摘要：本文通過正交試驗, 在不摻水泥或水泥熟料及粘土的情況下，以原狀低鈣粉煤灰為原料，在堿性激發劑的作用下，制備了地聚水泥。得到制備粉煤灰地聚合水泥的最優配方為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細度為800Kg/m2，采用NaOH與水玻璃復合的堿性激發劑進行活性激發，復合激發劑模數為0.8；90℃蒸氣養護時間為12h。在蒸汽養護和常溫養護條件下28d的抗折和抗壓飽水強度分別是9.8MPa、48.04MPa和6.7MPa、33.62MPa。同時探討了堿激發劑種類，粉煤灰種類以及養護制度等因素對制備地聚水泥的影響。
關鍵詞：正交試驗；低鈣粉煤灰；堿激發；地聚水泥；強度
引言
地聚水泥的概念來源于法國教授Davidovits，他在對古建筑物的研究過程中發現，耐久的古建筑物中有網絡狀的硅鋁氧化合物存在，這類化合物與一些構成地殼的物質結構相似，被稱為土壤聚合物(Geopolymer)。Davidovits教授研制了一類新型的堿激活膠凝材料――地聚水泥(Geopolymer Cement)。地聚水泥是一種集早強、環保、耐久等優點于一體的新型綠色膠凝材料；它具有有機高聚物的鏈接結構的無機聚合物，基本結構為硅氧四面體和鋁氧四面體，以離子鍵和共價鍵為主，范德華鍵為輔，因而顯示出獨特而優異的性能；因其優異性能，在汽車及航空工業、非鐵鑄造及冶金工業、土木工程、交通工程、塑料工業、有毒廢料及放射性廢料處理、藝術及裝飾等領域都取得了廣泛的應用。相對于硅酸鹽水泥，地聚水泥具有豐富的原料資源，能耗低，幾乎無污染，而且不消耗石灰石資源，有著良好的經濟效益和環境效益，是一種環保型綠色建筑材料。近年來人們對地聚水泥進行了廣泛的研究，成果已經廣泛應用于建筑、耐火、防腐等多個工業部門，但研究的被激活材料大多集中于高嶺土（或偏高嶺土）和礦渣，對用粉煤灰生產地聚水泥的研究相對較少，雖然有一定的進展，但是粉煤灰不是主要的原料，而是作為摻合料；粉煤灰的摻量較大（≥50%）時，合成的地聚水泥強度不理想；達到較高的強度時其摻量較少；原因是高嶺土（或偏高嶺土）和礦渣活性要比粉煤灰的大，加之粉煤灰的質量受煤源及燃燒工況不同的影響，其礦物成分和活性變化相當大，發表的結果相互矛盾之處也非常多[1-12]。此外，目前沒有對粉煤灰基地聚水泥做更深入細致的研究探討，例如：粉煤灰的礦物組成、不同細度、同一細度不同粒徑分布、不同活性激發方式以及不同養護制度等因素對其性能的影響。本文在不摻水泥或水泥熟料及粘土的情況下，制備了地聚水泥，探討了堿激發劑種類，粉煤灰細度以及養護制度等因素對制備地聚水泥的影響。
1 原材料及實驗方法
所用原材料主要為粉煤灰和激發劑。其中，粉煤灰選用了3種低鈣粉煤灰，分別為江油干排灰（以下簡稱“江干”），江油濕排灰（以下簡稱“江濕”），金創濕排灰（以下簡稱“金創”）；其化學成分見表1，形貌見圖1。激發劑選用了6種激發劑，其編碼和名稱分別為：1—NaOH；2—KOH；3—Na2CO3；4—結晶Na2SO4（這四種均為分析純）；5—水玻璃（工業級，模數M＝3.16， w(SiO2)＝33％，濃度ρ=43.8％）；6—硅溶膠（工業級，固含量20％）。三種原狀粉煤灰的活性表征按照GB/T1596－2005中GB177進行，測得28d強度之比（取整數）分別為：江油干灰85；江油濕灰86；金創濕灰73，得出江油濕灰活性最大，江油干灰次之，金創濕灰最差。
采用正交試驗方法設計實驗方案，以粉煤灰種類，粉煤灰的細度，CaO含量，激發劑中R2O的含量(R2O為Na2O或K2O)，激發劑中w(SiO2) / w(Na2O)比值和養護制度6因素及其它們之間的交互作用為因素，每個因素采用四個不同的水平，以強度為考察指標，設計正交實驗方案。各方案試驗時，凈漿稠度均為6mm，澆注成20mm×20mm×20mm水泥凈漿試塊，標準養護1d脫模后分別標準養護、60°C蒸養、90°C蒸養和90°C干養至齡期，測其抗壓強度。
對表3抗壓強度結果進行直觀分析，可以看出：（1）對于7d強度，F因素的極差最大，為最顯著影響因素，1水平最好；C因素極差也較大，是顯著影響因素，取4水平；D因素的極差略小于C因素，也為顯著影響因素；A的極差最小，是影響最小的因素，取1水平為好，粉煤灰的活性表征得到的結果是江油濕灰最好，可知國家現行粉煤灰活性表征的標準，對于生產地聚水泥的粉煤灰不具有普適性。B因素取1水平；E因素取4水平。此時，最佳試驗方案為：A1B1C4D4E4F1。（2）對于28d強度，因素影響顯著次序與7d強度分析結論相同：F＞C ＞D＞B＞E＞A，得到最佳試驗方案仍為：A1B1C4D4E4F1。就強度綜合考慮，實驗最佳方案確定為：A1B1C4D4E4F1。
對表3中抗壓強度數據進行方差分析，結果見表4：
由表4可知，對于7d強度結果影響最為顯著的因素是細度因素；而對于28d強度結果影響最為顯著的是養護制度因素，其次為粉煤灰的種類與堿激發劑的模數、堿激發劑的模數與養護制度之間的交互作用；再次為粉煤灰的細度因素。
32.5R硅酸鹽水泥在相同成型條件下，20mm×20mm×20mm凈漿試塊，標準養護1d脫模后分別養護7d和28d，測其抗壓強度分別是22.5MPa和40MPa。將正交試驗表3中測得凈漿試塊抗壓強度高于32.5R硅酸鹽水泥的配方及最優配方，澆注成40mm×40mm×40mm砂漿試塊，在90°C蒸養條件下養護，再與標準養護條件下的32.5R硅酸鹽水泥強度對比，結果見表5。
由表5可知，22＃配方及正交最優配方的放大砂漿試塊在90°C蒸養條件下的強度均高于32.5R硅酸鹽水泥的強度，在90°C蒸養條件下的正交最優配方的放大砂漿試塊強度最高。
實驗結果便于實際廣范應用，進一步將22＃配方及正交最優配方的40mm×40mm×40mm放大砂漿試塊常溫自然養護與標準養護的32.5R硅酸鹽水泥強度對比，結果見表6。
由表6可以看出，22＃配方在常溫自然養護條件下的強度發展不及32.5R硅酸鹽水泥；而正交實驗得到的最優配方此時強度仍然高于32.5R硅酸鹽水泥，這也說明實驗得到的成果就強度需要而言完全可以代替32.5R硅酸鹽水泥。
進一步優化實驗各因素，確定制備粉煤灰地聚合水泥材料的最佳方案為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細度為800Kg/m2；采用NaOH與水玻璃復合的堿性激發劑進行活性激發，復合激發劑模數為0.8；養護制度為90℃蒸氣養護時間為12h。測其物理力學性能見表7。
蒸養下的粉煤灰地聚合水泥材料的抗折強度、抗壓強度明顯高于32.5R硅酸鹽水泥；自然養護下的粉煤灰地聚合水泥材料28d抗折強度不及32.5R硅酸鹽水泥，但其抗壓強度高于它。在某些工程完全可以替代32.5R硅酸鹽水泥。
3. 微觀分析
對90°C蒸養養護條件下的最優配方試驗樣品材料，進行X射線衍射分析和掃描電鏡分析，結果見圖2、3。
由圖2和3可以看出，水化試塊存在的晶體形態主要是石英()、碳酸鈣()、莫來石( )和鈉沸石結構()；粉煤灰地聚合水泥材料存在一些沒有完全參加反應的粉煤灰顆粒，但是在粉煤灰顆粒的表面聚集了一些反應生成物；聚合反應生成的鋁硅酸鹽基體相呈絮凝狀，與粉煤灰玻璃體結合較緊密。
4. 延伸試驗
在正交實驗最優配方的基礎上，研究了其它礦物摻和料（含鈣工業廢渣1#和2#，簡稱IW1#和IW2#）代替石灰后的配合料制備粉煤灰地聚合水泥材料的可行性。發現，在90℃蒸汽養護條件下，IW1#摻量為5％和10％的40×40×160mm膠砂試塊，7d抗壓強度分別為54.8MPa、62.5MPa；28d抗壓強度分別為123.9MPa和107.1MPa；常溫養護下，IW1#摻量5％時28d抗壓強度為40.7MPa，均高于32.5R硅酸鹽水泥。而IW2#10％、15％和20％的40×40×160mm膠砂試塊，90℃蒸汽養護條件下7d抗壓強度分別為68.1MPa、69.2MPa和43.1MPa；28d抗壓強度分別為100MPa、132.9MPa和75MPa，摻量為5%的各齡期強度也均高于32.5R硅酸鹽水泥。常溫養護條件下，IW2#摻量為15％時的配合比40×40×160mm膠砂試塊，各齡期強度均高于32.5R硅酸鹽水泥，28d抗折、抗壓強度分別為8.8MPa和40.1MPa。
5. 結論
通過試驗可以總結得到以下結論：
（1） 采用堿激活方法合成了低鈣粉煤灰基地聚水泥。
（2） 制備粉煤灰地聚合水泥材料的最佳方案為：粉煤灰采用江油干排灰，石灰摻量為20％，細度為800Kg/m2，可以通過球型磨和振動磨粉磨混合，也可以采用粉磨后磨外人工混合，建議采用振動磨粉磨混合；采用NaOH與水玻璃復合的堿性激發劑進行活性激發，復合激發劑模數為0.8；養護制度為90℃蒸氣養護時間為12h。
（3） NaOH與水玻璃復合激發早期強度高于KOH與水玻璃復合激發，后期強度增長不及KOH激發。
（4） 對于蒸汽養護來說溫度升高，強度有所增長。
（5） 國家現行粉煤灰活性表征的標準，對于生產地聚水泥的粉煤灰不具有普適性。
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