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第 52 卷第 8 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.8 2023 年 8 月 Liaoning Chemical Industry August，2023 收稿日期收稿日期：2022-12-22 作者简介作者简介：张鹏（2001-），男，硕士，四川省南充市人，在读硕士，研究方向：固体废弃物资源化利用。通信作者通信作者：尹春林（1981-），男，副高，硕士，研究方向：铬盐生产及工业废弃物资源化利用。张运菊（1981-），女，副研究员，博士，研究方向：材料设计方面量子计算及工业废弃物资源化利用。氧化钙对含丙纶地聚物性能影响及微观研究 张鹏1,2，尹春林2*，谢友才2，袁小超2，马露1,2，张运菊1*（1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川 绵阳 621000;2.四川银河化学股份有限公司，四川 绵阳 622656）摘 要：探究了氧化钙对含丙纶-粉煤灰基地质聚合物性能的影响。实验结果表明氧化钙可以提升前期地聚物的抗折强度，同时会抑制前期的抗压强度，适量的氧化钙对后期的抗压强度有明显提升作用，7 d 抗压强度为 17.9 MPa，提升了 14.28%，SEM 显示生成了规则的稳定结构。焙烧后的粉煤灰可提升前期抗折强度为 5.9 MPa，提升了 51.28%。但会损失抗压强度，说明生成了更多加韧性的钙化物质，该物质过多，同时会降低样品的抗压强度。关 键 词：地聚物；氧化钙；粉煤灰；丙纶；微观结构 中图分类号：TQ174.9 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）08-1136-03 地质聚合物是将富含硅、铝、氧等天然或工业废弃矿渣在碱激发剂作用下，发生溶解、扩散、缩聚、硬化四个过程后，形成三维网状分子结构的地质聚合物1-4。地质聚合物因其制备简单，不需像水泥一样高温焙烧，产生的二氧化碳为水泥的 30%，是替代部分水泥使用的理想材料，也被称为 21 世纪绿色胶凝材料5-6。粉煤灰、矿渣因含有大量的二氧化硅、氧化铝是制备地质聚合物的理想原料7-9。粉煤灰地质聚合物具有抗压强度高、抗折强度低、前期硬化强度低，后期强度大幅提升的特点10-11。已有相关论证粉煤灰、矿渣提升水泥耐久性及性能的实验12-13。丙纶通常在混凝土中使用，以提升混凝土的韧性，Wei14、Aulia15、史贺16实验证明丙纶能显著提升劈裂抗拉强度。薛航17、徐德儒18认为硅粉也能提升其抗折性能。氧化钙具有提高粉煤灰活性从而改善微观结构的作用。综上所述，本研究向含丙纶地质聚合物中添加氧化钙，在标准养护下测试试样 3 d、7 d 下不同龄期的抗折、抗压强度，结合电镜（SEM），探究添加氧化钙对含丙纶地质聚合物的影响。为探究氧化钙对地质聚合物微观结构的影响，提供了技术参考。1 试验部分 1.1 原料和仪器设备 矿渣、粉煤灰、水玻璃、硅粉、Al2O3、氢氧化钠、氧化钙由四川某化工厂提供；铬渣及粉煤灰含量如表 1。表 1 铬渣、粉煤灰的化学组成 Material Mass fraction/%Al2O3 SiO2 MgO Cr2O3 CaO Fe2O3 Chromium-Slag 22.66 1.4 14.05 7.3 1.28 32.63 Fly-ash 21.34 12.41 3.37 0 3.04 4.25 模具采用胶砂三联试模；搅拌器采用行星式水泥胶砂搅拌机；养护箱采用 SHBY-40B 型标准恒温恒湿养护箱；实震台采用 ZS-15 水泥胶砂震实台；抗折强度试验采用 DKZ-5000 型水泥电动抗折试验机；抗压强度试验采用 YAW-300B 型水泥抗压检测机；测 试 总 铬 含 量 仪 器 紫 外 分 光 光 度 计TU-1810SPC，SEM 测试 ZEISS Sigma300。1.2 粉煤灰 SEM 将粉煤灰放置于 800 烧结 4 h 得到烧结粉煤灰，烧结与未烧结粉煤灰粒径为 130 m，其微观形态呈现出大小不一、形状无规则。这是由于燃煤过程中经高温后产生的细小粉煤灰，在高温下为液相，因表面张力的作用显现出球形，有的因其粘结形成了较大颗粒，其内部仍是液相，在冷却时，流出而呈现出多孔状态。未烧结粉煤灰大颗粒较多，烧结将粉煤灰中剩余炭渣再次进行燃烧，得到了更多细小颗粒。如图 1 所示。1.3 配合比与试样制备 将碱激发剂配置成模数为 1.6 的水玻璃，静置24 h 后，按表 2 配比进行配置原料 5 组，并均匀搅拌 2 min，后加入水玻璃和水灰比未 0.19 的水量，搅拌 4 min，搅拌完成后，把浆料倒入三联模第52卷第8期 张鹏，等：氧化钙对含丙纶地聚物性能影响及微观研究 1137 具中，并放入实震台震平，刮去多余浆料。再将其放入湿度为904%温度为23 的恒温箱中养护24 h 后脱模，再将试块放置于温度为 20 的水浴池中养护 2 d，后取出自然干燥，对试块 3 d、7 d的强度进行测试。a-未烧结粉煤灰（2.0k）b-烧结后粉煤灰（2.0k）图 1 粉煤灰 SEM 图 参照 GB/T 176711999 水泥胶砂力学性能测试规范对 5 组试件进行力学性能测试，采集 3 d、7 d 试块强度，并对样品进行 SEM 测试。表 2 配合比 编号 Si/Al Si-Al/%模数 纤维含 量/%粉煤 灰/g 铬渣/g CaO/g A0 2 31.4 1.6 1.2 200 100 0 A1 2 31.4 1.6 1.2 200 100 50 A2 2 31.4 1.6 1.2 200 100 100 A3 2 31.4 1.6 1.2 200 100 150 S4 2 31.4 1.6 1.2 200 100 100 2 结果与讨论 2.1 抗折强度 随着氧化钙含量的增加，样品的 3 d 抗折强度呈现出逐渐上升后平稳趋势，对照组 A0 抗折强度为3.1 MPa 相比,实验组 A1、A2、A3 抗折强度分别提升了 12.9%、38.7%、41.9%，对照组 A0 的 7 d 抗折强度为 3.9 MPa，相较实验组 A1、A2、A3 抗折强度提升了 7%、19.2%、22%。焙烧粉煤灰 S1 组与A2 组相较，抗折强度提升了 27.9%、34%，在抗折任然表现出最佳性能，说明焙烧后粉煤灰能更好的溶出硅铝元素，极大的提升聚合物抗折性能，呈现正面影响。37 d 抗折强度 A0 提升了 25.8%，其他组抗折强度提升了 2%7%，说明添加氧化钙后可提高聚合物初始抗折强度，说明前期生成了某种含钙短链抗折性的物质，加快抗折性能达到最高值。图 2 抗折强度对比 2.2 抗压强度 添加氧化钙后，实验组 A1、A2、A3、S1 的 3 d抗压强度呈现出下降趋势，抗压强度在 9.311.3 MPa，与对照组 3 d 抗压强度相比都不同程度的降低了 20.4%34.5%，说明添加氧化钙后，对聚合物的整体抗压强度有明显的抑制作用。7 d 后，对照组A0 抗压强度提升了 8%，添加氧化钙组别后期抗压强度都不同程度的得到了大幅度提升，与对照组差距变小。尤其是添加氧化钙 50 g 的 A1 组别，提升了 92%，比对照组还高了 2.5 MPa。说明氧化钙对前期聚合物的聚合作用抑制明显减小，少量的氧化钙能促进后期聚合物的聚合过程，过量氧化钙任然会抑制聚合过程。焙烧粉煤灰 S1 组与 A2 组相较，说明焙烧后对聚合物的抗压强度呈负向影响。图 3 抗压强度对比 2.3 SEM 测试结果 分别对 A0、A1、A2、A3、S1 样品进行微观分析，从图 4 中可以看出，a 组中正在不断溶解硅、铝物质；b、c、d、e 组中添加 CaO 后，使 Si-O-Al体系成分复杂化，且表面都生成了规则的晶体结构；少量的 CaO 促进聚合过程生成了规则的物质，使其后期抗压强度得到大幅度提升；随着 CaO 含量不断1138 辽 宁 化 工 2023 年 8 月 的增加，溶解的物质不断的各自成团聚集，使表面表现出裂痕或多孔，导致抗压强度下降；焙烧后的粉煤灰 e 组与未焙烧 c 组相较，e 组聚合物裂痕少、结合更为紧密，从而提高了抗折强度。a-A0 组（10.0k）；b-A1 组（10.0k）；c-A2 组（10.0k）；d-A3 组（10.0k）；e-S1 组（10.0k）图 4 各样品 SEM 照片 3 结 论 1）添加氧化钙可使样品早期抗折强度快速提升、抗压强度会受到明显抑制，后期样品的抗折强度变化不大、抗压强度明显回升，少量氧化钙还有利于后期抗压强度的提升，为 17.9 MPa，SEM 看出结构上生成了规则的晶体。2）焙烧后的粉煤灰 7 d 抗折强度达到了 5.9 MPa，抗压强度为 12.7 MPa，说明有利于生成更多增加韧性的短链抗折性钙化物质，但生成这种物质过多，会影响样品的抗压强度。参考文献：1 SINGH B,ISHWARYA G,GUPTA M,et al.Geopolymer concrete:A review of some recent developmentsJ.Construction and building materials,2015,85:78-90.2 DUCMAN 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calcium oxide could improve the flexural strength of the early geopolymer,while inhibit the early compressive strength.An appropriate amount of calcium oxide could significantly improve the later compressive strength.The 7-day compressive strength was 17.9 MPa,increased by 14.28%.SEM showed that regular crystals were formed.The early flexural strength of calcined fly ash could be increased to 5.9 MPa,which was 51.28%higher.However,the compressive strength was lost,which indicated that more ductile calcified materials were generated,which affected the compressive strength of the sample at the same time.Key words:Geopolymer;Calcium oxide;Fly ash;Polypropylene fiber;Microstructure