轻质天然粘土基地聚物的制备及性能研究

轻质天然粘土基地聚物的制备及性能研究

叶斌 ,申琴

浙江交工金筑交通建设有限公司  江苏省常州市213000

摘要：采用天然粘土制备轻质地聚物砂浆对于实现可持续发展具有重要意义。本文以低品位煅烧黏土基地质聚合物的物理力学性能为研究对象，采用膨胀珍珠岩和矿渣进行改性，开展了波速、密度、弹性模量和抗压强度的试验测试，研究膨胀珍珠岩掺量和矿渣掺量对于地聚物基轻质砂浆的物理力学性能影响，研究并确定膨胀珍珠岩掺量与矿渣掺量最佳配合比，制备可满足轻质砂浆要求的地聚物基轻质砂浆。结果表明，膨胀珍珠岩掺量的增加，地质聚合物的密实度减小，密度、波速、弹性模量、抗压强度将减小。矿渣掺量的增加，地质聚合物的密实度增大，密度、波速、弹性模量、抗压强度将增大。40%膨胀珍珠岩掺量和 20%矿渣掺量最佳试验配比，满足实际工程应用要求，其干密度为1126kg/m3，抗压强度为11.6MP。

关键词：低品位高岭土；火山灰活性；电导率测试；强度活性指数

0引言

随着经济的不断发展，中国的土木工程行业快速发展，随着住房改建需求的不断增加和建筑节能与绿色建筑意识的增强，环保材料在建材中的比重逐渐增加[1-3]。随着能源危机和环境危机的加重和绿色建筑要求的提出，地质聚合物以其优异的性能从不同可制备水泥砂浆的环保材料中脱颖而出，而轻质高强材料则对于实现可持续发展战略具有十分重大的意义[2-6]。

目前已经开展了较多轻质材料的制备和性能研究。研究者将煤矸石、膨胀珍珠岩等材料通过研磨、筛分和分级处理后,采用一定的比例在水泥基材中掺入，测试水化反应速度、活性指数，研究不同比例掺量对水泥强度的影响，确定最佳掺量。通过改变原料比例、水玻璃比例，确定轻质材料混凝土基材最佳水玻璃掺量。关于轻质材料的研究主要是通过外掺物和化学处理对水泥砂浆进行改性以满足规范轻质高强的要求。耿旗辉[7]针对膨胀珍珠岩在水泥基复合材料中的研究现状，研究了膨胀珍珠岩作为骨料替代石英砂对超高性能混凝土的新拌性能、硬化性能、水化历程以及碳排放的影响。试验测试结果表明，膨胀珍珠岩的掺入表现出了优异的耐久性能和的抗冲击性能，总放热量减少，碳排放量显著减少，降低能耗。吴晓丹[8]通过调整煤矸石材料的原料比例、发泡剂的种类及掺量、养护工艺等，研究轻质多孔材料的制备工艺及性能，探索轻质多孔材料孔隙参数的测试方法的可靠性。试验表明，在多孔轻质墙体的材料制备过程中，自燃煤矸石泡沫混凝土的制备中，选用模数1.0水玻璃作为激发剂，30%煤矸石掺量强度达 7.5MPa，50%煤矸石掺量的强度5.1 MPa。Tarameshloo[9]则研究了使用H2O2生产充气碱激发矿渣浆。试验结果得出，在85℃温度下固化后，用 3.0% H2O2得到了密度 890kg/m3，抗压强度为 3.3MPa的轻质混凝土。但是，文中提到只制备了很少的样品，并未提及生产的过程和混合物的成分详细信息。王健[10]以磷石膏的高效利用为主要目的,通过掺加碱性物质、矿物掺合料、减水剂和缓凝剂调节流动性能、凝结性能，通过掺入水泥的方式对强度和耐水性能进行改善，制备出了轻质磷石膏材料，对微观结构进行了研究。试验结果表明，粉煤灰和矿渣粉均可以改善磷石膏的凝结性能和流动性能，并且强度随掺入量的增加而降低，相同掺量下矿渣强度的提高程度高于粉煤灰强度，但是二者均对耐水性的提高不明显。前人研究表面，轻质高强混凝土在绿色建筑材料上的研究已经有了一定的进展，但是主流的研究都是以硅酸盐水泥为基础进行的改性研究，关于轻质高强地质聚合物的研究较少[11-15]。

地质聚合物的概念由J.Davidovits[16]在上世纪70年代提出，是由碱激发剂和硅铝酸盐矿物混合得到的一种高强度聚合物。地质聚合物如前文所述有着能耗低、碳排量小的优势，在如今提倡建筑节能与绿色建筑的大背景下，地质聚合物在建筑材料领域有着较大的研究价值[17]。李盾兴[18]以偏高岭土、矿渣、NaOH和水玻璃溶液为原料制备地质聚合物,其研究的主要内容为地质聚合物的材料配合比、养护条件和矿渣掺量对偏高岭土基地质聚合物性能的影响，并且以此制备快凝、早强、高强度的地质聚合物。试验结果表明，最佳配合比为: n(Na2O)/n(Al2O3)= 3.6、n(H2O)/n(Na2O)= 1.0和n(SiO2)/n(Al2O3)= 9.0,养护温度则在60℃下养护6h为最佳，同时矿渣掺量在30%的时候抗压强度为最高。马国伟[19]等人采用粒状高炉矿渣粉代替偏高岭土，研究了不同含量矿渣对偏高岭土基聚合物抗压强度和凝固时间的影响。通过测试不同水玻璃模量对偏高岭土基地质聚合物抗压强度的影响，确定最佳水玻璃模量。保持最佳水玻璃模量不变，通过测试偏高岭土基地质聚合物的凝结时间和抗压强度，确定粒化高炉矿渣粉的最佳替代范围。结果表明，用粒化高炉矿渣粉等质量代替偏高岭土，不仅可以缩短地质聚合物的固化时间，而且可以大大提高其抗压强度。前人研究表明，地质聚合物的三维网络结构使其不同于硅酸盐水泥，具有良好的力学性能和较高的早期强度。地质聚合物兼具陶瓷、水泥和有机聚合物的特性，还有着原材料来源广泛、硬化速度快、制造加工方便、力学性能好、耐久性好、对重金属密封效率高等优点。地质聚合物制备轻质高强材料的研究对于绿色建筑材料领域有很高的学术价值和实际工程价值

[20-24]。

本研究以低品位煅烧黏土基地质聚合物的物理力学性能为研究对象，采用膨胀珍珠岩和矿渣进行改性，开展了波速、密度、弹性模量和抗压强度的试验测试，研究膨胀珍珠岩掺量和矿渣掺量对于地聚物基轻质砂浆的物理力学性能影响，研究并确定膨胀珍珠岩掺量与矿渣掺量最佳配合比，制备可满足轻质砂浆要求的地聚物基轻质砂浆。

1 实验

1.1 实验材料

轻质天然粘土基地聚物砂浆的原材料包括天然粘土、矿渣、膨胀珍珠岩、碱激发剂。本次实验所使用的低品位高岭土是广西南宁的天然粘土。如图1所示，天然块状粘土之间差异较小，颜色均为黄色。图2为通过X射线衍射(XRD)测量的天然粘土中矿物成分图。如图2所示该粘土中含有大量的石英，其成分占比为48.4%，其次为伊蒙混层占22.6%，伊利石占8.8%，高岭石含量较少，仅占17.7%。本实验采用的矿渣级别为S95粒化高炉矿渣(GGBS)。采用轻质细骨料为膨胀珍珠岩，其密度为500 kg/m3。实验中采用的碱激发剂由氢氧化物(NaOH)，硅酸钠溶液(Na2SiO3)和水混合制备而成。其中，氢氧化钠的纯度99.0%，硅酸钠溶液的模数为3.14。

(a)(b)

图1 天然粘土表观图(a)和矿物成分(b)

1.2 地聚物的制备

将天然粘土进行研磨处理，粒径小于0.15mm，研磨后的天然粘土放入高温箱中高温煅烧，煅烧温度设置为750°C，煅烧时间为3小时。室温冷却后得到的煅烧天然粘土作为地聚物的原料，用于制备天然粘土基地质聚合物。碱激发剂制备采用由NaOH溶液与模数为3.14的水玻璃溶液混合而成，通过调节Na2O与SiO2的比例调整水玻璃的模数至1.5，将氢氧化物，硅酸钠溶液和水混合搅拌均匀得到碱激发剂。将煅烧粘土、矿渣、膨胀珍珠岩和碱激发剂按照配合比混合搅拌均匀，并将搅拌好的浆体注入70.7 mm×70.7 mm×70.7mm三联立方体试模中。在振捣台上充分振捣后，放入恒温箱中以温度20±2°C，相对湿度≥ 90%的标准条件下进行养护。养护天然粘土基地质聚合物立方体试样24小时后，将试块脱模后继续养护至7天后进行物理力学性能测试。

为了研究矿渣和膨胀珍珠岩对天然粘土基地质聚合物密度、波速、抗压强度的影响，采用不同掺量的膨胀珍珠岩和矿渣替代天然粘土制备轻质地聚物砂浆材料。其中，膨胀珍珠岩采用等体积替代方法，设置了4中不同的掺量，分别为 0%、 20%、 40%和 60%。矿渣采用等质量替代方法，分别为0%、 10%、 20%和30%。表2为天然粘土基地聚物配合此设计。如表2所示，本次实验中一种16组，每组试验制备3个地质聚合物试件，一共48块试样。

表2 轻质天然粘土基地聚物配合比设计

1.3 实验方法

试块养护完成后，对天然粘土基地质聚合物的密度、波速、抗压强度进行测试。纵波波速测试为无损测试方法。对不同掺量的膨胀珍珠岩和矿渣的试块进行纵波波速测试，本实验中采用HS-YS2A型岩石声波参数测试仪测量天然粘土基地质聚合物的纵波波速。为了确保试验结果的准确性，在试块表面和测试仪金属传感器表面涂抹凡士林，并将试块与传感器紧密贴合。

采用万能试验机进行抗压强度测试，每次制备3个平行试样进行测试。参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准(JGJ/T70-2009)》，抗压强度测试试样大小为70.7mm×70.7mm×70.7mm，测试结果取三个试样的平均值。测试过程中必须将待测的试样放平稳，从而避免偏心受压，影响实验结果。试样加载时应均匀平稳，不得发生冲击或震动，加载速度为0.25MP/s，直至试样破坏，记录最大破坏荷载P，按下式计算抗压强度：

(1)

式中：Rp为极限抗压强度，MPa；P为最大破坏荷载，N；A为受压部分面积，mm2 (70.7×70.7 mm2)。试样破坏后，收集试样碎片用于密度测试，采用烘箱在105°C下对收集的试样碎片烘干48小时，直至试样完全干燥。采用用电子秤对烘干的地质聚合物试样进行称量，从而得到不同掺量的膨胀珍珠岩和矿渣的地聚物试样的干密度。

2结果与讨论

2.1膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆密度和波速的影响

图6为膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆干密度的影响。如图6所示，随着膨胀珍珠岩掺量的增加，四种矿渣掺量的天然粘土基地聚物的干密度呈现线性降低的趋势。当不掺入膨胀珍珠岩和矿渣时，天然粘土基地聚物的干密度为1400 kg/m

3。随着膨胀珍珠岩掺量的增大，天然粘土基地聚物的干密度逐渐减小。当膨胀珍珠岩掺量为60%时，不掺矿渣的天然粘土基地聚物的干密度下降了34.3%，干密度为920 kg/m3。另外，随着矿渣掺量的增大，四种膨胀珍珠岩掺量的天然粘土基地聚物的干密度呈现轻微增大的趋势。当矿渣掺量为30%时，不掺入膨胀珍珠岩的天然粘土基地聚物的干密度增加了8.7%，为1530 kg/m3。

图6膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆干密度的影响

图7为膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆波速的影响。当矿渣掺量相同时，随膨胀珍珠岩掺量的增加，四种掺量的波速曲线均线性降低，下降曲线较陡，斜率较大。四种掺量的波速曲线存在差异，当矿渣掺量为0%时，随膨胀珍珠岩掺量增加，波速57%由2206 m/s降至932 m/s下降曲线最陡，下降幅度最大。矿渣掺量10%、20%和30%曲线，随膨胀珍珠岩掺量的增加，三种掺量曲线也均呈下降趋势，但曲线下降幅度小于矿渣掺量0%曲线。当膨胀珍珠岩掺量相同时，随矿渣掺量的增加，四种掺量的波速逐渐增加。四种波速增长的幅值会存在差异，当掺量由 0%增至 10%时，波速增加幅度较大，尤其是膨胀珍珠岩掺量为60%时，波速增加幅度最大。当膨胀珍珠岩掺量相同时， 10%、20%、30%三种矿渣掺量的地聚物波速轻微增加，波速数值比较接近。

图7膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆纵波波速的影响

2.2膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆力学性能的影响

图8为不同膨胀珍珠岩和矿渣掺量的轻质地聚物砂浆应力-应变曲线。从图8中可知，地质聚合物的应力-应变曲线可分为由四个变形阶段：(1)压密阶段。曲线为下凹曲线，试块内部的细微裂缝、膨胀珍珠岩与矿渣孔隙被压密闭合，曲线呈非线性；(2)弹性变形阶段。应力-应变曲线呈直线增长，该阶段的应力与应变的比值为弹性模量。此阶段地聚物发生的弹性变形；(3)屈服阶段。当试样达到屈服极限时，由弹性变形阶段进入到塑形变形阶段，呈下上凸型曲线。随压力增大，试块侧面开始出现竖向细密裂纹，裂纹逐渐开展，伴随试块部分崩落，直到发展到峰值应力；(4)破坏阶段：该阶段达到峰值应力时，试块侧面裂缝逐渐扩大直至贯通，伴随大块试块崩落，试块破坏，应力陡降，变形迅速增大。由图8(a)可知，当膨胀珍珠岩掺量为0%时，随矿渣掺量的增加地聚物的抗压强度（即峰值强度）逐渐增加。尤其是当掺量由0%增至20%时，抗压强度增加幅度最大。随着矿渣掺量增大，地聚物的抗压强度逐渐增大。当矿渣掺量为20%时，地聚物的抗压强度最大，为32.7MPa。然而，进一步的掺入矿渣反而导致地聚物的抗压强度减小，30%矿渣掺量地聚物的抗压强度降低至 28.5MPa，与掺量20%的相比，抗压强度反而减小了12.8%。这表明矿渣掺量存在最优值，过量的矿渣反而导致地聚物强度降低，这与前人的研究结果一致。由图8(b)和(c)可知，随着矿渣掺量的增加，20%和40%膨胀珍珠岩掺量的地聚物应力-应变曲线变化一致。其抗压强度都随着矿渣掺量的增大先增大后减小，20%矿渣掺量地聚物的抗压强度达到最大值。图8(d)可知，随矿渣掺量的增加，60%膨胀珍珠岩地聚物的抗压强度与0%、20%和40%膨胀珍珠岩的不同，呈现逐渐增加的趋势。

(a) 0%膨胀珍珠岩(b) 20%膨胀珍珠岩

(c) 30%膨胀珍珠岩(d) 40%膨胀珍珠岩

图8 不同膨胀珍珠岩掺量和矿渣掺量的地聚物应力-应变曲线

图9为膨胀珍珠岩掺量和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆弹性模量的影响。由图9可知，当矿渣掺量相同时，随膨胀珍珠岩掺量的增加，四种掺量的弹性模量曲线均线性降低。除矿渣掺量0%曲线外，其它三种掺量下降曲线较陡，斜率较大。当矿渣掺量为0%时，随膨胀珍珠岩掺量增加，下降曲线最缓，斜率最小，下降幅度最小。矿渣掺量为 0%的地质聚合物弹性模量整体偏低（膨胀珍珠岩掺量为 60%时弹性模量仅有 0.52GPa）。矿渣掺量 10%、 20%、 30%曲线，随膨胀珍珠岩掺量的增加，三种掺量曲线也均呈下降趋势，曲线下降幅度大于矿渣掺量 0%曲线，但地质聚合物的弹性模量整体高于矿渣掺量 0%曲线。当膨胀珍珠岩掺量相同时，随矿渣掺量的增加，四种掺量的弹性模量逐渐增加；随矿渣掺量增加，弹性模量增加。尤其是当掺量由 0%增至 10%时，弹性模量增加幅度最大。矿渣掺量 10%、 20%、 30%三种掺量的弹性模量，随矿渣掺量增加尽管增加，但增长的幅度较小，弹性模量数值比较接近。矿渣掺量 10%、 20%、 30%曲线出现变异情况，以矿渣掺量 10%曲线为界， 20%曲线浮在右上侧，而 30%曲线伏在左下侧。矿渣掺量由 10%增至 20%时，弹性模量是增加的。由矿渣掺量 20%增至 30%时，弹性模量反而降低了，而且低于矿渣掺量 10%的弹性模量。因此可知，膨胀珍珠岩掺量的增加，弹性模量将减小。矿渣掺量的增加，弹性模量将增大。另外，矿渣掺量 10%、 20%、 30%曲线出现变异情况，说明对于弹性模量而言，矿渣掺量与弹性模量并不是线性关系，在 10%与 20%之间存在最佳比例的矿渣掺量。

图9膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆弹性模量的影响

图10为膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆抗压强度影响。由图10可知，随着膨胀珍珠岩掺量的增大，不同矿渣掺量的地聚物抗压强度逐渐减小。20%矿渣掺量时，不掺入膨胀珍珠岩的地聚物强度为32.7MPa。随着膨胀珍珠岩掺量的增大，60%膨胀珍珠岩掺量的地聚物强度下降了86.2%，仅为4.5MPa。根据规范《轻质砂浆（JG/T 521-2017）》节规定其干密度要求为 0.901g/cm3～ 1.20g/cm3，抗压强度要求≥ 10.0MPa。在本次实验中，首先抗压强度要求≥ 10.0MPa。剔除抗压强度≤ 10.0MPa的掺量配比试验组，包括矿渣掺量 0%的所有膨胀珍珠岩掺量配比组和矿渣掺量 10%与 30%的膨胀珍珠岩掺量 40%与 60%的配比组；遴选抗压强度≥ 10.0MPa的掺量配比试验组，包括矿渣掺量 10%、 20%、 30%的膨胀珍珠岩掺量 0%与 20%配比组；在膨胀珍珠岩掺量 0%、 20%、 40%时，矿渣掺量20%的抗压强度依次为 32.7MPa、 17.4MPa、 11.6MPa，为所有试验组中的最大值。因此初步选择矿渣掺量 20%与膨胀珍珠岩掺量 40%的试验组作为备选最佳试验组。其次，地聚物基轻质砂浆干密度要求 0.901g/cm3～ 1.20g/cm3。由图2-7可知，干密度≥ 1.20g/cm3的掺量配比试验组，包括膨胀珍珠岩掺量 0%与 20%的所有矿渣掺量配比组；不存在干密度≤ 0.091g/cm3的掺量配比试验组；所以最佳干密度 0.901g/cm3～ 1.20g/cm3的掺量配比试验组，包括膨胀珍珠岩掺量 40%与 60%的所有矿渣掺量配比组；因此初步选择膨胀珍珠岩掺量 40%与 60%的所有矿渣掺量试验组作为备选最佳试验组。

图10膨胀珍珠岩和矿渣掺量对轻质地聚物砂浆抗压强度影响

3结论

本次研究首先对低品位高岭土在不同温度和恒温时间下进行煅烧；然后，采用了XRD测试对煅烧后低品位高岭土的矿物成分进行分析，并结合TG-DTA测试进一步确定了各矿物的分解温度；其次，采用电导率测试(EC)测定了煅烧后低品位高岭土的活性大小，并进一步采用强度活性指数测试(SAI)评估了煅烧后低品位高岭土对水泥的替代效果；最终，确定了获取低品位高岭土最佳火山灰活性的煅烧温度和恒温时间。具体结论如下：

（1）膨胀珍珠岩掺量的增加，地质聚合物的密实度减小，密度、波速、弹性模量、抗压强度将减小。矿渣掺量的增加，地质聚合物的密实度增大，密度、波速、弹性模量、抗压强度将增大。

（2）地质聚合物的弹性模量与抗压强度存在对应关系，但密度、波速与弹性模量或抗压强度不存在对应关系。地质聚合物受膨胀珍珠岩和矿渣掺量影响，物理性能存在一定的变异性，力学性能变异性较小。膨胀珍珠岩增加造成的波速降低，可以由增加矿渣掺量提高波速。矿渣掺量 10%、20%、 30%曲线出现变异情况，说明矿渣掺量与弹性模量、抗压强度并不是线性关系，在 10%与 20%之间应该存在着最佳比例的矿渣掺量。

（3）按《轻质砂浆（JG/T 521-2017）》6.2节规定，同时满足抗压强度≥ 10MPa和干密度小于 1.20g/cm3的要求，煅烧黏土地质聚合物轻质砂浆可以选择 40%膨胀珍珠岩掺量和 20%矿渣掺量作为最佳试验配比，满足实际工程应用要求，其干密度为1126kg/m3，抗压强度为11.6MP。

参考文献

[1]康博文,谢贤,陈铁华,许乌鹏,赵楚,黎洁.地质聚合物及其在尾矿治理方面的研究进展[J].化工新型材料,2019,47(05):36-41.

[2]王静茹,井强山,刘冰.养护制度对膨胀珍珠岩碱发泡轻质材料性能的影响[J].非金属矿,2021,44(05):95-99.

[3]杨征. 地质聚合物应用现状及前景展望[J]. 当代化工, 2017,07: 1476-1478

[4]Mclellan B C, Williams R P, Lay J, Riessen A V, Corder G D. Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement[J].Journal of Cleaner Production, 2011, 19(9-10): 1080-1090.