氧化物组成对复合基地质聚合物耐久性的影响

摘要

地质聚合物是一种新型的绿色建筑材料，由于其独特的三维网络结构，具有优异的力学性能、化学稳定性、耐高温等性能。同时，其原材料来源丰富、制备工艺简单环保、无污染物产生等优点，地质聚合物在固封重金属离子和建筑方面得到重视。但由于其原材料来源广泛及缺少相应的规范和标准，且研究和应用的时间较短，从而限制了地质聚合物的推广和应用。本文以粉煤灰、偏高岭土为基础原料，钠水玻璃为激发剂制备粉煤灰-偏高岭土复合基地质聚合物（简称 FMG），借助 ICC、SEM、MIP、FT-IR、XRD、AAS等技术手段对 FMG试样的水化放热、微观结构、孔结构、特征谱带、物相组成和离子浸出率进行测试，系统研究了 H2O/Na2O、SiO2/Al2O3和 Na2O/Al2O3摩尔比对 FMG结构和力学性能、热稳定性、收缩、风化和碳化性能的影响，并得到耐久性优异的复合基地质聚合物配合比。主要研究结果如下：　　（1）通过研究氧化物组成对 FMG结构和力学性能的影响，结果表明：当H2O/Na2O摩尔比由 14降至10时，Na2O/Al2O3摩尔比由 0.9降至 0.7时，亦或SiO2/Al2O3摩尔比由 3.9增至4.3时，FMG试样的最大水化放热量呈增大趋势。低 H2O/Na2O 比有利于制备具有低孔隙率、丰富凝胶孔、高抗压强度的地质聚合物。增加SiO2/Al2O3摩尔比尽管对孔结构变化不明显，但能够促进凝胶相的生成且提高抗压强度。　　（2）通过研究氧化物组成对 FMG热稳定性能的影响，结果表明：在热处理温度低于600℃时，试样能够保持28d的抗压强度；热处理温度介于600-800℃时，试样中开始有钠霞石晶相的形成，使试样发生较明显的收缩，试样的残留强度急剧下降；在 1000℃时，部分试样会出现炸裂现象。试样 HN-10和 NA-0.70在经过 800℃热处理后的残留强度分别为 30.91MPa 和 42.49MPa，高于水灰比为0.5的OPC·42.5（14.0MPa）。　　（3）通过研究氧化物组成对 FMG收缩性能的影响发现：复合基地质聚合物试样均在前 7d发生明显的自收缩和干燥收缩，7~42d收缩速率逐渐降低，42d后收缩率趋于稳定，其收缩主要与总孔隙率相关。在发生自收缩和干燥收缩的过程中，FMG试样的总孔隙率逐渐降低，凝胶孔的比例相对增加。　　（4）通过分析氧化物组成对 FMG风化性能的影响发现：复合基地质聚合物经一定时期的风化作用后，浸出液的pH值会不断增大，浸出液中 Na+、OH-则与空气中 CO2反应在试样上表面形成白色 Na2CO3·H2O风化产物。较大的孔隙率促进试样 Na+、Al3+、Si4+和OH-的溶出。浸出液中可溶性硅、铝会在风化28d时再次聚合，形成凝胶相，降低浸出液中 Al3+、Si4+浓度。　　（5）通过分析氧化物组成对 FMG碳化性能的影响发现：复合基地质聚合物碳化后抗压强度明显下降，随着碳化时间的延长，大量碳酸盐和碳酸氢盐的形成充填孔隙，会弥补抗压强度的损失。碳化试验60d时，试样 HN-14、SA-3.9、SA-4.0、SA-4.1 以及 NA-0.9的表面覆盖了大量碳酸盐和碳酸氢盐，碳化程度最为严重。　　（6）综合考虑 FMG的施工性能（浆体流动度、凝结时间）、力学性能和耐久性发现：粉煤灰-偏高岭土复合基地质聚合物的最佳配比范围为 H2O/Na2O介于11~12，SiO2/Al2O3介于4.2~4.3，Na2O/Al2O3介于 0.70~0.80。该范围制备的地质聚合物，其早期及 28d 抗压强度均高于 80MPa，800℃热处理后抗压强度仍能保持 30MPa 左右，90d 自收缩率和干燥收缩率分别小于 1800×10-6 和2000×10-6 ，风化过程中 Al3+浸出浓度低于 1.50×10-4%、Si4+浸出浓度低于2.50×10-4%且在试样表面发现 Na2CO3·H2O 风化产物，60d 后抗压强度 40MPa以上且试样表面无明显碳化现象。

目录

声明

1 绪论

1.1 地质聚合物概述

1.1.1 地质聚合物的发现与发展

1.1.2 地质聚合物的反应机理

1.1.3 地质聚合物的结构

1.1.4 地质聚合物的特点及应用

1.2 地质聚合物耐久性能的研究现状

1.2.1 地质聚合物的耐高温性能

1.2.2 地质聚合物的抗风化性能

1.2.3 地质聚合物的收缩性能

1.2.4 地质聚合物的碳化性能

1.2.5 地质聚合物的发展瓶颈

1.3 研究目的、内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.4 论文创新点

2 实验原料及方法

2.1 实验原料

2.1.1 粉煤灰

2.1.2 偏高岭土

2.1.3 碱性激发剂

2.2 实验方法

2.2.1 实验方案设计

2.2.2 FMG的制备方法

2.2.3 扩展流动度及凝结时间

2.2.4 水化热测试（ ICC）

2.2.5 抗压强度

2.2.6 物相组成（XRD）

2.2.7 微观形貌分析(SEM-EDX)

2.2.8 孔结构分析（MIP）

2.2.9 原子吸收（AAS）

2.2.10 同步热分析仪（TG-DSC）

2.2.11 傅里叶变化红外光谱（ FT-IR）分析

3 FMG结构与力学性能研究

3.1 H2O/Na2O摩尔比对FMG结构与力学性能的影响

3.1.1 扩展流动度和凝结时间

3.1.2 水化放热曲线

3.1.3 抗压强度

3.1.4 孔结构分析

3.1.5 微观形貌分析

3.2 SiO2/Al2O3摩尔比对FMG结构与力学性能的影响

3.2.1 扩展流动度和凝结时间

3.2.2 水化放热曲线

3.2.3 抗压强度

3.2.4 孔结构分析

3.2.5 微观形貌分析

3.3 Na2O/Al2O3摩尔比对FMG结构与力学性能的影响

3.3.1 扩展流动度和凝结时间

3.3.2 水化放热曲线

3.3.3 抗压强度

3.3.4 孔结构分析

3.3.5 微观形貌分析

3.4 本章小结

4 FMG热稳定性研究

4.1 H2O/Na2O摩尔比对FMG热稳定性的影响

4.1.1 抗压强度

4.1.2 热收缩性能

4.1.3 TG-DSC分析

4.1.4 XRD分析

4.1.5 FT-IR分析

4.1.6 微观形貌分析

4.2 SiO2/Al2O3摩尔比对FMG热稳定性的影响

4.2.1 抗压强度

4.2.2 热收缩性能

4.2.3 TG-DSC分析

4.2.4 XRD分析

4.2.5 FT-IR分析

4.2.6 微观形貌分析

4.3 Na2O/Al2O3摩尔比对FMG热稳定性的影响

4.3.1 抗压强度

4.3.2 热收缩性能

4.3.3 TG-DSC分析

4.3.4 XRD分析

4.3.5 FT-IR分析

4.3.6 微观形貌分析

4.4 本章小结

5 FMG收缩性能研究

5.1 H2O/Na2O摩尔比对FMG收缩性能的影响

5.1.1 自收缩

5.1.2 干燥收缩

5.2 SiO2/Al2O3摩尔比对FMG收缩性能的影响

5.2.1 自收缩

5.2.2 干燥收缩

5.3 Na2O/Al2O3摩尔比对FMG收缩性能的影响

5.3.1 自收缩

5.3.2 干燥收缩

5.4 本章小结

6 FMG风化和碳化性能研究

6.1 H2O/Na2O摩尔比对FMG风化和碳化性能的影响

6.1.1 风化性能

6.1.2 碳化性能

6.2 SiO2/Al2O3摩尔比对FMG风化和碳化性能的影响

6.2.1 风化性能

6.2.2 碳化性能

6.3 Na2O/Al2O3摩尔比对FMG风化和碳化性能的影响

6.3.1 风化性能

6.3.2 碳化性能

6.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果