偏高岭土基地质聚合物的力学性能试验与分析

■梁腾杭

（福建省高速公路达通检测有限公司，福州 350108）

地质聚合物由于具有良好力学特性、 耐久性好、能够固封重金属离子等优良特性，而被广泛运用于工程实践中。 相比于水泥，地质聚合物由于无需烧制工序即可生产得到，使得地质聚合物的生产耗能较水泥要低，耗能减少量达10%以上，这也说明地质聚合物在交通工程的运用满足中国的 “双碳”战略要求。 结合中国的地域分布特征可知，中国储量丰富的地质聚合物原料主要是高岭土，研究学者目前主要以高岭土为原料，进行地质聚合物的研究和发展。 薛彩红等[1]采用试验方法，研究了水玻璃对偏高岭土基地质聚合物材料性能的影响，结果表明样品体积和抗压强度与水玻璃模数成非线性关系。 刘瑞平等[2]通过制备粉煤灰—偏高岭土基地质聚合物发泡材料，对比分析了双氧水、铝粉和过硼酸钠3 种发泡剂对地质聚合物的影响，得出双氧水的发泡性能最优。 崔潮等[3]将偏高岭土基地质聚合物作为粘结剂运用于结构加固中，并分析了温度升高情况下地质聚合物粘结性能的变化规律。 仇秀梅等[4]研究了地质聚合物对不同侵蚀条件的敏感性，结果表明偏高岭土基地质聚合物的耐久性劣于粉煤灰基地质聚合物。 综上所述，地质聚合物具有较多优良特性，为进一步推广地质聚合物在交通工程的运用，本文以高岭土为原料，对偏高岭土基地质聚合物的力学性能开展试验研究，分析了偏高岭土基地质聚合物的聚合反应机理，讨论了高活性偏高岭土的制备工艺，研究了配合比和养护条件对偏高岭土基地质聚合物抗压强度的影响规律。

1 聚合反应机理分析

1.1 采用酸性激发剂的反应机理

硫酸、醋酸和盐酸等酸性物质是地质聚合物常用的酸性激发剂。 根据中国现有偏高岭土成分分析结果可知，偏高岭土的主要成分是偏高岭石，化学成分大多是硅铝酸盐。 当稠度采用标准稠度，酸性激发剂采用硫酸和醋酸时，用水量需增加16 mL。 同时，地质聚合物的初凝、终凝时间与硫酸浓度呈正相关关系，而与醋酸浓度呈非线性关系，这主要是由于偏高岭土在醋酸的激发作用下，生成的水化产物不稳定，易发生二次水化，最终的凝胶状态是网络絮状。

当盐酸和硫酸共同作为激发剂时，偏高岭土在激发剂的作用下会变得松散、孔隙率增大，形成具有硫酸铝、氯化锂和硅酸等成分的混合物。 随着该混合物在酸性激发剂条件下进一步激发，不同成分之间会继续缩聚，并最终形成高分子聚合物，即地质聚合物。 虽然采用酸性激发剂能够激发偏高岭土的反应，并得到偏高岭土基地质聚合物，但是所得的地质聚合物稳定性较差，特别是当采用酸性激发原理得到偏高岭土基地质聚合物运用于酸性环境中时，基本没有水硬性，这也是目前酸性激发剂较少运用于地质聚合物聚合反应中的主要原因。

1.2 采用碱性激发剂的反应机理

氢氧化钾、碱性水玻璃和碳酸钠等碱性物质是地质聚合物常用的碱性激发剂。 与酸性激发剂相比较，采用碱性激发剂进行偏高岭土的激发，所得偏高岭土基地质聚合物具有较好的稳定性。 采用不同的碱性激发剂进行偏高岭土激发，当碱性较弱时，较难激发出偏高岭土的活性，故碳酸钠等碱性较弱的溶液激发偏高岭土活性的效率较低。 采用氢氧化钠和氢氧化钾等强碱溶液进行偏高岭土活性的激发，激发的过程中需要经过硅的离子化和硅氧化学键的断裂两个过程，二者的激发效率分别与碱性强度和水化程度呈正相关。 由于研究学者多以硅、铝的溶解度为指标，因而建议选择氢氧化钠作为碱性激发剂。

为进一步提高碱性激发剂的激发特性，采用氢氧化钠和水玻璃共同作为激发剂，通过红外光谱，对混合激发剂激发过程中产物的生产速率进行观测和分析，验证了采用氢氧化钠和水玻璃共同作为激发剂能够提高反应速率，加快地质聚合物的形成。

2 高活性偏高岭土制备主要影响因素分析

2.1 煅烧温度影响分析

现场开采的通常是高岭土， 活性一般较低，活性较高的偏高岭土通常是由高岭土经过高温煅烧后得到的。 结合现有文献可知，铝的溶出率与偏高岭土的活性呈正相关关系[4]，因而研究高温煅烧温度与煅烧时间对铝的溶出率的影响规律对制备高活性偏高岭土至关重要。 为此，本文以某地高岭土为研究背景，分析其成分，结果如下：氧化硅57.33%、氧化铝34.59%、氧化铁1.28%、其他6.8%。

为分析高温煅烧温度对所制备偏高岭土活性的影响，取同一批高岭土进行高温煅烧，不同组别煅烧温度分别取600、700、800、900、1000℃，并分析不同煅烧温度下铝的溶出率。 为了保证煅烧温度能够达到预期目标， 试验过程中采用型号为TMF-8X-10T 的高温炉对煅烧温度进行精准控制。 根据现有研究可知，铝的溶出率测定方法主要有滴定络合法和紫外分光光度计法，考虑到测定精度、使用方便和对操作者技术的要求，本试验采用滴定络合法进行高岭土铝的溶出率的测定。 当煅烧时间分别恒定为1、2、3、4、5 h 时，不同煅烧温度情况下，高岭土铝溶出率如表1、图1 所示。

表1 不同煅烧条件下铝的溶出率

图1 铝的溶出率—煅烧温度曲线

由表1 和图1 可以看出，高岭土铝的溶出率随着煅烧温度的升高先增大后减小，说明高岭土铝的溶出率与煅烧温度呈非线性关系，且该变化规律与煅烧时间无关。 由图1 还可以看出，当煅烧温度在600～800℃区间时， 煅烧温度对高岭土铝的溶出率提高程度不断减弱，而当煅烧温度在800～1000℃区间时，煅烧温度对高岭土铝的溶出率降低程度不断减弱。煅烧温度为800℃时，高岭土铝的溶出率达到峰值，因此为提高偏高岭土的活性，在进行高岭土高温煅烧时，煅烧温度宜取800℃。

2.2 煅烧时间影响分析

除了高温煅烧的温度会影响所制备偏高岭土的活性，高温煅烧时间也会影响所制备偏高岭土的活性。 取同一批高岭土，不同组别煅烧时间分别取1、2、3、4、5 h， 分别分析不同煅烧时间下铝的溶出率。 当 煅 烧 温 度 分 别 恒 定 为600、700、800、900、1000℃时，不同煅烧时间下，高岭土铝的溶出率如表1 和图2 所示。

由表1 和图2 可以看出， 当煅烧时间在1～4 h区间时，随着煅烧时间的增加，高岭土铝的溶出率不断增大，而当煅烧温度在4～5 h 区间时，高岭土铝的溶出率基本不受煅烧时间的影响，且该变化规律与煅烧恒定温度无关。 由此说明煅烧时间为4 h时，高岭土铝的溶出率达到峰值，因此为进一步提高偏高岭土的活性，在进行高岭土煅烧时，煅烧时间宜取4 h。

图2 铝的溶出率—煅烧时间曲线

3 偏高岭土基地质聚合物力学性能分析

3.1 样品制备

基于前述碱性激发剂的反应机理和高活性偏高岭土的制备方法，取100 g 采用800℃煅烧4 h 的偏高岭土为原料，采用混合碱激发剂激发。 混合碱激发剂含25 g 固体氢氧化钠、30 mL 模数为2.0 的硅酸钠、20 mL 蒸馏水。 待偏高岭土与混合碱激发剂搅拌完成，并自然降温形成偏高岭土基地质聚合物后， 将所得偏高岭土基地质聚合物浇筑至模具中。 根据文献[5]，模具选择平面尺寸为Φ50 mm，高度50 mm 的标准柱体。 养护条件为：带模具在60℃温度下养护60 min 后脱模，后续在常温条件下继续养护7、14、28 d。 偏高岭土基地质聚合物的配合比如下所示：偏高岭土100 g、固体氢氧化钠25 g、硅酸钠30 mL、蒸馏水20 mL。 标准试件如图3 所示。随后采用图4 所示加载能力为600 kN 的试验机进行偏高岭土基地质聚合物在不同龄期抗压强度的测定。

图3 标准试件

图4 微型加载设备

3.2 配合比敏感性分析

根据偏高岭土基地质聚合物的形成过程和化学成分可知，影响偏高岭土基地质聚合物的配合比主要是混合激发剂的含量和蒸馏水用量。 此外，对于混合激发剂而言，其内部激发剂以氢氧化钠为主，水玻璃主要是起辅助作用。为此，进行配合比敏感性分析时，混合激发剂以氢氧化钠含量为分析对象。

以制备的偏高岭土基地质聚合物为基准，进行其抗压强度对配合比的敏感性分析。 取同一批偏高岭土基地质聚合物进行配合比的敏感性分析。 不同组别氢氧化钠含量分别取5、15、25、35 g，分别分析不同氢氧化钠含量情况下偏高岭土基地质聚合物在7、14、28 d 龄期的抗压强度。 不同组别蒸馏水含量分别取15、20、25、30 mL，分别分析不同蒸馏水含量情况下偏高岭土基地质聚合物在7、14、28 d 龄期的抗压强度。 偏高岭土基地质聚合物的抗压强度与氢氧化钠含量和蒸馏水含量相关关系分别如表2、3所示。 为了便于分析和掌握氢氧化钠含量和蒸馏水含量对偏高岭土基地质聚合物在不同龄期抗压强度的影响也将表2、3 的结果分别绘制成图5（a）和图5（b）。

由表2 和图5（a）可以看出，偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度随着氢氧化钠含量的增大先增大后减小，说明偏高岭土基地质聚合物抗压强度与氢氧化钠含量呈非线性关系。由表2 和图5（a）还可以看出，当氢氧化钠含量为25 g 时，偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度达到峰值，且当氢氧化钠含量由5 g 增加至25 g 时，偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度提高了230.3%，由此说明当混合激发剂中的氢氧化钠含量不超过25 g 时，增加氢氧化钠含量能够显著改善偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度。

表2 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对氢氧化钠含量的敏感性

由表3 和图5（b）可以看出，当蒸馏水含量在15～35 mL 区间变化时，偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度变化幅度最大不超过16.8%，说明蒸馏水含量对偏高岭土基地质聚合物不同龄期的抗压强度的影响较小，这主要是由于蒸馏水含量的增加不仅会增大偏高岭土基地质聚合物标准试件发生坍塌的风险，而且内部过多的蒸馏水会造成蒸馏水蒸发和反应后，偏高岭土基地质聚合物标准试件内部的孔隙率增大，进而影响偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度。

图5 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对配合比的敏感性分析

表3 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对蒸馏水含量的敏感性

3.3 养护条件敏感性分析

同样以制备的偏高岭土基地质聚合物为基准，进行偏高岭土基地质聚合物抗压强度对养护条件的敏感性分析。 根据文献可知，养护条件中的关键影响因素主要是养护温度和养护时间[5]，为此本文以养护温度和养护时间作为研究对象，进行偏高岭土基地质聚合物抗压强度对养护条件的敏感性分析。 取同一批偏高岭土基地质聚合物进行养护温度的敏感性分析。 不同组别养护温度分别取40、50、60、70、80℃，分别分析不同养护温度情况下偏高岭土基地质聚合物在7、14、28 d 龄期的抗压强度。 不同组别养护时间分别取20、40、60、80、100 min，分别分析不同养护时间情况下偏高岭土基地质聚合物在7、14、28 d 龄期的抗压强度。 偏高岭土基地质聚合物的抗压强度与养护温度和养护时间相关关系分别如表4、5 所示。 为了便于分析和掌握养护温度和养护时间对偏高岭土基地质聚合物在不同龄期抗压强度的影响，也将表4、5 的结果分别绘制成图6（a）和图6（b）。

由表4 和图6（a）可以看出，偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度随着养护温度的升高先增大后减小，说明偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度与养护温度呈非线性关系，且偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度对养护温度的敏感性明显强于其在14 d 和24 d 龄期的抗压强度。 由图6 还可以看出，对于偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度， 当养护温度为70℃时，偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度达到峰值，即81.4 MPa；且当养护温度在40～70℃区间变化时，偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度变化幅度为42.3%；而当养护温度由70℃升高至80℃时， 偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度下降幅度为47.1%。 由此说明为了提高所制备偏高岭土基地质聚合物的抗压强度，养护温度宜取70℃。

图6 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对养护条件的敏感性分析

表4 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对氢氧化钠含量的敏感性

由表5 和图6（b）可以看出，虽然偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度随着养护时间的增大而增大，但是随着养护时间的增大，偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度的增长速率逐渐减慢。同时，由表5 和图6（b）还可以看出，偏高岭土基地质聚合物在7 d 龄期的抗压强度对养护时间的敏感性明显强于其在14 d 和24 d 龄期的抗压强度，这主要是由于偏高岭土基地质聚合物的化合反应周期主要集中在前期。 此外，当养护时间为80 min 时，偏高岭土基地质聚合物的抗压强度已达到其在28 d 龄期抗压强度的80.8%；而当养护时间为100 min 时，偏高岭土基地质聚合物的抗压强度为其在28 d 龄期抗压强度的81.8%。由此说明养护时间达到80 min 后，再进行偏高岭土基地质聚合物的养护，对其早期抗压强度的提高效率已经很小了。 因此，为了调高偏高岭土基地质聚合物的早期抗压强度，从养护效率角度出发，建议养护时间取80 min。

表5 偏高岭土基地质聚合物抗压强度对蒸馏水含量的敏感性

4 结论

（1）混合碱性激发剂能够快速激发偏高岭土活性，是目前较为常用的激发剂。 煅烧温度800℃，煅烧时间取4 h 时，高温煅烧高岭土所得的偏高岭土活性最好。 （2）偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压性能对氢氧化钠含量最为敏感，当氢氧化钠含量由5 g 增加至25 g 时，偏高岭土基地质聚合物在不同龄期的抗压强度提高了230.3%。 当蒸馏水用量在15～35 mL 区间变化时， 偏高岭土基地质聚合物抗压强度的变化幅度最大不超过16.8%，说明蒸馏水用量对偏高岭土基地质聚合物抗压强度的影响较小。 （3）为了提高所制备偏高岭土基地质聚合物的抗压强度，特别是偏高岭土基地质聚合物的早期抗压强度，建议养护温度宜取70℃，养护时间为80 min。