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1、摘 要在高度发展的时代，能源与资源一直都是各个研究领域的重点考虑因素。建筑业中的水泥很难找到替代品，同时满足高强度、轻质、低热导等优良性能，并能投入到大规模的生产中并且既能实现环境友好又经济实惠、可持续发展。本研究主要目的在于优化地质聚合物发泡保温材料的制备，制作出具有优良建材性能的材料，通过确定胶凝材料、发泡剂的含量和比例并调整稳泡剂中硬脂酸钙和机油的掺量，矿渣与粉煤灰的比例为1:3，过氧化氢发泡剂添加量为6%，硬脂酸钙和机油的掺量从0至7%选取六个量分别测试不同配比下材料的容重、孔隙率、抗压强度和抗折性，对比其微观形貌。此过程中只有少量碳排放，且所用主要原料矿渣和粉煤灰均为工业固体废弃物，
2、应用待处理的固废制造出替代水泥的新型建材削弱了其对环境负面的影响。矿渣粉煤灰基地聚物中添加机油作为表面活性剂，添加硬脂酸钙，使气泡外膜弹性升高，在一定范围内增强材料的抗压性和抗折性。实验结果表明，当地聚物中添加2%的硬脂酸钙和 的机油时，综合性能最优，最适合用来进行建筑材料的制备。关键词：矿渣；粉煤灰；地质聚合物；硬脂酸钙；机油ABSTRACTIn the era of high development, energy and resources have always been a key consideration in various research fields. Cement in
3、 the construction industry it is hard to find a substitute, at the same time satisfy the high strength, light weight, low thermal conductivity and other excellent properties, and can be put into mass production, and both can realize the environment friendly and economical and practical, sustainable
4、development. Main purpose of this study is to optimize the preparation of geological polymer foam insulation materials, make a good performance of materials, building materials through the determination of gel materials, foaming agent content and proportion and adjust the stabilizing agent of calciu
5、m stearate and oil content, ratio of 1:3 of slag and fly ash, hydrogen peroxide foaming agent content is 6%, calcium stearate and oil content from 0 to 7% respectively selected six quantity test materials under different ratio of bulk density, porosity, compressive strength and folding resistance, c
6、ompared with its microstructure. This is only a small amount of carbon emissions in the process, and the main raw material, slag and fly ash are used in industrial solid waste, solid waste of application to be processed create new building materials to replace cement to weaken its negative impact on
7、 the environment. The addition of oil as surfactant and calcium stearate to increase the elasticity of the outer membrane in the slag fly ash base polymer, and enhance the compressive and anti-fold properties of the materials in a certain range. The experimental results show that the combined perfor
8、mance is the best when adding 2% of calcium stearate and oil in the local polymer, which is suitable for the preparation of building materials.Keywords：slag；flyash；geologic polymer；calcium stearate；mineral oil1 绪论1.1 引言1.1.1 矿渣基粉煤灰地聚物地质聚合物的概念是由法国科学家Davidovits在1978年首次提出的。在高碱性溶液的激发下，含硅（Si）和铝（Al）的无机材料（
9、如烧结土等）在一定条件下反应制备成优良性能优良的无机凝胶材料，即地质聚合物。从微观上看，地质聚合物是通过缩聚反应使四面体结构的SiO44-和AlO45-在单体聚合反应下生成一种无机聚合物，其结构具有无定形态的硅铝网状结构的特性1。地质聚合物的用途非常广泛，由于其具有优良的机械性能、快凝性以及耐高温性和耐酸碱性，常常在航空航天、土木工程、建筑装饰中有广泛的应用。近年来，由于矿渣和粉煤灰无定形的硅铝结构含量较高，经常用来替代水泥充当制备地聚物的胶凝材料，尤其在人们发现用矿渣和粉煤灰为原料制备的地聚物具有广阔的应用前景之后，其反应机理和产品性能优化得到了更加广泛的研究。在粉煤灰地聚物中添加矿渣，利用
10、矿渣早期高活性2改变了地聚物的微观结构，也改变了浆体的流变性，使其抗压强度得到了提高的同时也缩短了凝结时间。而矿渣和粉煤灰作为比较有代表性的固体废弃物，其存在本身是有害于生态环境的，对空气和耕地面积等都有巨大的影响，处理固废也存在巨大的经济浪费问题，因此若能有效利用二者，使其被二次有效利用，制备出具有更优良特性的发泡保温材料应用于建材，对人类可持续发展将会有巨大贡献3。1.1.2 地聚物的制备矿渣-粉煤灰基地质聚合物的制备分为两个步骤，首先要制备碱激发剂，接下来是制备凝胶材料。所用的原料包括碱激发剂和富含硅铝成分的粉体。随着研究的逐渐深入，粉体原料已经从最初的高活性偏高岭土扩展到同样含有高硅铝
11、的粉煤灰，矿渣和钢渣等工业流程中的副产物3。最早应用的粉体偏高岭土是高温处理后处于稳介状态的高岭土，但是由于原料成本太高，无法投入到大规模的生产，矿渣和粉煤灰等固废作为替代使其得以有更为广阔的前景。激发剂配制原料一般以氢氧化钠和水玻璃为主。激发剂可以激发粉体潜在的火山灰性，使其得以释放，为反应提供促进原料解体的强碱环境并且作为催化剂缩短反应时间，还能够作为反应物促进生成三维网络凝胶结构，因此激发剂的选择与调整对于整个实验尤为重要4。1.1.3地聚物形成的反应机理研究表明，矿渣-粉煤灰地聚物的形成主要分为三个阶段：由单体转化为中间体，然后生成三维网状的凝胶体系。粉煤灰颗粒的整体形貌是杂乱无章的5
12、。在粉煤灰中，硅、铝元素作为粉煤灰活性大的主要来源，主要存在形式是无定形硅酸盐；钙元素以无定形态、晶体和游离氧化钙的形式存在；而铁元素主要以三氧化二铁的形式存在。加入激发剂后，一部分钙离子与激发剂中的羟基结合，又遇到空气中的二氧化，形成碳酸钙，最终和另一部分的钙离子都会形成无定型的凝胶状产物，并随着条件的变化和时间的推进转成为结晶的沸石相6。Davidovits以高岭土和氢氧化钠为主要原料，研究了相关反应机理，他认为偏高岭土在强碱环境中，硅、铝氧化物共价键断裂，与羟基形成不稳定的氢键因而脱水缩合生成单体聚合物，进一步进行缩聚反应，最终形成高分子7。1.2 地聚物国内外发展研究现状1.2.1国内
13、外发展的动态水平5地聚物的前身是由法国教授Davidovits于1972年首次提出的1。他用碱激活剂与高岭土反应，制备出有水泥特性的建筑材料。相对来讲，尽管地聚物的微观结构复杂导致其宏观具有不确定性，国外更早的开始了对地聚物的研究并且不断有新的进展，而国内对地聚物的探索主要针对其制备条件等理论阶段，高岭土、粉煤灰、矿渣等含有硅铝的原料和碱性激发剂在地聚物的合成中是必不可少的。由于原料的组成和含量硅铝等成分在不同的地区存在很大的差异，关于地聚物的研究在各个国家也不断的有新的突破。地聚物在胶凝材料和碱激发剂配比不同的状况下会呈现出不同的性能。2001年在研究矿渣-碱混合体系中各原料协同作用效果时，
14、李永德发现碱激发剂中含有多种不同的碱性成分的激发效果要优于单独作用。激发剂同时有催化剂的作用，此反应常温下即可进行，不需要给予高温，也因此实验可以更加自由的添加其他原料进行性能优化，不仅节能环保，而且不必考虑高温副反应等问题【8】。王敏【9】讨论了地聚物的合成过程的四个阶段：硅铝氧化物发生键的断裂成为低聚四面体；四面体在块体内部发生扩散；生成 凝胶状态的硅铝化合物；脱水固化，生成高强度固体。墨尔本大学的Van Deventer小组在研究地聚物对有毒物质的固定的同时也在开发工业废气在地聚物制备中的用途。国内的孙伟教授和港科大的李宗津教授对地聚物反应机理、制备工艺和宏观特性等方面进行了十余年的跟进
15、研究，得到了国家科学与技术基金的资金支撑【10】。Morsy研究了复合激发对粉煤灰地质聚合物强度和微观结构的影响，实验选用模数分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5的五种激发剂，发现当激发剂模数为1.0，养护温度为80时产物强度最高且孔隙结构最均匀，最高强度为65MPa【11】。Jimenez通过对不同种类激发剂对矿渣地质聚合物的抗压、抗折强度的影响，发现以水玻璃与NaOH混合激发剂产物强度最高，其它影响强度的因素包括激发剂浓度、养护温度以及矿渣粒度【12】。Kim认为地聚物可分为无机和有机两大类，而少量的有机物扩散于大量的无机物中时，有机物的量对材料的强度性能有重要的影响【13】。Yi
16、p发现弱碱环境中原料中的硅铝成分溶解与钙共同反应生成C-S-H与N-A-S-H共存的凝胶结构，但在弱碱环境中硅铝成分主要生成N-A-S-H，只有少量C-S-H生成此时钙的存在对反应产物的性能影响不大【14】。Ismail在地质聚合物反应过程中矿渣与粉煤灰的产物并不是单独存在或者简单叠加能够明显区分的，而是互相交联形成复杂的复合相，其中既有C-S-H及N-A-S-H也有更加复杂的N-C-A-S-H【15】。Lee发现矿渣掺量的增加对反应产物的结构有巨大影响，通过红外、能谱和核磁测试可以发现低矿渣掺量反应产物主要是N-A-S-H和C-(N)-A-S-H高矿渣掺量反应产物主要是C-(N)-A-S-H，随矿渣掺量的增加产物由以立体结构为主转变为以链状结构为主【16】。1.2.2 目前存在的主要问题现阶段地聚物是一种制作工艺环保、节能且应用广泛、性能优异的材料与水泥相比，其早强快硬性能和对高温的耐受性、耐腐蚀性更加突出。用地聚物
