1、190Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期新型复合地聚物胶材制备及其强度影响因素评析*江晨晖1童慧芝2陈泽锋3江鹏飞4(1浙江建设职业技术学院，杭州311231;2浙江同济科技职业技术学院，杭州311231;3浙江华威混凝土有限公司，杭州311228;4宏润建设集团股份有限公司，上海200235)摘要:为了克服水泥能耗高、污染大、碳排放当量高的固有缺陷，开发可替代水泥的新型低碳环保胶凝材料已成为业界共识。通过碱性物质激发富含铝硅酸盐的矿物固废先导组分，在常规条件下制备复合地聚物胶凝材料(CGC)，具有清洁利废
2、、绿色低碳、高性能的优势，可望成为新一代无机胶凝材料。基于关键氧化物摩尔比和矿物聚合反应机理，优化 CGC 多种原料的搭配。通过试验研究，评析先导组分、碱激发组分、水固比、养护介质等关键因素对 CGC 强度的影响。结果表明:常规方法制备的 CGC 能满足使用要求;矿渣和偏高岭土占比越高，CGC 的强度越高;粉煤灰占比越高，CGC 的强度越低;CGC 的强度与水玻璃和氢氧化钠的用量呈非线性关系;与标准养护相比，海水浸泡养护造成 CGC 强度降低约 7%。关键词:复合地聚物胶凝材料;抗压强度;先导组分;碱激发组分;配合比DOI:10.13204/jgyjzG21061106Preparation
3、of New Composite Geopolymer Cement and Analysison Its Influencing Factors of Compressive StrengthJIANG Chenhui1TONG Huizhi2CHEN Zefeng3JIANG Pengfei4(1Zhejiang College of Construction，Hangzhou 311231，China;2Zhejiang Tongji Vocational College of Science andTechnology，Hangzhou 311231，China;3Zhejiang H
4、uawei eady-Mixed Concrete，Co，Ltd，Hangzhou 311228，China;4Hongrun Construction Group Co，Ltd，Shanghai 200235，China)Abstract:In order to overcome the defects of Portland cement with its high energy consumption，high pollution andhigh CO2emission，it has reached a consensus on the development of new low-ca
5、rbon cementing materials that canreplace Portland cement In this paper，composite geopolymer cement(CGC)was prepared by using alkaline solutionto activate multi-componental aluminum silicates under normal conditions Based on the molar ratio of key oxides andgeopolymeric reaction mechanism，the mixture
6、 proportions of CGC were designed The effects of key parametersincluding precursor，alkali activator，water-solid ratio，curing medium on compressive strength of CGC werediscussed The results showed that the prepared CGC under normal conditions met the usage requirements well Whenthe contents of slag a
7、nd metakaolin in the precursor were higher，the strength of CGC was greater When the contentof fly ash was higher，the strength of CGC was lower The relation between CGC s strength and the contents of waterglass and NaOH was non-monotonic The strength of CGC specimens immersed in artificial seawater w
8、as nearly 7%lower than the one stored in standard conditionsKeywords:composite geopolymer cement(CGC);compressive strength;precursor meterial;alkali activator;mixtureproportion*2020 年度浙江省基础公益研究计划项目(LGG20E090001);2021年浙江省中华职业科研项目(ZJCV2021E35);2019 年度浙江建设职业技术学院教研教改项目(JGT201901)。第一作者:江晨晖，男，1981 年出生，工学博
9、士，副教授。通信作者:童慧芝，78540643 qqcom。收稿日期:20210611硅酸盐类水泥(Portland Cements)是土木材料中最常用的胶凝材料(简称胶材)。全球各种类硅酸盐类水泥总产量保持 9%的年增长速率，近年总产量高达 40 亿 t。如此巨大的产量背后是 CO2和其他温室气体以及粉尘的排放问题，据不完全统计，来自水泥生产的温室气体排放量高达 15 亿 t，占总排放量的 7%8%1。为了节能减排，尽快实现“碳达峰”和“碳中和”战略目标，水泥制造业不断探索，多方寻求解决之道。开发地聚物胶凝材料、地聚物水泥及其衍生材料和制品便是具有发展潜力的途径新型复合地聚物胶材制备及其强度
10、影响因素评析 江晨晖，等191之一25。地聚物胶材能高效利用多种来源的固体废弃物，生产过程无须高温煅烧，与硅酸盐类水泥相比能减少大约 80%的 CO2排放，具有节能和利废的双重优势。虽然地聚物水泥具有取代传统硅酸盐水泥的潜力，但工程界对这种新型胶材的认知不足，目前并未实 现 商 业 化，也 缺 乏 相 关 的 技 术 标 准 和 规范3，56。地聚物由硅氧四面体 SiO4和铝氧四面体 AlO4 单元聚合而成，是具有稳定空间结构的凝胶体，硬化后物理力学性能优异、耐久性高、适应性强5。合成地聚合物的矿物聚合反应的进程、速率和最终产物的分子结构可通过先导组分的活性和关键氧化物的总摩尔比、碱激发剂溶液
11、的成分和浓度予以调整4，78。根据多年的研究，要合成特定性能的地聚物，通常对原材料的成分、配合比和反应条件具有严格要求56，911，硅铝总摩尔比对地聚物的工程性能具有决定性作用7，9。地聚物胶材与碱激发材料虽然有众多相似之处，但二者的反应机理是完全不同3，5。为了验证地聚物胶材的易获性，采用最常规的市售原材料，不借助任何特殊手段，利用常规实验室条件制备复合地聚物胶材(CGC)。考察多项关键因素对地聚物水泥抗压强度的影响，为 CGC 配合比优选提供依据。不同于以往文献中相对单一固定的先导组分(偏高岭土、粉煤灰、矿渣)和碱性激发剂(水玻璃、氢氧化钠)23，59，本研究尝试通过多组分复合的先导组分、
12、激发剂溶液和必要添加剂的复掺复配，利用其在物理和(或)化学层面的耦合效应，从而达到优势互补的目的，制备性能更优的新型地聚物胶材。1试验1.1原材料制备 CGC 的原材料由复合先导组分、复合碱激发组分和添加剂组分三部分构成，现对所选用的各原材料的基本性质作简要说明。先导组分:I 级粉煤灰(FA)形貌为球状玻璃体，表面光滑，成分以无定形 SiO2、Al2O3为主;偏高岭土(MK)质轻且细腻，SiO2+Al2O3质 量 占 比87.52%，具有较高碱活性;S95 级矿渣粉(GBFS)富含无定形 CaO、Al2O3及 Fe2O3，形貌多棱角，碱活性好;P O 42.5 普通硅酸盐水泥(OPC)的颗粒形
13、貌与GBFS 相似。这些先导组分的 XF 成分分析和 SEM成像结果，分别详见表 1 和图 1。碱激发组分:钠水玻璃(WG)模数为 3.24(即表 1原材料的化学成分Table 1Chemical compositions of raw materials%先导组分SiO2Al2O3Na2OCaOFe2O3MgOTiO2K2OFA37.00 31.880.669.118.351.161.811.29MK45.12 42.400.159.110.760.091.370.19GBFS26.08 13.510.26 45.660.458.530.670.4OPC17.276.630.25 58.25
14、6.382.690.510.74WG27.58.7aFA;bMK;cGBFS;dOPC。图 1先导组分的扫描电镜照片Fig1SEM photographs of precursor materialsSiO2与 Na2O 摩尔比)，Na2SiO3质量分数为 36.2%;氢氧化钠(NaOH)为市售分析纯(98%)片状固体，需与水溶解后，再与水玻璃混合配制碱激发剂;碳酸钠(Na2CO3)为分析纯(98%)粉末，也须事先与水玻璃混溶;水(W0)为蒸馏水。添加剂组分:聚羧酸高性能减水剂含固量为26.2%，减水率为 25.8%，掺量统一为 7.5 g;聚丙烯纤维长度为 610 mm，长径比为 40060
15、0，掺量统一为 0.25 g。1.2配合比本研究涉及 CGC 配合比见表 2。基于原材料中 SiO2、Na2O、Al2O3两两总摩尔比固定的原则10，通过调整先导组分与碱激发组分比例，考察不同组分的宏观比例对 CGC 强度的影响。此外，考虑了水固比(W/S，其中“W”为 WG 所含的水和额外加水(W0)的总质量，“S”为先导组分与激发剂中固体的总质量)对 CGC 强度的影响。表 2 中，编号 0110 考察 GBFS 对 CGC 强度的影响;编号 1115 考察 MK 对 CGC 强度的影响;编号 115 考察 FA 对 CGC 强度的影响;编号 1618考察 OPC 对 CGC 强度的影响;
16、编号 19 23 考察WG 对 CGC 强度的影响;编号 2434 考察 NaOH 对CGC 强度的影响;编号 3539 考察 Na2CO3对 CGC强度的影响;编号 24、40、41 系列中带“*”的配合比192工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期表 2复合地聚物水泥的配合比Table 2Mix proportions of CGC配合比编号先导组分/g碱激发组分/gMKFAGBFS OPCWGNaOH Na2CO3W0W/S010500003555401330.52002040010003555401330.52003030020003555401330.52004020030003555401330.52005010040003555401330.520067520017550459440820.528077517520050430440950.5280875150225504004401070.5280975125250503714401200.5281075100275503424401330.528117527512525466450950.5501210025012
