粉煤灰基地聚合物材料的研究进展上课讲义.doc
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1、粉煤灰基地聚合物材料的研究进展精品文档粉煤灰基地聚合物材料的研究进展所属分类:砂浆原材料技术发布人:中国预拌干粉砂浆网 发布时间:2011-08-23 17:311978 年,法国Davidovits 教授首次提出了地聚合物(Geopolymer)的概念。地聚合物是硅铝质无机原料通过矿物聚缩而生成的一种以离子键和共价键为主,范德华键为辅,由共用氧交替键合的SiO44-和AlO45-四面体组成的聚合铝氧硅酸盐无定形三维网状无机聚合物。反应产物网络的基本结构单元有三种,分别为硅铝氧链(PS)型(-Si-O-Al-O-)、硅铝硅氧链(PSS)型(-Si-O-Al-O-Si-O-)和硅铝二硅氧链(PS
2、DS)型(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)等。地聚合物的这种网络结构,赋予它不同于硅酸盐水泥的特点,其力学性能好,早期强度高;能有效固定几乎所有已知有毒金属离子,在工程应用中具有较强的优越性。地聚合物研究进展很快,全球已有30 多个国家设有专门的地聚合物研究机构。30 年来,地聚合物研究经历了古代现代混凝土的比较、偏高岭土基地聚合物的研制、利用固体废弃物研制地聚合物的阶段。粉煤灰的主要成分为非晶态玻璃体、石英、莫来石(3Al2O32SiO2)及少量未燃烧炭。粉煤灰基地聚合物是利用粉煤灰非晶态硅铝酸盐的特点,选择特定的激发剂对其进行激发,使其中的铝硅玻璃结构发生解聚,然后在一定条件下
3、再聚合生成无机聚合物,从而制备出的一种新型的无机胶凝材料。我国是世界上最大的煤炭资源国家之一,电力工业的发展,仍然是以燃煤的火力发电为主。电煤占我国煤炭消耗的50%以上,煤炭资源将在很长时期内作为我国一次能源的主要支柱。燃煤过程产生大量飞灰,占原煤质量的15%40%。电厂粉煤灰的年排放达到2亿吨,累计堆存量已达25亿多吨,占地面积5万公顷以上,粉煤灰已经成为我国累积堆贮量和占用耕地最多的工业废弃物之一。粉煤灰的利用既为广大企业解决了废弃物堆放占用场地和污染问题,又有效地突破了传统水泥石灰石原料紧缺的瓶颈问题,因此,粉煤灰基地聚合物有着巨大的发展潜力。本文介绍了粉煤灰基地聚合物在国内外的研究进展
4、,为后续研究工作提供借鉴。粉煤灰基地聚合物材料的制备研究以粉煤灰为硅铝成分的主要来源,制备地聚合物材料,前人将研究重点放在探讨激发剂的种类和掺量、养护制度等工艺参数对材料性能的影响上。在地聚合物材料研究中,常用的激发剂主要有三类:碱性激发剂、酸性激发剂及复合激发剂。目前普遍认为水玻璃与碱的复合激发剂的激发效果最好。在聚合过程中碱性激发剂的作用至关重要,与只用氢氧化物相比,当碱液中含有可溶性的硅酸盐时,其反应速度更快。用红外原位监测法研究粉煤灰地聚合物胶凝情况也证实了NaOH 溶液中添加硅酸钠以后胶凝相形成加速。这实际上是从原材料溶解出来的Si、Al 组分与溶液中己存在的硅酸盐聚合体形成Si-O
5、-Al 和Si-O-Si-O-Al 等预聚体,这些预聚体最终聚合成胶体,胶体与未反应的固体颗粒固化形成地聚合物。预聚体浓度越大稳定性越高,地聚合物的力学性能就越好。采用傅立叶转换红外线光谱、核磁共振手段对低模数水玻璃溶液结构进行系统研究,并对不同模数水玻璃激发所获得的地聚合物的强度进行测试,结果表明:低模数水玻璃溶液中的低聚硅氧四面体基团的存在直接与固化键合反应进行的程度相关,水玻璃溶液中的低聚硅氧四面体基团浓度越高,键合反应进行得越彻底。研究中一般采用在水玻璃中加碱的方法调节水玻璃的模数与碱量,正是为了增加低聚硅氧四面体基团所占的比例。但碱的浓度过大时,Na(K)离子与阴离子产生离子对效应阻
6、碍胶体的生长,还会与粉煤灰颗粒表面的Si-O-和Al-O-结构中的O 原子结合使其“钝化”,导致地聚合物胶体与粉煤灰颗粒间难以形成化学键,从而导致抗压强度下降。所以,作为激发剂的水玻璃需要适宜的模数与碱度才能发挥最大的激发效果。同时,在高浓度的碱溶液中需要大量的水分子去和碱金属离子形成水合离子,自由移动的水分子减少,浆体变稠,从粉煤灰颗粒表面溶出的硅酸盐单体、铝酸盐单体表观浓度上升,因而这些单体会迅速聚合,使得凝结时间缩短。另外,针对钠、钾水玻璃与碱的激发效果也有学者进行了研究。通过X 射线衍射分析、扫描电子显微镜、傅立叶转换红外线光谱、核磁共振以及离子溶出试验等手段研究了钾水玻璃与钠水玻璃作
7、为激发剂激发粉煤灰的效果,结果发现钠盐促进六价铝盐的生成,而钾盐促进三价铝盐的生成并进一步影响聚合反应,以钾水玻璃激发制备的地聚合物的早期强度更高,而在钠水玻璃激发过程中,原料中的硅、铝能更好的溶出。养护制度是影响合成地聚合物材料强度的重要因素。许多研究表明,适当提高养护温度可以大幅提高地聚合物早期强度,但在养护时间上研究者的看法存在分歧,一般认为,早期(08小时)的高温养护是十分重要的,增强效果也最明显,824小时内的强度增长缓慢。另有研究发现在24小时后高温养护仍可较大幅度的提高强度,但有试验结果表明在养护(70,标养)初期的24小时内,有利于样品抗压强度增加,继续养护48小时却使抗压强度
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