偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能試驗(yàn)與分析

■梁騰杭

（福建省高速公路達(dá)通檢測(cè)有限公司，福州 350108）

地質(zhì)聚合物由于具有良好力學(xué)特性、 耐久性好、能夠固封重金屬離子等優(yōu)良特性，而被廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐中。 相比于水泥，地質(zhì)聚合物由于無(wú)需燒制工序即可生產(chǎn)得到，使得地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)耗能較水泥要低，耗能減少量達(dá)10%以上，這也說(shuō)明地質(zhì)聚合物在交通工程的運(yùn)用滿足中國(guó)的 “雙碳”戰(zhàn)略要求。 結(jié)合中國(guó)的地域分布特征可知，中國(guó)儲(chǔ)量豐富的地質(zhì)聚合物原料主要是高嶺土，研究學(xué)者目前主要以高嶺土為原料，進(jìn)行地質(zhì)聚合物的研究和發(fā)展。 薛彩紅等[1]采用試驗(yàn)方法，研究了水玻璃對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物材料性能的影響，結(jié)果表明樣品體積和抗壓強(qiáng)度與水玻璃模數(shù)成非線性關(guān)系。 劉瑞平等[2]通過(guò)制備粉煤灰—偏高嶺土基地質(zhì)聚合物發(fā)泡材料，對(duì)比分析了雙氧水、鋁粉和過(guò)硼酸鈉3 種發(fā)泡劑對(duì)地質(zhì)聚合物的影響，得出雙氧水的發(fā)泡性能最優(yōu)。 崔潮等[3]將偏高嶺土基地質(zhì)聚合物作為粘結(jié)劑運(yùn)用于結(jié)構(gòu)加固中，并分析了溫度升高情況下地質(zhì)聚合物粘結(jié)性能的變化規(guī)律。 仇秀梅等[4]研究了地質(zhì)聚合物對(duì)不同侵蝕條件的敏感性，結(jié)果表明偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的耐久性劣于粉煤灰基地質(zhì)聚合物。 綜上所述，地質(zhì)聚合物具有較多優(yōu)良特性，為進(jìn)一步推廣地質(zhì)聚合物在交通工程的運(yùn)用，本文以高嶺土為原料，對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能開展試驗(yàn)研究，分析了偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)機(jī)理，討論了高活性偏高嶺土的制備工藝，研究了配合比和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 聚合反應(yīng)機(jī)理分析

1.1 采用酸性激發(fā)劑的反應(yīng)機(jī)理

硫酸、醋酸和鹽酸等酸性物質(zhì)是地質(zhì)聚合物常用的酸性激發(fā)劑。 根據(jù)中國(guó)現(xiàn)有偏高嶺土成分分析結(jié)果可知，偏高嶺土的主要成分是偏高嶺石，化學(xué)成分大多是硅鋁酸鹽。 當(dāng)稠度采用標(biāo)準(zhǔn)稠度，酸性激發(fā)劑采用硫酸和醋酸時(shí)，用水量需增加16 mL。 同時(shí)，地質(zhì)聚合物的初凝、終凝時(shí)間與硫酸濃度呈正相關(guān)關(guān)系，而與醋酸濃度呈非線性關(guān)系，這主要是由于偏高嶺土在醋酸的激發(fā)作用下，生成的水化產(chǎn)物不穩(wěn)定，易發(fā)生二次水化，最終的凝膠狀態(tài)是網(wǎng)絡(luò)絮狀。

當(dāng)鹽酸和硫酸共同作為激發(fā)劑時(shí)，偏高嶺土在激發(fā)劑的作用下會(huì)變得松散、孔隙率增大，形成具有硫酸鋁、氯化鋰和硅酸等成分的混合物。 隨著該混合物在酸性激發(fā)劑條件下進(jìn)一步激發(fā)，不同成分之間會(huì)繼續(xù)縮聚，并最終形成高分子聚合物，即地質(zhì)聚合物。 雖然采用酸性激發(fā)劑能夠激發(fā)偏高嶺土的反應(yīng)，并得到偏高嶺土基地質(zhì)聚合物，但是所得的地質(zhì)聚合物穩(wěn)定性較差，特別是當(dāng)采用酸性激發(fā)原理得到偏高嶺土基地質(zhì)聚合物運(yùn)用于酸性環(huán)境中時(shí)，基本沒(méi)有水硬性，這也是目前酸性激發(fā)劑較少運(yùn)用于地質(zhì)聚合物聚合反應(yīng)中的主要原因。

1.2 采用堿性激發(fā)劑的反應(yīng)機(jī)理

氫氧化鉀、堿性水玻璃和碳酸鈉等堿性物質(zhì)是地質(zhì)聚合物常用的堿性激發(fā)劑。 與酸性激發(fā)劑相比較，采用堿性激發(fā)劑進(jìn)行偏高嶺土的激發(fā)，所得偏高嶺土基地質(zhì)聚合物具有較好的穩(wěn)定性。 采用不同的堿性激發(fā)劑進(jìn)行偏高嶺土激發(fā)，當(dāng)堿性較弱時(shí)，較難激發(fā)出偏高嶺土的活性，故碳酸鈉等堿性較弱的溶液激發(fā)偏高嶺土活性的效率較低。 采用氫氧化鈉和氫氧化鉀等強(qiáng)堿溶液進(jìn)行偏高嶺土活性的激發(fā)，激發(fā)的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)硅的離子化和硅氧化學(xué)鍵的斷裂兩個(gè)過(guò)程，二者的激發(fā)效率分別與堿性強(qiáng)度和水化程度呈正相關(guān)。 由于研究學(xué)者多以硅、鋁的溶解度為指標(biāo)，因而建議選擇氫氧化鈉作為堿性激發(fā)劑。

為進(jìn)一步提高堿性激發(fā)劑的激發(fā)特性，采用氫氧化鈉和水玻璃共同作為激發(fā)劑，通過(guò)紅外光譜，對(duì)混合激發(fā)劑激發(fā)過(guò)程中產(chǎn)物的生產(chǎn)速率進(jìn)行觀測(cè)和分析，驗(yàn)證了采用氫氧化鈉和水玻璃共同作為激發(fā)劑能夠提高反應(yīng)速率，加快地質(zhì)聚合物的形成。

2 高活性偏高嶺土制備主要影響因素分析

2.1 煅燒溫度影響分析

現(xiàn)場(chǎng)開采的通常是高嶺土， 活性一般較低，活性較高的偏高嶺土通常是由高嶺土經(jīng)過(guò)高溫煅燒后得到的。 結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，鋁的溶出率與偏高嶺土的活性呈正相關(guān)關(guān)系[4]，因而研究高溫煅燒溫度與煅燒時(shí)間對(duì)鋁的溶出率的影響規(guī)律對(duì)制備高活性偏高嶺土至關(guān)重要。 為此，本文以某地高嶺土為研究背景，分析其成分，結(jié)果如下：氧化硅57.33%、氧化鋁34.59%、氧化鐵1.28%、其他6.8%。

為分析高溫煅燒溫度對(duì)所制備偏高嶺土活性的影響，取同一批高嶺土進(jìn)行高溫煅燒，不同組別煅燒溫度分別取600、700、800、900、1000℃，并分析不同煅燒溫度下鋁的溶出率。 為了保證煅燒溫度能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)， 試驗(yàn)過(guò)程中采用型號(hào)為TMF-8X-10T 的高溫爐對(duì)煅燒溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。 根據(jù)現(xiàn)有研究可知，鋁的溶出率測(cè)定方法主要有滴定絡(luò)合法和紫外分光光度計(jì)法，考慮到測(cè)定精度、使用方便和對(duì)操作者技術(shù)的要求，本試驗(yàn)采用滴定絡(luò)合法進(jìn)行高嶺土鋁的溶出率的測(cè)定。 當(dāng)煅燒時(shí)間分別恒定為1、2、3、4、5 h 時(shí)，不同煅燒溫度情況下，高嶺土鋁溶出率如表1、圖1 所示。

表1 不同煅燒條件下鋁的溶出率

圖1 鋁的溶出率—煅燒溫度曲線

由表1 和圖1 可以看出，高嶺土鋁的溶出率隨著煅燒溫度的升高先增大后減小，說(shuō)明高嶺土鋁的溶出率與煅燒溫度呈非線性關(guān)系，且該變化規(guī)律與煅燒時(shí)間無(wú)關(guān)。 由圖1 還可以看出，當(dāng)煅燒溫度在600～800℃區(qū)間時(shí)， 煅燒溫度對(duì)高嶺土鋁的溶出率提高程度不斷減弱，而當(dāng)煅燒溫度在800～1000℃區(qū)間時(shí)，煅燒溫度對(duì)高嶺土鋁的溶出率降低程度不斷減弱。煅燒溫度為800℃時(shí)，高嶺土鋁的溶出率達(dá)到峰值，因此為提高偏高嶺土的活性，在進(jìn)行高嶺土高溫煅燒時(shí)，煅燒溫度宜取800℃。

2.2 煅燒時(shí)間影響分析

除了高溫煅燒的溫度會(huì)影響所制備偏高嶺土的活性，高溫煅燒時(shí)間也會(huì)影響所制備偏高嶺土的活性。 取同一批高嶺土，不同組別煅燒時(shí)間分別取1、2、3、4、5 h， 分別分析不同煅燒時(shí)間下鋁的溶出率。 當(dāng) 煅 燒 溫 度 分 別 恒 定 為600、700、800、900、1000℃時(shí)，不同煅燒時(shí)間下，高嶺土鋁的溶出率如表1 和圖2 所示。

由表1 和圖2 可以看出， 當(dāng)煅燒時(shí)間在1～4 h區(qū)間時(shí)，隨著煅燒時(shí)間的增加，高嶺土鋁的溶出率不斷增大，而當(dāng)煅燒溫度在4～5 h 區(qū)間時(shí)，高嶺土鋁的溶出率基本不受煅燒時(shí)間的影響，且該變化規(guī)律與煅燒恒定溫度無(wú)關(guān)。 由此說(shuō)明煅燒時(shí)間為4 h時(shí)，高嶺土鋁的溶出率達(dá)到峰值，因此為進(jìn)一步提高偏高嶺土的活性，在進(jìn)行高嶺土煅燒時(shí)，煅燒時(shí)間宜取4 h。

圖2 鋁的溶出率—煅燒時(shí)間曲線

3 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物力學(xué)性能分析

3.1 樣品制備

基于前述堿性激發(fā)劑的反應(yīng)機(jī)理和高活性偏高嶺土的制備方法，取100 g 采用800℃煅燒4 h 的偏高嶺土為原料，采用混合堿激發(fā)劑激發(fā)。 混合堿激發(fā)劑含25 g 固體氫氧化鈉、30 mL 模數(shù)為2.0 的硅酸鈉、20 mL 蒸餾水。 待偏高嶺土與混合堿激發(fā)劑攪拌完成，并自然降溫形成偏高嶺土基地質(zhì)聚合物后， 將所得偏高嶺土基地質(zhì)聚合物澆筑至模具中。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]，模具選擇平面尺寸為Φ50 mm，高度50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)柱體。 養(yǎng)護(hù)條件為：帶模具在60℃溫度下養(yǎng)護(hù)60 min 后脫模，后續(xù)在常溫條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)7、14、28 d。 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的配合比如下所示：偏高嶺土100 g、固體氫氧化鈉25 g、硅酸鈉30 mL、蒸餾水20 mL。 標(biāo)準(zhǔn)試件如圖3 所示。隨后采用圖4 所示加載能力為600 kN 的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試件

圖4 微型加載設(shè)備

3.2 配合比敏感性分析

根據(jù)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的形成過(guò)程和化學(xué)成分可知，影響偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的配合比主要是混合激發(fā)劑的含量和蒸餾水用量。 此外，對(duì)于混合激發(fā)劑而言，其內(nèi)部激發(fā)劑以氫氧化鈉為主，水玻璃主要是起輔助作用。為此，進(jìn)行配合比敏感性分析時(shí)，混合激發(fā)劑以氫氧化鈉含量為分析對(duì)象。

以制備的偏高嶺土基地質(zhì)聚合物為基準(zhǔn)，進(jìn)行其抗壓強(qiáng)度對(duì)配合比的敏感性分析。 取同一批偏高嶺土基地質(zhì)聚合物進(jìn)行配合比的敏感性分析。 不同組別氫氧化鈉含量分別取5、15、25、35 g，分別分析不同氫氧化鈉含量情況下偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7、14、28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度。 不同組別蒸餾水含量分別取15、20、25、30 mL，分別分析不同蒸餾水含量情況下偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7、14、28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度。 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度與氫氧化鈉含量和蒸餾水含量相關(guān)關(guān)系分別如表2、3所示。 為了便于分析和掌握氫氧化鈉含量和蒸餾水含量對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響也將表2、3 的結(jié)果分別繪制成圖5（a）和圖5（b）。

由表2 和圖5（a）可以看出，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度隨著氫氧化鈉含量的增大先增大后減小，說(shuō)明偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度與氫氧化鈉含量呈非線性關(guān)系。由表2 和圖5（a）還可以看出，當(dāng)氫氧化鈉含量為25 g 時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，且當(dāng)氫氧化鈉含量由5 g 增加至25 g 時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度提高了230.3%，由此說(shuō)明當(dāng)混合激發(fā)劑中的氫氧化鈉含量不超過(guò)25 g 時(shí)，增加氫氧化鈉含量能夠顯著改善偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。

表2 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)氫氧化鈉含量的敏感性

由表3 和圖5（b）可以看出，當(dāng)蒸餾水含量在15～35 mL 區(qū)間變化時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化幅度最大不超過(guò)16.8%，說(shuō)明蒸餾水含量對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物不同齡期的抗壓強(qiáng)度的影響較小，這主要是由于蒸餾水含量的增加不僅會(huì)增大偏高嶺土基地質(zhì)聚合物標(biāo)準(zhǔn)試件發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，而且內(nèi)部過(guò)多的蒸餾水會(huì)造成蒸餾水蒸發(fā)和反應(yīng)后，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物標(biāo)準(zhǔn)試件內(nèi)部的孔隙率增大，進(jìn)而影響偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。

圖5 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)配合比的敏感性分析

表3 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)蒸餾水含量的敏感性

3.3 養(yǎng)護(hù)條件敏感性分析

同樣以制備的偏高嶺土基地質(zhì)聚合物為基準(zhǔn)，進(jìn)行偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的敏感性分析。 根據(jù)文獻(xiàn)可知，養(yǎng)護(hù)條件中的關(guān)鍵影響因素主要是養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間[5]，為此本文以養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間作為研究對(duì)象，進(jìn)行偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的敏感性分析。 取同一批偏高嶺土基地質(zhì)聚合物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)溫度的敏感性分析。 不同組別養(yǎng)護(hù)溫度分別取40、50、60、70、80℃，分別分析不同養(yǎng)護(hù)溫度情況下偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7、14、28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度。 不同組別養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別取20、40、60、80、100 min，分別分析不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間情況下偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7、14、28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度。 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間相關(guān)關(guān)系分別如表4、5 所示。 為了便于分析和掌握養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，也將表4、5 的結(jié)果分別繪制成圖6（a）和圖6（b）。

由表4 和圖6（a）可以看出，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高先增大后減小，說(shuō)明偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度呈非線性關(guān)系，且偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度的敏感性明顯強(qiáng)于其在14 d 和24 d 齡期的抗壓強(qiáng)度。 由圖6 還可以看出，對(duì)于偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度， 當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為70℃時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，即81.4 MPa；且當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度在40～70℃區(qū)間變化時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度變化幅度為42.3%；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由70℃升高至80℃時(shí)， 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度下降幅度為47.1%。 由此說(shuō)明為了提高所制備偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)溫度宜取70℃。

圖6 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的敏感性分析

表4 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)氫氧化鈉含量的敏感性

由表5 和圖6（b）可以看出，雖然偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大而增大，但是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率逐漸減慢。同時(shí)，由表5 和圖6（b）還可以看出，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的敏感性明顯強(qiáng)于其在14 d 和24 d 齡期的抗壓強(qiáng)度，這主要是由于偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的化合反應(yīng)周期主要集中在前期。 此外，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為80 min 時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到其在28 d 齡期抗壓強(qiáng)度的80.8%；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為100 min 時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度為其在28 d 齡期抗壓強(qiáng)度的81.8%。由此說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到80 min 后，再進(jìn)行偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的養(yǎng)護(hù)，對(duì)其早期抗壓強(qiáng)度的提高效率已經(jīng)很小了。 因此，為了調(diào)高偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的早期抗壓強(qiáng)度，從養(yǎng)護(hù)效率角度出發(fā)，建議養(yǎng)護(hù)時(shí)間取80 min。

表5 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度對(duì)蒸餾水含量的敏感性

4 結(jié)論

（1）混合堿性激發(fā)劑能夠快速激發(fā)偏高嶺土活性，是目前較為常用的激發(fā)劑。 煅燒溫度800℃，煅燒時(shí)間取4 h 時(shí)，高溫煅燒高嶺土所得的偏高嶺土活性最好。 （2）偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓性能對(duì)氫氧化鈉含量最為敏感，當(dāng)氫氧化鈉含量由5 g 增加至25 g 時(shí)，偏高嶺土基地質(zhì)聚合物在不同齡期的抗壓強(qiáng)度提高了230.3%。 當(dāng)蒸餾水用量在15～35 mL 區(qū)間變化時(shí)， 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的變化幅度最大不超過(guò)16.8%，說(shuō)明蒸餾水用量對(duì)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的影響較小。 （3）為了提高所制備偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度，特別是偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的早期抗壓強(qiáng)度，建議養(yǎng)護(hù)溫度宜取70℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為80 min。