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1、基于粉煤灰轻骨料无机聚合物的新型建筑材料摘要：采用F级粉煤灰，偏高岭土及轻骨料制成了一种轻质无机聚合物。该无机材料使用少量的氢氧化钠和硅酸钠溶液来激活。研究了包括化学活化剂和各种养护条件，例如养护温度，养护时间，水分量等过程参数。测量了抗压强度，吸水率和干密度并将其与ASTM（美国混凝土规范）C90规格的进行比较。1、介绍：地质聚合物，由Davidovits教授在20世纪70年代首次制成，是一类新型三维铝硅酸盐材料。地聚物涉及在强碱性化学条件下AI-Si材料的化学反应，产生聚合的Si-O-Al-O化学键。它的化学结构可以通过以下进行说明：Mn-（Si02）z-A102nwH20,其中“M”是阳
2、离子如钾，钠或钙，“N”是一个聚合度;“Z”是1,2,或3。地质聚合物具有优良的力学性能，耐高温，以及优良的耐化学腐蚀性。利用这种优良的性能，地聚合物已成功地应用于在一些工业应用中。DaVidoVitS以由氢氧化钠（或钾）或硅酸盐钠（钾）激活的偏高岭土，作为原生料。随后，范迪温特和他的同事证实，许多其他硅铝材料，如粉煤灰，炉渣，二氧化硅烟，矿山尾矿，火山灰，高岭土，建筑残留物，一些天然矿物质，可能成为用于制造地聚合物的来源。其中，粉煤灰值得特别注意，因为它是一种源于燃煤发电的废料。在美国，2001年产生了6800万吨粉煤灰，其中大部分都是在城市生活垃圾填埋场处理，产生了环境问题。凡芬特尔等用粉
3、煤灰进行了一系列实验制作地聚合物。“由粉煤灰和偏高岭土制成的无机聚合物其7d抗压强度可达50MPao典型粉煤灰地聚合物干密度是1500至1650kg立方米。这是一个不断寻求制作具有良好的力学性能的轻质建筑材料（的过程）。轻质材料可以减少建筑物自重，为建筑物提供更好的保温隔热效果，当在工厂预制结构件时其运输和建造成本较低。使用轻骨料是制造轻质建材的最常用的方法之O空心微珠是中空的由铝硅酸盐制成的微陶瓷球，具有低密度，低收缩，由于其强大的外壳而使其具有高强度，以及优越的热稳定性。它们的低比重（0.64）和小直径，使他们成为替代砂来生产轻质混凝土的理想材料。发泡聚苯乙烯（EPS）是一种由固体聚苯乙烯
4、珠制成的重量轻，刚性塑料泡沫材料。它是超轻薄的，稳定，憎水材料.EPS已成功地用于制造轻质混凝土。EPS轻质混凝土（产品）包括预制屋面和墙面板，轻质填充块和承重砌块，以及复合地板，底基层路面和浮动海上结构的铺面材料。ASTMC140中规定了用于测试混凝土砌块及相关产品的标准试验方法，ASTMC90规定了承重混凝土砌块的性能要求。每个ASTMC90（基于净而积）的单位其最小抗压强度是13.1MPa（3个单元的平均值），个体单元为11.7MPao对于轻质的单位（干密度小于1680kgm3的），3个单位的平均最大的吸水率为288kgm3o在这项研究中，我们的目标是开发以粉煤灰和各种轻骨料为原料的轻质
5、无机建筑材料。潜在的应用可能包括替代混凝土砌块和粘土砖。评价标准包括：抗压强度，密度，吸水率（每个ASTMC90）。本文得出初步研究结果。2、实验过程：2、1材料：使用的粉煤灰为F级，由美国电力能源服务公司提供，其化学成分列于表1中。偏高岭土（MetaMax牌）由Engelhard公司提供。实验室级氢氧化钠（NaOH）由FisherScientific提供。硅酸钠溶液（重量比率SiO2Na2O=0.5,Wt%SiO2=37%）从韦恩州立大学（WayneStateUniVerSity）的化工商店得到。这种研究使用两种轻骨料：空心微珠和聚苯乙烯珠。空心球轻巧聚合是中空的球体形状，从球面服务公司获得
6、，与直径为300微米，密度为640kgm3oEPS塑料珠是由arvron公司制造，直径1至3毫米，密度25kg立方米。2、2.样品准备工作：在这项研究中，有两个标准配比组成（”A号【I“B”）示于表2,每一个对应了两种类型中的一种轻质骨料类型。这些标准配比组成取决于预先的配合比。轻骨料体积分数保持大致相同，取决于两种轻骨料的密度不同。第三种组分不加骨料，列于表二中的C作为对照。调整含水量以使所有组合物具有同样的和易性。激活粉煤灰需要强碱性溶液。因此，该解决方案首先制备强碱性溶液，通过混合NaoH和硅酸钠溶液。这是放热过程，温度迅速上升至约90,然后将溶液储存在空气中，直到它完全冷却至室温。粉煤
7、灰，偏高岭土，及轻骨料在干燥条件下混和10分钟，然后加入碱性溶液。将混合物再进一步混合10分钟，紧接着置于50.8毫米的立方体模具中。该样本在室温下固化24小时后脱模。脱模后，每个试样在各种控制条件下养护。养护条件包括加热，湿度和养护时间。湿度养护的实现通过将试样用塑料薄膜密封，以防止水分流失特别是在高温养护过程中。研究了以下养护条件：（a）分别在80下湿度养护6,12和24小时；（二）在室温（约22C）下，分别湿气养护7天，28天；（C）在户外，在室温下养护（无水分养护）7天。养护后，对每一批，各有三个样品进行抗压试验，另外三个样品进行了表征通过测量其干密度和吸水率。这些测试进一步讨论如下所
8、示。2、3.抗压强度：用50.8毫米的立方体样品（见图1）在MTS810机器上进行抗压强度测试。每组有三个样品进行测试，本文记录了每批的强度平均值。立方体的负荷率是0.1亳米/分钟。应该指出的是立方体的纵横比可能会影响立方体的强度。2、4.吸水率和干密度：根据ASTMCI40-0123,测量每个立方体样品的吸水率和干密度。程序如下：于室温下（22C）将试样浸没在水中24小时。称取试样，同时由细金属丝支撑悬浮，完全浸没在水中，并纪录Wi（浸没重量）。从水中取出标本，放在铁丝网上排水1分钟，除去表面可见的水并用湿布擦拭，称重并记录WS（饱和重量）。然后，将所有样品置于通风烘箱中烘干，烘箱温度为10
9、5,该过程不少于24小时，连续两次在2小时的时间间隔的比重损失的增量不大于0.2%的最后一个预先确定的试件重量。记录重量的干标本作为Wd（绝干重）。吸水率及烘干密度如下：吸水率（）=（Ws-Wd）/WdXlOO密度（kgm3）=（Wd/（Ws-Wi）XlOo0,其中的TVd、Ws、Wi单位均为kg3、结果与讨论使用两种标准成分，和“B”，以及控制成分，“C”，如表2所示,表3列出了在不同条件下所有养护样本的抗压强度（包括三次测量中的平均值和最小值）、吸水率,烘干密度。图二给出了在80C条件下水热养护24h的三种成分典型的应力-应变关系。这里需提到的是应变模量是直接派生于MTS机十字头的运动;应
10、变（弹性模量）值是高估了（低估）和所报道的相对比较。3、1.轻骨料的类型如表三及图二所示，在相同养护条件下，不含轻骨料样品的强度和模量比含轻骨料样品高。例如，在80条件下水热养护24h,控制组的模量分别比含空心微珠的高25%,比含EPS（发泡聚苯乙烯）的高29%；相应强度增长了66%和201%。与含轻骨料的样品相比，控制组样品干密度高了50%,吸水率低了20%。虽然二者具有几乎一致的干密度和吸水率，但用空心微珠轻骨料做成的样品其强度和弹性模量比用发泡聚苯乙烯塑料小球（EPS）做成的样品高。强度的不同似乎是由骨料强度不同引起的。空心微珠轻骨料土具有更高的抗压强度，在18MPa-38MPa之间，而
11、发泡聚苯乙烯轻骨料其抗压强度低多了，只有0.08MPa-0.21MPa0目前，还没有为无机聚合物建筑单位设置的规范，因此，ASTMC90被用作性能评估的参考。根据ASTMC90,轻质单元需具有最低抗压强度为11.7MPa,三个单元的平均抗压强度为13.IMPa,轻质空心微珠样品可以超过强度和吸水率要求（低于288kgm3）如果他们是在80条件下养护超过6h,或者在室温下养护7天。在EPS的情况下，吸水率可以满足要求。而其平均强度比规范要求的稍低（在80条件下养护24h,强度低5%,比在室温下养护28d低2%）。当EPS样品在室温下养护28d,个体最低强度的要求可以满足，但是它比80C条件下养护
12、24h的样品的强度低4%o这个微小的强度不足可以很容易地靠诸如提高养护温度的处理调整来修正。如AriSOy所述，空心微珠拥有吸收与其自身等重的水分的能力。然而EPS塑料小球是憎水的，如前述，当小球在水中连续浸没一个月时其吸水能力几乎为零。这解释了为获得同样的工作性，成分A需要比B更多的水。由于空心微珠额外的吸水，预测空心微珠粉煤灰样品表现出更高的吸水能力。然而，空心微珠和EPS粉煤灰样品几乎一样。原因还不明确仍需研究。3、2.NaOH和硅粉成分的影响在另一种成分D中,NaOH和硅粉的含量减半（NaoHRM=O.05,Na-Si/RM=O.05）其他的参数与成分A保持一致。在80C条件下水热养护
13、24h,成分D（样品）的抗压强度只有1.3MPa,明显低于成分A的对应强度（22.5MPa）.这可以由地聚物原理解释。虽然地聚物的确切机理仍未完全被理解，但大多数建议的模型都涉及连锁事件：解散原材料，定位和地聚物成分的再沉淀。如前研究所示，解散是地聚物最关键的步骤。解散在地质聚合的过程中主要有两个作用：解散形成地聚物的原料以及对表面粘结反应的活化（聚合）。后者被认为显著影响地质聚合物的最终强度。一些研究人员发现，为了实现高溶解，高PH值和高浓度的可溶性二氧化硅是必要的。换言之，更高的氢氧化钠和硅酸钠溶液将带来更高强度。然而，从李和PaIamO的文章发现，太多的碱成分会给强度带来负面影响。所以应
14、该有一个最佳碱含量以提供最大的力学性能。这方面仍需进一步研究。3、3.养护时间和温度的影响当采用更高温度养护时，控制样品和轻骨料样品的强度可以增长更快，如表三所示。对于所有三种成分，在室温先养护7天的样品的强度与80C下养护6-12小时的接近，而在80C下加速养护24小时的样品强度与室温下（22C）养护28天具有相同强度。不论采用什么骨料，这种强度的加速增长似乎主要取决于粘合剂（基于粉煤灰的无机聚合物）。在80下养护的情况下，在最初6小时内其强度增长迅速，然后6-24小时，增长不明显，如图三所示。当考虑费用时，在80下养护的最佳时间是6小时或者更少。我们有可能发现一个更短时间的养护方式，可以在
15、更高的温度下养护，比如100oC3、4.湿度养护的影响湿度是最重要的养护因素之一。当样品直接暴露于空气中养护时，在样品表面发生大量的水分损失。干燥收缩因此发展并导致表面的收缩裂缝的形成。然而,如果用塑料包裹以防止水分损失，如图四所示，将不会出现收缩裂缝。如表三所示，在湿度条件下养护的样品其抗压强度比在相同温度（22C）下,在空气中养护7天的高11-2现，虽然它们的干密度和吸水能力几乎一致。强度损失归因于收缩裂缝。对于在空气中养护的样品来说，微裂缝在表面形成，导致强度的损失。3、5.EPS微珠的分散EPS塑料微珠是超轻疏水的。当与硅酸盐水泥或者砂浆混合时，微珠倾向于浮动，会导致较差的混合分布及分
16、隔。为克服EPS在混凝土中分散的问题，添加了一些外加剂如水乳化环氧树脂和聚丙酸酯以及超塑化剂。一些其他努力采用化学方法（亲水性涂料）来改善EPS的性质。澳大利亚生产的商业BST骨料是一个成功的例子。当混有基于粉煤灰的无机聚合物时，EPS塑料微珠没有表现出分散、浮动、隔离，甚至在振动过程中。这可能归因于新的无机聚合物的粘性。图五描述的剖视图显示样本中EPS塑料微珠有很好的分布。4.结论从本文，可得出以下结论：（1）轻质无机聚合物材料可由粉煤灰和轻骨料制成。使用空心微珠轻质骨料，当置于80C湿度养护24小时时，其抗压强度可达22.5MPa,干密度为980kgm3吸水率为22.2%0而使用EPS塑料微珠的样品，其对应值为12.4MPa,1000kgm3,19.7%0若在80的条件下养护超过6小时或者在室温下养护超过7天，
