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摘 要

本文通过实验和查阅相关文献研究了钙硫含量对粉煤灰地聚合物的抗压强度和抗折强度等力学性能的影响。利用普通粉煤灰中加入钙材料制备地聚合物砂浆试样，通过加入不同含量Ca(OH)₂和Ca₂SO₄调整钙硫组分含量，测定不同样品各龄期（7d、28d）的抗压强度、抗折强度发现，当钙含量为12%时，7d分别达到峰值36.8MPa和5.0MPa；28d分别为45.7MPa和5.8MPa。当硫含量为3.43%时，7d分别达到峰值35.2MPa和4.7MPa；28d分别为43.8MPa和5.4MPa。并且两种强度都在达到峰值后逐渐减弱。通过分析钙硫组分作用的机理，得到钙含量最佳值时地聚合物体系（Ca Na K）/Al比例为0.95-1.0。

关键词：钙硫组分；粉煤灰地聚合物；力学性能

Abstract

In this paper, the effects of calcium and sulfur content on the compressive strength and flexural strength of fly ash geopolymers were studied through experiments and related literature. Geopolymer mortar samples were prepared by adding calcium materials to ordinary fly ash. The calcium and sulfur components were adjusted by adding different contents of Ca (OH) 2 and Ca2SO4 to determine the compressive strength of different samples at various ages (7d, 28d) 3. The bending strength found that when the calcium content was 12%, the peak values were 36.8MPa and 5.0MPa in 7d; 45.7MPa and 5.8MPa in 28d. When the sulfur content is 3.43%, the peak values are 35.2MPa and 4.7MPa respectively at 7d; 43.8MPa and 5.4MPa respectively at 28d. And both intensities gradually weaken after reaching the peak. By analyzing the mechanism of the action of calcium and sulfur components, the geopolymer system (Ca Na K) / Al ratio is 0.95-1.0 when the calcium content is optimal.

Key words: Calcium sulfur component；Fly ash geopolymer；Mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3当前研究存在的问题与课题的提出 2

1.4研究内容与技术路线 4

第2章 原材料与实验方法 5

2.1 实验原材料 5

2.2 原料配合比 6

2.3实验方法与设备 7

第3章 实验数据与结果分析 8

3.1 钙含量对地聚合物影响 8

3.2 硫含量对地聚合物影响 11

3.3钙硫含量影响机理分析 13

3.4本章小结 14

第4章 结论与展望 16

4.1结论 16

4.2展望 16

参考文献 17

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究背景

在水泥问世之后，水泥基材料被大量的运用到各个领域。相关资料表明，在生产水泥的过程中，每年都会排放大量的CO₂等温室气体，在总排放量中占比高达10%。在20世纪70年代，一种被称为地聚合物的凝胶材料被发现并引起了人们的注意。地聚合物是一种新型的绿色建筑材料。它以各种来源的工业固体废物为原料，具有低能源消耗，低碳排放，易于制备的特点。具有良好的抗碳化性能和广阔的应用前景，是普通硅酸盐水泥基材料的最佳替代品之一^[1]。

地聚合物与普通硅酸盐水泥相比具有能耗低、力学性能好、固化快、早强高、耐高温、耐酸碱等优点。同时一些工业上的固废物也可以被地聚合物吸纳，固体废弃物的处置和利用开发地聚合物材料也给地聚合物的生产、开发和利用带来了革命性的变化。

粉煤灰是火电厂生产的副产品，是燃煤过程中产生的烟灰中的细小固体颗粒。其颗粒大小通常是介于1和100μm，1吨的煤在燃烧后可以产生约250-300公斤的粉煤灰。我国累计排放的粉煤灰积累起来约40亿吨，覆盖面积4 - 5万hm²。如果大量的粉煤灰不加以控制和处理，就会造成空气污染，进入水体会堵塞河道，一些化学物质会对生物和人体造成危害^[2,3]。

粉煤灰是一种典型的铝硅酸盐材料，其成分主要包括SiO₂、Al₂O₃、CaO和Fe₂O₃，以无定形和结晶氧化物或各种矿物的形式存在。粉煤灰中含有大量的硅铝材料，可用碱激发剂激发粉煤灰制备地聚合物。科研人员对粉煤地聚合物的有相当深入的研究，还是存在一些瓶颈和问题。近年来，亚烟煤等越来越多的被使用，燃烧时易挥发出温室气体和粉煤灰，逐渐被累积，进而污染环境。同时，不同燃煤设备排放的粉煤灰成分差异较大，且粉煤灰中常含有不同含量的CaO和SO₃。在地聚合物材料中，地聚合物反应的主要产物会因原料的化学成分和激发条件的不同而发生很大的变化。研究表明，CaO、SO₃含量对硅铝质原料溶出及地聚合物凝胶产物形态有重要影响。钙组分钙含量的不同会影响地聚合物的水化过程，进而影响地聚合物性能；硫组分对地质聚合反应速度及基体致密程度有较大影响。然而钙硫组分影响机理尚不十分明确，钙硫组分最佳含量尚未探明。因此，研究钙硫组分含量有重要意义^[4-7]。

1.2 国内外研究现状

研究者通过在普通粉煤灰中掺入钙硫组分进行研究发现，加入适量钙离子可以加快地聚合反应，使地聚合物的强度升高；加入硫酸根会在粉煤灰周围形成钙矾石阻碍硅铝相溶出，不利于地聚合反应；当加入石膏时，少量石膏有助于形成致密的地聚合物，当过量时，会使地聚合物强度降低。

1.2.1 钙含量对地聚合物影响研究现状

郭晓潞等的研究结果表明，钙源的加入会降低地聚合物体系的抗压强度。试样7天抗压强度降低超过28d下降的幅度，晶体钙源和非晶体钙源的抗压强度相比，非晶体要更强一些。钙源中Ca的24h溶解和7d的抗压强度呈较强的负相关，和28d的抗压强度呈较强的负相关。说明钙源对MK基聚合物强度的影响在早期较为集中^[8]。

罗新春关于钙含量对地聚合物性能影响的研究表明，地聚合物主要由非晶相和玻璃相组成。加入了氧化钙之后，使地聚合物产生斜长石以及其他相。增加氧化钙的含量可以提高地聚合物的致密性，并加快固化速度。地聚合物的7d抗压强度最高时，钙组分的占比达15%左右。

Xianhui Zhao等关于钙的存在对于粉煤灰基地聚合物的凝胶产物形貌的影响研究表明，因为C-S-H凝胶的快速水化反应，导致受到碱激发的试样其流动性随Ca(OH) ₂含量的增加而降低，而比重和密度随Ca(OH) ₂含量的增加而增加，这是由于所形成的致密结构所致。然而，过量的Ca(OH) ₂会由于引入的气泡或气孔而导致密度下降。添加适量的Ca(OH) ₂可以提高地聚合物的力学性能。然而，过量的钙组分可能会在碱活化的基体中形成水化硅酸钙(C-S-H)，其力学性能及耐久性相对较弱。由于粉煤灰玻璃微球的高溶出度，使地聚合物具有最高的强度和足够的盐酸耐蚀性，使其结构最致密并以扫描电镜(SEM)图像验证了上述结果。

1.2.2 硫含量对地聚合物影响研究现状

谢亮等研究了无机聚合物的流变性能与硫酸盐含量的关系。新拌的无机聚合物浆料是一种H-B流体。浆体掺入硫酸盐后的流体模型并不会被改变，但是浆体的塑性粘度与屈服应力会受到影响。在无机聚合物体系中，增加Na₂SO₄的含量后，浆体的塑性粘度与屈服应力都会降低，同时降低浆体的触变性；但不断掺入MgSO₄之后，浆体的塑性粘度与屈服应力都会增强，并且提高了浆体的触变性^[11]。

1.3 当前研究存在的问题与课题的提出

目前，研究者并没有提出普遍适用的钙硫组分比例，仅仅发现了加入钙离子和硫酸根对地聚合反应以及对地聚合物强度等性能的影响，还处于定性分析的阶段，且对性能的影响方面的研究不够全面。只是针对所使用的粉煤灰提出钙硫掺量，不具有普遍意义。故本研究通过在普通粉煤灰中加入钙硫成分制备地聚合物，设置对照组，测定所制得样品力学性能，选出能制得最佳性能地聚合物的钙硫含量，同时探究地聚合物性能与钙硫组分含量的关系。

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 研究内容

通过调控粉煤灰的钙硫组分含量，探究钙-硫组分如何影响粉煤灰基地聚合物力学性能的机理，通过分析机理来找到制备粉煤灰基地聚合物时的最佳钙硫组分含量；设计出性能卓越，且能实现资源充分利用的粉煤灰基地聚合物。主要研究内容如下：

（1）粉煤灰基地聚合物抗折强度、抗压强度与钙组分的含量的关系

（2）粉煤灰基地聚合物抗折强度、抗压强度与硫组分的含量的关系

（3）探究钙硫组分含量的合适配比

1.4.2 研究目标

本实验通过调控粉煤灰的钙硫组分含量，探究钙硫组分的含量在粉煤灰基地聚合物力学性能测试中的影响，从而揭示出粉煤灰基地聚合物中的钙-硫组分的作用规律与协同激发机制。重点探讨探究钙硫组分对粉煤灰基地聚合物影响规律。从而提出合适的钙硫含量指标，同时为粉煤灰基地聚合物的配合比设计提供理论支撑。

1.4.3 技术方案

(1) 钙组分的含量对粉煤灰基地聚合物砂浆力学性能的影响规律

利用普通粉煤灰中加入钙材料制备地聚合物砂浆试样，测定钙组分含量不同的样品7d、28d的抗压强度和抗折强度。研究其受钙组分含量影响的变化规律，然后得到适宜钙含量以制备粉煤灰基地聚合物。

(2) 硫含量对粉煤灰基地聚合物砂浆力学性能的影响规律

通过加入不同含量Ca₂SO₄含硫的物质来调控粉煤灰的硫组分含量并制备地聚合物砂浆试样，研究粉煤灰基地聚合物砂浆的7d、28d抗压强度和抗折强度受硫组分含量影响的变化规律，然后得到适宜硫含量以制备粉煤灰基地聚合物。

(3) 粉煤灰基地聚合物中钙硫含量的最优配比

在（1）（2）的基础上，结合当前国内外关于钙硫组分对地聚合物影响机理研究现状，与本实验砂浆7d，28d强度情况对比分析，总结出钙硫含量对粉煤灰基地聚合物砂浆力学性能的影响规律，从而确定最优的钙硫含量。

1.4.4 研究方法

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