合物的制备与力学性能摘要对碱激发矿渣地质聚合物的合成机理与合成方法，结构形貌表征的基本方法与手段，结构与性能的关系及所用实验手段。结果表明：用NaOH作为碱激发剂激发粒状高炉矿渣制备的地质聚合物具有水化速度快、早期强度高、强度增加快等优点。随水化龄期延长，结构更加致密，形成 PSS型结构的地质聚合物。StudyonPreparationandMechanicalPropertyofSynthesisofGeopolymerbyAlkali-activatedSlagPowderFangRuiYunSiningAbstractMechanismandprocessofPreparation,structureandshape,therelationshipbetweenstructureandfunction,alkali-activatedslagpowderwerestudied.Theresultsshowedthatthegeopolymerhassomeadvantages,suchasfasthydrationspeed,highearlystrengthandquicklyincreasingcompressivestrength.Withprolongationofhydrationage,thegeopolymerofPSSstructurewasformedanditsmicrostructurebecamedenserthanbefore.目录绪论地质聚合物（MineralPolymer）是一种无机聚合铝硅酸盐材料，主要由一种或多种矿物材料经浇筑或压制成型，在较低温度下发生聚合反应，形成以共价键、离子键为主的致密高强材料，具有有快凝早强、抗压强度高、密度低、耐酸碱腐蚀、耐高温、低渗透性、优良的耐久性、原材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点，同时，在制备地质聚合物时，所用原料可以为各种工业废渣，如粉煤灰、矿渣等，应用开发前景广泛。原料及实验方案1.1原料在本次试验中，所用原料主要为矿渣、氢氧化钠、工业液体硅酸钠1）氢氧化钠（分析纯）。试验中使用的氢氧化钠,分子量为40.00,含量不少于96.0%,由北京北化精细化学品有限责任公司生产。在制备尾矿高强材料时 ,采用由氢氧化钠试剂配置的浓度为10mol/L的高浓度氢氧化钠溶液。强碱NaOH溶液的加入不仅有助于玻璃体结构的解体，并且参与反应，生成类沸石产物。2）矿渣。本次试验中所使用的矿渣来自唐山钢铁集团有限公司二炼铁排放的高炉矿渣。该高炉水淬渣是符合国家标准的磨细高炉水淬渣 ，密度为2.97。其主要化学成分分析结果见表1。表1矿渣化学成分分析结果%j成分SiOs加26CaOMgO含量32.629・9241.538.89成分MnOTiO眄其他含量4.210.290.840.71.03）工业液体硅酸钠。本试验所用的工业硅酸钠的模数为3.6,密度为1.368~第页共页

1.594液体工业硅酸钠，由北京市红星泡花碱厂生产。原料呈无色透明1.594或半透明的粘稠状液体，其通用的分子式是 「。材料制备中添加硅酸L钠的目的是调节体系的 魁肿比，为反应提供碱性条件。实验方案本试验以矿渣和尾矿为主要原料，氢氧化钠为激发剂，工业液体硅酸钠作结构模板剂，制备无机矿物聚合物材料，从尾矿占固相的质量分数、液体硅酸钠掺量、固液比、养护期、钢渣掺入量等几个方面，探讨影响无机矿物聚合物抗压强度的主要影响因素。试验流程如图1所示实验设备试验仪器主要有：XJ202-A型行星式水泥胶砂搅拌机；KJZ-500型电动抗折试验机；YAW-300型电子液压式压力试验机；采用美国FEI公司生产的Quanta200型扫描电镜（SEM）对样品进行形貌观察，工作参数：20kV高真空，真空度8X10-5，样品的观察距离10T0・5mm,利用该扫描电镜配备的X-射线能谱仪对样品进行微区元素分析；采用日本理学D-MAX/2500PCX射线衍射对样品进行物相分析。工作参数：Cu-Ka靶，电压40kV、电流100mA。实验机理矿渣的活性激发机理矿渣含氧化铝（7%20%）,氧化铝是使矿渣具有活性和化学安定性的主要成分。氧化铝的含量高，矿渣的活性大。矿渣玻璃体在水中近乎是惰性的，要使矿渣呈现胶凝性能，必须加以激发。碱激发常用的碱性激发剂包括石灰、氢氧化钠、水玻璃、水泥熟料、碳酸钠等。实验表明， 用社-较NaOH激发效果好，它的早期强度较高，后期强度也有所发展，当 ［鬼掺量达到6%以上时，强度增幅很大，最佳掺量为6%10%。目前普遍认为激发效果较好的是水玻璃。水玻璃的主要作用是破坏硅氧网结构是矿渣结晶体、玻璃体发生解体，参与基材水化反应。水玻璃水解后生成氢氧化钠和含水硅胶，氢氧化钠可提高水化液相的pH值，使矿渣中玻璃态硅氧网络迅速解离，加速水化反应，含水硅胶能与矿渣溶于水得到的钙离子、铝离子等反应生成C-S-H胶凝或水化铝硅酸钙，促进矿渣和硅酸钠的进一步水解。当水玻璃的质量分数增加时，胶凝体系水化过程中液相碱度增加，水化反应加速，水化产物增多，使胶凝体系强度增加，早期强度增加尤为明显。朱洪波等认为，水玻璃的模数是决定激发矿渣潜在活性的关键因素之一，适当的模数可使矿渣获得较高胶凝性。通常通过氢氧化钠来调节水玻璃的模数，这样的水玻璃称之为改性水玻璃。水玻璃激发矿渣的机理目前，普遍认为水玻璃的激发效果最好。这是因为在适当的水玻璃模数下，利用水玻璃激发的矿渣制备的地质聚合物硬化结构中，其有害孔的总体积减小，无害孔的总体积增加。其激发机理如下：首先是玻璃体的水化发生硅胶化作用，同时释放出部分，反应式如式（1）所示：2胶5+2（n+1） —nSi（1+NaOHRn （活性）+2n+NaOH（1）然后，溶液中的作用于矿渣，随着Ca-O和Mg-O的断裂，使玻璃解体，

然后，溶液中的溶解出和：离子。溶解出和：离子。而后，由于 扩散速度较大，很快进入溶液中，并与活性SiO4发生反应，生成了碱度较低的C-S-H凝胶，反应式如式（2）所示（aq代表溶液）：（活性）+---：（aq）T: （aq）（2）最后，由于C-S-H逐渐形成，发生生成量越来越多并填充于原溶液，占据了空间和矿渣表面，使离子迁移速度变慢，整个体系的水化速率明显降低 ，反应逐渐趋于平衡。碱的种类对碱激发材料凝结时间的影响分别选用水玻璃和NaOH作为激发剂,固定掺量为10%,其初凝时间测定结果见表2表2激发剂种类对初凝时间的影响激发剂种类水玻璃NaOH初凝时间/min201362・2矿渣的活性矿渣的活性主要取决于化学成分和成粒质量，根据 GB203-78对粒化高炉矿渣的质量要求是：质量系数K=从上式可以看出，CaO含量高的矿渣活性高，因为CaO是 的主要成分， 匚含量高，矿渣活性高，因为它在碱及硫酸盐的激发下强烈地与及 「结合，生成水化硫铝酸钙及水化硫铝酸钙。MgO在一定范围内课降低矿渣溶液的粘度，促进矿渣玻璃花，从而对提高矿渣活性有利, 含量增加,矿渣活性下降，因为它使矿渣形成低碱性硅酸钙和高硅玻璃体。另外， 含量高的矿渣粘度大，易于形成玻璃体。MnO使矿渣形成锰的硅酸盐和铝硅酸盐西安建筑科技大学课程设计(论文)其活性比钙硅酸盐和铝硅酸盐的活性低。 与CaO作用生成无活性的|帥卜，消耗了对矿渣活性有利的CaQ钛含量太高，因为矿渣质地坚硬，还影响磨机产量。结果与讨论结构形貌表征试件的微观形貌掺量为10%的NaOH试件各龄期的扫描电镜照片。从图中可直观地看出NaOH激发矿渣制备地质聚合物的水化过程。初凝时，矿渣颗粒表面覆盖薄薄的—层白色的NaOH,终凝时，有少量的地质聚合物生成，局部疏散的矿渣颗粒连接起来；水化1d时，生成的地质聚合物已将矿渣颗粒连成一片，偶尔会发现未反应完全的的矿渣颗粒。水化3d时，矿渣表面及内部进—步发生水化，矿渣颗粒之间的缝隙缩小，连接紧密；水化7d时，从照片中发现地质聚合物的结构更加密实，至28d时，形成了结构致密的聚合物。.2能谱分析对掺量为10%的NaOH各龄期试件中的Al和Si进行能谱分析，以揭示地质聚合物中Al和Si的结合方式。从表中可见，与初终凝相比，水化1d时，Si/AI的原子比值有所增加。根据Davidovits对地质聚合物结构的分类，当地质聚合参考文献及致谢曹文聪，杨树森•普通硅酸盐工艺学•武汉•武汉理工大学出版社.1996(1)・86~88刘淑贤，聂轶苗,牛福生.尾矿矿渣制备地质聚合物材料工艺条件的研究.金属矿山METALMINE.2010(9)•总第411期牛福生，聂轶苗，张锦瑞•地质聚合物中常用的矿渣激发剂及激发机理•混凝土CONCRETE.200总第241期王樾，张伟.矿渣的活性激发剂.江苏南京.南京永能新材料有限公司.2009(10)⑸杨凡.不同激发剂对矿渣水泥强度的影响.