粉煤灰地聚合物材料及性能研究

粉煤灰地聚合物材料及性能研究


粉煤灰地聚合物即Geopolymer,地聚合物是近年來新發展起來的一類新型無機非金屬材料,是含有多種非晶質至半晶質相的三維鋁矽酸鹽的礦物聚合物,其英文同義詞還有mineral polymer,geopolymeric materials,alu-minosilicate polymer,鋁矽酸鹽礦物或工業固體廢棄物為主要原料,與高嶺石黏土和適量堿矽酸鹽溶液充分混合後,在20~120℃的低溫條件下成型硬化,是一類由鋁矽酸鹽膠凝成分粘結的化學鍵陶瓷材料。

地聚合物材料的應用可追測到古代,即以高嶺土、白雲岩或石灰岩與鹽湖成分Na2CO3、草木灰成分K2CO2以及矽石的混合物,加水拌和後產生強堿NaOH和KOH,與其他組分發生反應,生成礦物聚合黏結劑而製成人造石。

20世紀30年代末,Purdon研究了矽鋁礦物和玻璃與NaOH溶液的反應,提出了堿激發鋁矽酸鹽黏結劑的硬化機理,即矽鋁組分溶解於NaOH溶液中,然後沉澱出水化矽酸鈣和鋁酸鈣,再產生NaOH,使反應不斷進行。70年代,Davidovits等通過對古建築的研究發現,其所用膠凝材料的耐久性、抗酸性和抗融凍能力極強,其中不僅含有波特蘭水泥所具有的C-S-H凝膠組分,而且含大量的沸石相。0年代,Malone等的研究發現,堿激發爐渣水泥的硬化機理為:堿金屬、城土金屬離子進入溶液,在爐渣顆粒表麵形成膠狀矽酸鈉層;鋁氧化物直接溶解於矽酸鈉中,形成半晶態托貝莫來石:水化鋁酸鈣生成並排出水分,最後形成不同組成的沸石及類沸石相。
Geopolymer一詞最早由Joseph Davidovits(1978年)提出,其原意指由地球化學作用形成的鋁矽酸鹽礦物聚合物。此後,Davidovits不斷改進礦物聚合材料形成的化學機理和力學性能表征,並證實了這類材料在許多工業領域的應用。Davidovits最初使用高嶺石和鍛燒高嶺石作為製備礦物聚合材料的鋁矽酸鹽原料。1980年,Mahler以含水堿金屬鋁酸鹽和矽酸為反應物,取代固體鋁矽酸鹽,製備了類似的鋁矽酸鹽聚合物材料。此後,Helferich和Shook、Neuschaeffer等先後取得了製備非晶質鋁矽酸鹽聚合材料的專利,其製備工藝和材料的化學性能、力學性能等與Davidovits的實驗相似。Palomo等以鍛燒高嶺石為原料,加入矽砂作為增強組分,製備了抗壓強度高達84.3MPa的礦物聚合材料,而材料的固化時間僅24h。20世紀90年代後期,VanJaarsveld和VanDeventer等致力於由粉煤灰等工業固體廢棄物製備礦物聚合材料及其應用的研究,包括固化有毒金屬及化合物等。

礦物聚合材料的製備工藝簡單,能耗低,性價比高,因而引起了國際學術界的廣泛關注。大量研究成果以專利文獻的形式發表,並出現了許多商業產品,如Pyrament cements,Dynamit Nobel AG(Germany),Trolit bind-ers, Geopolymite, Geopolymere-Frane等。該類物質的結構與有機高分子聚合物的三維架狀結構相似,但其主體為無機的SiO4和AIO4四麵體(圖3-21),其性狀與沸石和似長石相似,可用於有害物質和半固態廢棄物的固定化。其優異的性能包括:高早強、低收縮、耐酸、耐腐、抗凍、抗硫酸鹽侵蝕。可以把地聚合物水泥看成是單體縮聚的結果。這種水泥在常溫下固化極快,20℃條件下反應4h,抗壓強度可達20MPa,28天抗壓強度可達70~100MPa。

地聚合物是由適量偏高嶺土和少量堿性激發劑與大量天然或人工矽鋁質材料相混合,在低於150℃下甚至常溫條件下養護,得到不同強度等級混凝土的無水泥熟料膠凝材料。地聚合物及其混凝土在市政、橋梁、道路、水利、地下、海洋以及軍事等領域具有非常廣闊的應用前景,有可能成為矽酸鹽水泥的替代產品。

粉煤灰是低鈣的Si-Al質材料,具有潛在活性,可代替部分偏高嶺土(約30%)製備地聚合物水泥,並已有公開文獻報道。

 

 

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