第27卷第1期2012年3月测绘与空间地理信息
湖南科技大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University of Science＆Technology（Natural Science Edition）
Vol．27No．1
忏悔录奥古斯丁
Mar．2012
彭美勋，王正红，蒋建宏，张欣，申少华
（湖南科技大学化学化工学院，湖南湘潭411201）
摘要：应用正交实验方法，利用扫描电镜与X射线衍射手段研究了粉煤灰基土聚水泥的制备条件与微观结构．研究表明：Na2O为粉煤灰加量的9．8% 10．6%、模数1．0 1．5是制备此种粉煤灰基土聚水泥合适的配方条件．在胶砂流动性可保证振动密实的前提下，降低砂浆的水固比可以提高制品的强度．在优化条件下制备出28d抗压强度达64．4MPa的土聚水泥胶砂．常温密闭保湿养护是比常温自然 养护更合适的养护方式，前者可使试块的后期强度持续明显增长．粉煤灰基土聚水泥凝胶为非结晶相，与石英集料的结合紧密，这有助于得到良好的力学性能．
关键词：粉煤灰；土聚水泥；制备；养护；微结构
中图分类号：TQ172．1；TB321文献标识码：A文章编号：1672－9102（2012）01－0112－04
由于硅酸盐水泥存在物耗高、环境污染和碳排放严重、耐久性、耐腐蚀性及耐高温性不尽人意等不足，科学家正在研制新型的硅铝质无机胶凝材料———土聚水泥［1］．大量工业废渣如钢渣［2］、矿渣［3］与粉煤灰等均可用来制备碱激发的土聚水泥．其中粉煤灰基土聚水泥能弥补硅酸盐水泥的不足，且有更高的强度，而其成本相对较低，又能消化工业废料，很有发展前景，成为研究的热点［4－9］．然而，从这些文献也可看出，作为一种以工业废渣为主要原料的新型胶凝材料，其制备方法的影响因素较多，且相应的影响规律及其机理仍存较多争议．本文对粉煤灰基土聚水泥的制备因素与微结构进行了研究． 1实验和检测
1．1实验原料
主要实验原料：①氟硅酸钠，分析纯；②湘潭电厂的Ⅰ级粉煤灰，其化学成分见表1，粒度分布为：小
于0．076mm者占98．6%，0．150 0．076mm者占1.4%；③清洁的河砂，其粒级分布见表2；④焦作化电集团红津化工有限公司红三津牌片碱，NaOH＞96%，符合GB209－93、⑤工业水玻璃（模数：3 3.4、SiO
2
含量：22% 27%、Na2O含量：8% 9%、比重：1．36g/cm3）．
表1粉煤灰化学成分分析结果※
Tab．1The chemical component of fly ash
※检测者：湖南矿产测试利用研究所，检测标准：DZG20．01－1991
表2实验用砂粒径分布
Tab．2Size distribution of the sand in test
211收稿日期：2011－09－24
千疮百孔的心基金项目：煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助
通信作者：彭美勋（1966－），男，湖南双峰人，博士，副教授，主要从事固体废物资源化利用与新型无机胶凝材料研究．E－mail：orally@ 163．com
1．2实验和检测
参考GB177－1999水泥强度实验方法制备土聚水泥胶砂．将烧碱按比例溶于干净的自来水中，然后将水玻璃、氟硅酸钠溶入烧碱溶液中配成碱性激发液，氟硅酸钠的掺入质量为水玻璃的1．5%．待固体充分溶解且液相降温至常温后按照配料要求将粉煤灰、河砂先后加入搅拌中的液相中，其中每个实验中河砂的掺量固定为1350g，粉煤灰加量为450g．搅拌用无锡建仪仪器厂JJ－5型水泥胶砂搅拌机拌
和约2 3min，然后将拌和料加入40mmˑ40mm ˑ160mm三联水泥胶砂试模中，振动密实成型．考虑到粉煤灰基土聚水泥在环境温度下的反应性很低［10］，砂浆连试模一起于60ħ下用塑料袋密封静置24h后脱模编号．将脱模后的高模数系列（F1）试块在常温下空气中静置，低模数系列（F2）试块继续用塑料袋密封保湿于常温下静置．从充模算起，在无锡市中科建材仪器有限公司SYE－600型压力试验机上分别检测每个条件实验试块不同龄期的抗压强度．
2结果与讨论
2．1粉煤灰基土聚水泥制备工艺的正交实验优化选择由激发剂换算得到的Na2O/粉煤灰的质量比（碱固比）、激发剂模数及激发剂中的水份/粉煤灰（水固比）3个因素为因子进行正交实验．首先用较高模数激发剂进行F1系列正交实验，在此基础上进行低模数激发剂条件下的F2系列正交实验．实验结果和正交分析分别见表3与表4．
表3高模数激发剂正交实验数据分析
Tab．3Data analysis for results of the orthogonal tests with the activator of high modulus
试块编号碱固质量比激发剂模数水固质量比7d抗压强度（MPa）/28d抗压强度（MPa）F1－10．0701．20．4121．9/25
F1－20．0841．50．4531．9/34．5
F1－30．0981．80．4920．6/23．6
F1－40．0701．50．498．1/9．1
F1－50．0841．80．4128．8/30．4
F1－60．0981．20．4540/36．9
F1－70．0701．80．4520/19．2
F1－80．0841．20．4922．5/22．9
F1－90．0981．50．4147．5/43．2
k（1，j）k（2，j）k（3，j）Range
16．7/17．8
27．7/29．3
36．0/34．6
19．3/16．8
28．1/28．2
29．2/28．9
23．1/24．4
6．1/4．5
32．7/32．8
30．6/30．2
17．1/18．5
15．6/14．3
Optimized factors：A3B2C1
表4低模数激发剂正交实验数据分析
Tab．4Data analysis for results of the orthogonal tests with the activator of low modulus
试块编号碱固质量比激发剂模数水固质量比7d抗压强度（MPa）/28d抗压强度（MPa）F2－10．0780．60．3812．0/16．3
F2－20．0920．80．4122．5/22．0
F2－30．1061．00．4535．7/64．4
F2－40．0780．80．4526．9/24．0
F2－50．0921．00．3812．3/52．0
F2－60．1060．60．4128．1/36．7
F2－70．0781．00．415．6/7．6
F2－80．0920．60．451．6/17．2
F2－90．1060．80．3813．5/27．8
k（1，j）k（2，j）k（3，j）Range
14．8/16
12．0/30．4称谓语
民间慈善25．8/43．0
25．8/27
13．9/23．4
21．0/24．6
17．9/41．3
7．1/17．9
12．6/32．04
18．7/22．1
21．4/35．2
8．8/12．9
Optimized factors for7day strength：
A3B2C3
Optimized factors for28day strength：
A3B3C3
311
由表3可见，对高模数激发剂激发的粉煤灰基土聚水泥，无论是对于试块的7d强度还是28d强度，由正交实验数据分析得出的优化工艺条件均是：碱固比0．098、激发剂模数1．5和水固比0．41．各因素对试块强度的影响从大到小依次为：碱固比＞水固比＞激发剂模数．由极差分析可知，激发剂模数对试块强度的影响明显小于另外2个因素，激发剂模数从1．2增大到1．5，试块的平均强度几乎无实质增长，而模数升到1．8时，试块平均强度下降明显．对低模数激发剂激发的粉煤灰基土聚水泥，由表4可知，无论是试块的7d强度还是28d强度，数
据分析得出的优化的碱固比均为0．106、水固比均为0．45；而7d强度对应的激发剂模数为0．8，28d 强度对应的最优激发剂模数1．0．由于模数从0．8增长到1．0时，试块的7d平均强度差远小于28d 平均强度差，综合考虑，1．0是最适合的优化模数．根据极差分析，显然碱固比是对试块强度影响最大的因素，而模数及水固比的影响相对较小．
总的来看，可以认为Na2O为粉煤灰加量的9．8% 10．6%、模数1．0 1．5是制备此种粉煤灰基土聚水泥合适的配方条件．在满足工作性能的前提下，适当降低砂浆的水固比可以提高制品的强度．2．2养护条件对土聚水泥抗压强度的影响图1比较了这2种养护条件下试块28d抗压强度与7d抗压强度之比．F1系列实验脱模后是在常温下的自然通风条件下养护的，其28d强度与7 d强度相差不大，甚至有些试块的28d强度还略小于7天强度．F2系列试块是在密闭保湿的条件下养护的，除少数试块外，F2试块的28d强度多明显高于7d强度．文献［11］证明粉煤灰基土聚水泥在水中养护的强度发展也不如密闭养护的好．说明在空气中保湿养护是适合土聚水泥的养护方式．与在水中养护可能降低聚合反应所需要的碱度不同，自然养护时由于试块中的水分因蒸发流失，土聚水泥聚合反应时反应物质扩散所需的溶液环境丧失，妨碍聚合反应进行，最终影响试块的强度发展．在密闭保湿养护条件下，F2－3的28d抗压强度达到64．4 MPa，大于国标规定的42．5级普通硅酸盐水泥的最低强度（42．5MPa）．
2．3粉煤灰基土聚水泥的微结构研究
扫描电镜（SEM）显示（见图2），粉煤灰基土聚水泥胶砂中的粉煤灰玻璃微珠多溶解呈模糊似球粒状，彼此由凝胶联结，胶结体内分布密集的数微米孔径的不连通微孔，应是由不充分溶解的粉煤灰玻璃体彼此粘连围成微孔而成．凝胶与石英砂集料结合紧密，未见清晰的界面结构．众所周知，硅酸盐水泥中凝胶与集料交界处通常生成片状熟石灰和针状钙矾石晶体，使接触界面为点接触，凝胶与集料结合力
图12种养护方式的强度发展比较Fig．1Strength development comparison for2kind of curing methods
有限．电镜下的土聚水泥胶砂仅能由表面粗糙度好坏大致区分集料与凝胶．与硅酸盐水泥不同，这种凝胶与集料是以化学键紧密结合的，容易得到比硅酸盐水泥更高的胶砂强度．土聚水泥胶砂粉末X射线衍射（XRD）仅显示粉煤灰中已有的莫来石及石英衍射峰（见图3），说明该种土聚水泥中未生成任何其它新的结晶相，胶凝相为非结晶相．图谱中土聚水泥里的石英相衍射强度远较粉煤灰中的石英高，是因为胶砂中加入了石英砂集料
．
图2粉煤灰基土聚水泥胶砂的扫描电镜形貌Fig．2SEM images of fly ash based geopolymeric cements mortars A：low magnitute，B：high
magnitute
1．粉煤灰；2．土聚水泥胶砂；Q．石英；M．莫来石图3粉煤灰及以其制备的土聚水泥胶砂的XRD谱
Fig．3XRD patterns of fly ash and the mortar of geopolymeric cements made from it
411
3结论
应用正交实验优化了粉煤灰基土聚水泥的制备工艺条件，并对其微结构进行研究．结果表明：1）Na
2
O为粉煤灰加量的9．8% 10．6%、模数1．0 1．5是制备此种粉煤灰基土聚水泥合适的配方条件．在满足工作性能的前提下，适当降低砂浆的水固比可以提高制品的强度．在优化条件下制备出28d抗压强度达64．4MPa的土聚水泥胶砂．2）常温密闭保湿养护是粉煤灰基土聚水泥合适的养护方式．经过60ħ蒸养1d的试块，在常温下自然养护时7d强度增长正常，但后期强度增长受到限制；蒸养后在密闭保水的条件下养护，则其后期强度持续增长．
3）粉煤灰基土聚水泥凝胶为非结晶相，与石英集料呈化学键紧密，从而表现出良好的力学性能．参考文献：
［1］Van Jaarsveld J G S，Van Deventer J S J，Loren－Zen L．The potential use of geopolymeric
materials to immobolise toxic metals：Part I．Theory and applications［J］．Mineral Engineering，1997（10）：659－669．
［2］彭美勋，张欣，古一．钢渣基土聚水泥的抗压强度研究［J］．湖南科技大学学报（自然科学版），2009，24（4）：122－128．
Peng M X，Zhang X，Gu Y．Study on compressive strength of steel slag based geopolymeric cements［J］．Journal of Hunan University of Scicece and Technology（Natural Science Edition），2009，24（4）：122－128．［3］Lecomte I，Henrist C，Liegeois M，et al．（Micro）－structural comparison between geopolymers，alkali－activated slag cement and Portland cement［J］．Journal of the European Ceramic Society，2006 26：3789－3797．
［4］Criado M，Palomo A，Fernandez－Jimenez A．Alkali activation of fly ashes．Part1：Effect of curing conditions on the carbonation of the reaction products［J］．Fuel，2005，84：2048－2054．
［5］Fernandez－Jimenez A，Palomo A．Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder：Effect of the activator［J］．Cement and Concrete Research，2005，35：1984－1992．
［6］Bakharev T．Thermal behaviour of geopolymers prepared using class
F fly ash and elevated temperature curing［J］．Cement and Concrete
Research，2006，36：1134－1147．
［7］Chindaprasirt P，Chareerat T，Sirivivatnanon V．Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer［J］．Cement＆Concrete Composites，2007（29）：224－229．
［8］Andini S，Cioffi R，Colangelo F，et al．Coal fly ash as raw material for the manufacture of geopolymer－based products［J］．Waste Management，2008（28）：416－423．
［9］Hou Y F，Wang D M，Zhou W J，et al．Effect of Activator and Curing Mode on Fly Ash－based geopolymers［J］．Journal of Wuhan University of Technolotgy－Materials Science Edition，2009，24（5）：711－715．
［10］Palomo A，Grutzeck M W，Blanco M T．Alkali－activated fly ashes．A cement for the future［J］．Cement and Concrete Research，1999（29）：1323－1329．
［11］彭美勋，张欣，林辉文．利用钢渣和粉煤灰制备常温养护土聚水泥的实验研究［J］．硅酸盐通报，2009，28（3）：516－520．
Peng M X，Zhang X，Lin H W．Preparation of geopolymeric cement curing at normal temperature based on fly ash and steel slag：experimental study［J］．Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2009，28（3）：516－520．
Study on fabrication and microstructures of fly
ash based geopolymeric cements
PENG Mei－xun，WANG Zheng－hong，JIANG Jian－hong，ZHANG Xin，SHEN Shao－hua
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan411201，China）
浓盐酸Abstract：Orthogonal experiments were applied to study the fabrication of fly ash based geopolymeric cements，of which the microstructures were characterized with SEM and XRD methods．It is proved that the proper fabrication factors for the fly ash based geopolymeric cements include Na
2
O content9．8% 10．6%and activator modulus1.0 1．5．Provided the pastes can be densified by vibrating，the decrease of water content elevates the compressive strength of the geopolymeric cement mortars and the compressive strength of the mortar fabricated with optimized factors reaches64．4MPa．Curing at ambient temperature in close wet circumstance was better than in open circumstance for the cements to develop the mechanical strength in the late period uninterruptedly．The gels of the fly ash based geopolymeric cements show amorphous microstructures，which agglomerate quartz aggregates closely and contribute to the mechanical performances．
Key words：fly ash；geopolymeric cement；fabrication；cure；microstructure
511
