粉煤灰-矿渣地聚合物性能优化及收缩特性研究

作     者：王均益 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴大志

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：粉煤灰-矿渣地聚合物 外掺料 沸石粉 PVA纤维 收缩特性 

摘      要：普通硅酸盐水泥(OPC)一直以来是混凝土制备中常见的成分,但其熟料生产阶段产生大量的二氧化碳与工业废料,与我国实现“碳中和和“碳达峰的战略目标不太相符,亟需寻找一种可接受的绿色胶凝材料替代品。地聚合物(Geopolymer)的概念是在1978年由法国人Davidovits提出的,它是一种由Al O和Si O四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物,经碱激发硅铝含量高的工业废料制备得来,具有制备简单、力学性能好、碳排放低等诸多优势,且为工业废料的处理提供了一条新的途径。自1978年至今,学者们对地聚合物的前驱体做了众多研究,其中粉煤灰-矿渣地聚合物的研究最为广泛,这是因为粉煤灰作为燃煤发电厂燃烧产生的工业废料,具有来源广泛和价格低廉等优势,粉煤灰地聚合物的应用为废弃材料再利用提供新的途径。然而粉煤灰地聚合物制备阶段往往需要热养护,常温养护状态下强度过低,所以往往通过掺入矿渣来改善粉煤灰地聚合物需高温养护以及强度过低的缺点,但伴随着矿渣掺量的提高,粉煤灰-矿渣地聚合物收缩也会相应变大,收缩过大在实际应用中可能会导致裂缝的产生,带来一定工程弊端。基于此,本文为改善矿渣掺量高收缩大、掺量低强度小的现状,首先研究不同粉煤灰矿渣比例下地聚合物的力学性能以及收缩特性,并在此配比的基础上从外掺料维度入手进一步优化粉煤灰-矿渣地聚合物性能,主要的工作及成果如下:(1)首先设置9:1、8:2、7:3和6:4四个粉煤灰与矿渣的比例,探究不同矿渣掺量下粉煤灰-矿渣地聚合物的凝结时间、力学性能、收缩特性、微观机理以及前驱体中钙组分的增加对粉煤灰-矿渣地聚合物的性能影响。结果表明,凝结时间随着矿渣掺量增加而缩短;抗压强度和抗折强度随着矿渣掺量增加而提高,但是随着矿渣替代率增加,收缩值却越来越大。为避免矿渣掺量增加导致收缩过高,本文选定粉煤灰与矿渣比例为8:2,保证力学性能(抗压强度)的基础上进一步探究粉煤灰-矿渣性能增强技术。(2)在上述配合比的基础上探究沸石粉作为外掺料对粉煤灰-矿渣地聚合物的影响。基于响应面法建立沸石粉掺量、碱激发剂掺量和碱激发剂模数三个因素与3天抗压强度、28天抗压强度两个响应值之间的关系;利用Box-Behnken模型建立3天和28天抗压强度的二次多项式拟合公式;并开展扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)和Si核磁共振(NMR)试验进行微观分析研究。通过试验发现添加沸石粉后3天和28天的最大抗压强度分别为40.2 MPa和70.9 MPa,抗压强度较不掺沸石粉分别提高了58.9%和20.0%。将最高抗压强度作为目标值优化配合比,得到沸石粉掺量、碱激发剂掺量、碱激发剂模数的最优配合比为13.3%、40.2%、1.2。微观分析结果表明沸石粉降低了总孔隙体积,优化了孔隙结构,使地聚合物的微观结构更加致密,提高了地聚合物的强度。试验发现掺入过量沸石粉导致反应过程中吸水率高,不利于水化反应。(3)外掺沸石粉有效提高了地聚合物抗压强度,但抗折强度无明显提升。开展了外掺不同长度聚乙烯醇(PVA)纤维粉煤灰-矿渣地聚合物的抗压强度、抗折强度,以及收缩特性试验研究。同时采用XRD、SEM、能谱仪(EDS)研究复合材料的微观结构和机理。结果表明,室温下粉煤灰-矿渣地聚合物28天抗压强度提高18.51%,弯曲/抗折强度提高78.72%,PVA纤维对提高地聚合物抗弯效果显著。归因于PVA纤维的桥接效应,使得地聚合物基体的韧性增加。但纤维过长有可能导致纤维团聚,增加地聚合物的孔隙率,反而导致抗压强度和抗折强度呈现下降趋势。试验结果显示6mm长度的PVA纤维在1.0%体积掺量下使粉煤灰-矿渣地聚合物砂浆干燥收缩减少了49.7%,最大限度地减少了地聚合物的干燥收缩和脆性。本文所开展研究为粉煤灰、矿渣等工业废料的利用提供参考,也为粉煤灰-矿渣地聚合物性能的提升提供了新的思路。