废瓷粉-粉煤灰基地聚物胶凝材料的制备及性能研究

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地聚物胶凝材料是一种由硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的新型“绿色”无机胶凝材料,具有优良的力学性能、耐高温性能和防腐蚀性能,应用前景广泛。我国是陶瓷生产应用大国,每年都有大量的废弃陶瓷被堆置或者填埋,不仅占用土地,还会引起环境污染。废陶瓷中含有较高的Si和Al,因而具备作为制备地聚物的硅铝原料的可能。但由于废陶瓷的活性低,并且其Si含量远高于Al含量,故而利用其作为基质制备地聚物胶凝材料的研究非常少。  本研究利用废瓷粉和粉煤灰作为硅铝原料,以氢氧化钠分析纯和钠水玻璃粉末作为固体激发剂,探讨制备废瓷粉-粉煤灰基地聚物胶凝材料的合理配比及工艺技术。首先,研究了废瓷粉的掺量、激发剂模数对地聚物胶凝材料14d和28d龄期力学性能和微观结构的影响。结果表明,激化剂模数显著影响地聚物胶凝材料的力学性能,其中激发剂模数为0.9和1.1的复合材料28d力学性能普遍优于激发剂模数1.3,0.9系列复合材料抗压强度比1.3系列高出0.38%~39.30%,而1.1系列抗压强度比1.3系列高8.81%~30.80%。在激发剂相同情况下,地聚物材料的抗压强度随瓷粉掺量增加呈现先增后减的趋势:0.9、1.1和1.3系列的抗压强度分别在瓷粉掺量为21.73%、29.00%和21.73%处达到最大值,抗折强度分别在瓷粉掺量为21.73%、43.50%和21.73%处达到最大值。另外还发现,龄期影响地聚物的强度发展,14d抗压强度为28d的80%左右,14d抗折强度为28d的60%以上。微观结构分析表明,激发剂和废瓷粉的掺量之所以影响废瓷粉-粉煤灰基地聚物胶凝材料的力学性能,是由于其影响材料中硅铝酸盐的析出和反应。EDX能谱分析表明在激发剂模数相同时,废瓷粉掺量较低,则析出的硅铝酸盐越多,因而材料的抗压强度越高;XRD结果表明,瓷粉含量高于一定量后,不可溶解的石英相随着废瓷粉的掺入量增加而增加,地聚物中析出的硅铝酸盐降低,因而地聚物抗压强度降低,这一结果表明了,废瓷粉中二氧化硅的活性比粉煤灰低;同时,FTIR测试结果表明随着瓷粉掺量的增加,地聚物因碳化而泛碱的现象更严重,由此会引起力学性能的降低。  其次,对比研究养护方式对废瓷粉-粉煤基地聚物胶凝材料的力学性能和毛细吸水系数的影响。结果表明,原材料中的硅铝摩尔比的越高,氢氧化钙饱和溶液养护条件越有利于聚合反应的进行,力学性能越好,激发剂模数为0.9或者1.1时,硅铝比高于1.98的试样的抗折和抗压强度皆优于自然养护条件的试样;其峰值压应变和毛细吸水系数普遍高于同配比下自然养护的试样。  最后,研究不同掺量、不同纤维对地聚物胶凝材料的力学性能的影响规律,并初步分析了其微观结构特征。结果表明,在废瓷粉-粉煤灰基地聚物胶凝材料中加入不同掺量的碳纤维、玄武岩纤维或者聚乙烯醇纤维后,其力学性能都有不同程度的提高,其中激发剂模数为1.1时,较未掺纤维组,同硅铝比下掺入0.4vol.%PVA纤维的抗折强度提高了21.90%~70.54%,抗压强度提高了50.63%~102.38%。通过SEM微观分析,聚乙烯醇纤维与基质界面结构优于其他两种纤维。
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