地质聚合物是一种由硅氧四面体、铝氧四面体为构成单元连接而成的网格状聚合体，呈无定型及半晶体态，因其与有机聚合物有着相似的结构而得名。制备地质聚合物是将以硅、铝为主的硅铝质原料和某些工业废渣(如粉煤灰、钢渣、矿渣、硅灰等)掺入少量化学激发剂，按比例制成。地质聚合物具有能耗少、绿色环保、耐久性好等特地质聚合物的生产能耗低，仅为水泥生产能耗的30%，如采用活性的固体废弃物，其能耗可降为水泥生产能耗的10%。因其具有耐久性好、抗渗性强、早强快硬等优越的性能，有可能在许多场合替代水泥，在建筑材料、高强材料、密封材料等显示出了广阔的应用前景^[1-2]。因此，近年来已在世界范围内引起了国内外许多科研院所和企业的广泛重视，已取得了一定的成果，而成为国内外研究的热点。

粉煤灰由于含有较纯的硅铝质成分已成为地质聚合物合成的常用原材料。王春雪^[3]等以粉煤灰、钢渣为原料，水玻璃和氧氧化钠作为碱激发剂，制备了地质聚合物胶凝材料，测定了不同钢渣掺量的粉煤灰地质聚合物的抗压强度，结果表明当钢渣掺量为30%时强度最高，达到40.33 MPa。传统研究认为低钙粉煤灰中较纯的硅铝质更多，更易于发生解聚缩聚反应，而高钙粉煤灰钙含量高而硅铝质含量低而应用较少。本试验采用新疆某电厂高钙粉煤灰制备地质聚合物，并对所制备的高钙粉煤灰地质聚合物进行耐久性研究，探索高钙粉煤灰地质聚合物的特性，研究结果将为高钙粉煤灰的综合利用提供一定的试验和理论依据^[3]。

1 试验原料 1.1 高钙粉煤灰

试验使用的粉煤灰取自新疆某电厂，多元素分析(XRF)结果见表 1，物相检测(XRD)结果见图 1。

由表 1可知，该粉煤灰SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃=79.94%，粉煤灰中CaO的含量为10.92%，根据GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，该粉煤灰属于C类粉煤灰，即高钙粉煤灰。

从物相上看，粉煤灰的物相组成包括无定形玻璃相和结晶相两大部分。结晶相对应XRD图谱中的物相特征峰，主要是石英、磁铁矿、赤铁矿、石灰等，晶相的石灰即属于f-CaO。结晶相在常温下化学活性很低，难于发生胶凝反应。其中的杂峰对应玻璃相，易于反应产生活性，化学活性相对较高。玻璃相的含量及可激发性是粉煤灰胶凝活性的重要因素，玻璃相含量高且容易激发的粉煤灰易于激发出胶凝活性^{[4, 5]}。

1.2 水玻璃

本试验采用水玻璃购置于山东兰山的LVSHEN化工集团，基本参数见表 2。

2 试验方法

将粉煤灰放入水泥试验磨，固定磨机转速为45 r/min，研磨0.5 h后卸料，于通风处干燥储存备用。试验时，取一定量粉煤灰缓慢加入水玻璃溶液，调节水灰比，放入水泥净浆搅拌机中低俗搅拌3 min，待净浆搅拌均匀后，倒入40×40×40 mm的六联试模中，采用振实机振实5次，钢尺表面刮平。将制备好的试模放入标准养护箱中养护1 d后拆模，将试块取出继续在标准养护箱中养护至相应的龄期。采用万能试验机对试块进行无侧限抗压强度测试。

3 结果与讨论 3.1 水玻璃掺量对地质聚合强度的影响

粉煤灰在碱激发剂的作用下，粉煤灰玻璃体结构中的-O-Si-O-Al-O-链先解聚生成[SiO]^4-四面体和[AlO]^5-四面体，然后发生缩聚反应生成新的-O-Si-A1-O-的无机聚合物网络结构胶凝材料，这与Portland水泥胶凝材料的CSH、CH、AFm等无机小分子结构组成的硬化体不同。本研究以水玻璃作为碱激发剂，为探究水玻璃掺量对地质聚合物强度的影响，试验选取钠水玻璃(模数为1.5)作为碱激发原料，水胶比定为0.4。水玻璃掺量以Na₂O占粉煤灰的质量百分比计。以水玻璃掺量6%、7%、8%、9%、10%进行试验，得到如图 2所示地质聚合物抗压强度曲线。

从图 2可以看出，在水玻璃的激发下，试块的早期强度显著提升。随着水玻璃掺量的增加，粉煤灰玻璃体解聚缩聚反应更充分，形成更多无机网络聚合物，强度曲线呈上升趋势。在水玻璃掺量为8%时，各龄期试块强度分别为22.4 MPa、29.4 MPa、43.8 MPa，继续增大水玻璃掺量时，解聚缩聚反应放缓，强度增长缓慢。故后续试验水玻璃掺量为8%进行探索。

3.2 水胶比对地质聚合强度的影响

为了探究水胶比与地质聚合物强度规律，本试验固定水玻璃模数为1.5，以水玻璃掺量为8%，选取水胶比0.35、0.37、0.39、0.41、0.43，制成的试块置于标准养护箱中养护至龄期，得出水胶比与各龄期强度关系如图 3。

从图 3可以看出，地质聚合物的3 d、7 d抗压强度随水胶比增大均呈现先增后降的趋势，且在水胶比为0.37时到达到最大值。而试块28 d强度曲线随水胶比增大而不断降低(水胶比为0.35时为43.8 MPa，在水胶比为0.43时降低为34.4 MPa。)试块强度在水胶比为0.37时出现增长的原因可能是，地聚反应前期为硅铝酸盐物质在碱性溶液中溶解并扩散，较低的含水量会影响硅铝酸盐物质的扩散与溶解速率，从而拉低地质聚合物的早期强度，表现为水胶比为0.37的试块在3 d与7 d强度上优于水胶比为0.35的试块。而到了28 d，地聚反应基本完成，水胶比对强度的作用则显现^[6]。但当继续增大水胶比时，过高的含水量稀释了反应体系浓度，对强度造成不利影响。

因此，制备地质聚合物应尽可能调低水胶比以提高机械性能，但同时还要考虑浆体的和易性及早期强度。由于水胶比为0.37时具有最高的早期强度，而且和易性比水胶比0.35要好，因此，后续试验选取水胶比为0.37进行。

3.3 水玻璃模数对地质聚合强度的影响

本试验固定水玻璃掺量为8%，水胶比0.37，通过添加NaOH改变水玻璃模数，分别设置为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.1，制备的地质聚合物置于标准养护箱中养护至龄期，得到模数与试块强度关系如图 4。

从图 4可以看出，在模数为0.9时，各龄期试块强度为18.9 MPa、30.9 MPa、49.8 MPa，3 d的试块强度为所有模数下的最低值，原因是模数低的水玻璃碱度高对试块的早期强度不利。当模数为1.1时，各龄期的试块强度到达23.0 MPa、33.3 MPa、51.7 MPa，28 d龄期的强度为所有模数下的最大值。之后继续增大模数，各龄期地质聚合物的抗压强度开始下降，在模数为1.3、1.5、1.7区间内，各龄期的抗压强度相差不大。继续增大模数，在模数为1.9时，各龄期的试块强度为26.8 MPa、32.5 MPa、45.6 MPa。再继续增大模数，到模数为2.1时，3 d与28 d龄期的试块强度略有下降，分别为25.1 MPa、44.9 MPa，7 d龄期的强度与模数为1.9时持平，为33.3 MPa。

地质聚合物强度值会出现随模数先上升后下降，再上升再下降的趋势，其原因为，低模数的水玻璃中会有较多的低聚合[SiO₄]，有利于发生缩聚反应生成新的-O-Si-A1-O-的无机聚合物网络结构胶凝，因此，在模数为1.1时，会有最高的28 d强度。而模数继续减小，虽然低聚合[SiO₄]会增加，但由于总的SiO₂量的减少，使得低聚合[SiO₄]的总量还是减少的，而且碱量过大也不利于早期强度的产生，因此在模数为0.9时，抗压强度会下降。增大模数，会使低聚合的[SiO₄]转化为高聚合的[SiO₄]，其不利于地聚键合反应的发生，而且增大模数，水玻璃中的碱量也会降低，使得反应效果变差，因而在模数为1.1与1.7区间内，跟着模数的提升，试块强度呈降低态势。在模数为1.9时，试块强度会增大，其原因可能是模数较高，导致净浆会比较黏稠，会使生产出的试块更加密实，所以导致强度的上升^[7]。

在水玻璃模数为1.1时，试块28 d强度到达最优，而且低模数水玻璃配制的净浆具有很好的流动性，因此，选取模数为1.1的水玻璃进行后续地质聚合物的制备。

3.4 地质聚合物胶砂的长期强度研究

为了更好地对比地质聚合物与普通硅酸盐水泥的耐久性，试验参照国标GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》制备了水泥胶砂试块与地质聚合物胶砂进行比较，选用的水泥为市售42.5普通硅酸盐水泥，均采用采用标准养护箱湿气养护，试验结果见图 5。

从图 5可以看出，地质聚合物试块所有龄期强度均高于42.5水泥胶砂试块强度，地质聚合物120 d龄期时能够到达83.3 MPa。而水泥胶砂试块强度在28 d龄期时，为51.1 MPa，此后随龄期时间延长，试块强度逐渐增大，并在60 d龄期时达到64.9 MPa；60 d龄期后，试块强度增长缓慢并在120 d龄期时达到66.7 MPa。可以看出，通过高温养护地质聚合物可以较早的获取强度，而且后期强度上能保持远大于42.5水泥胶砂的优势^{[8, 9]}。

4 结论

(1) 以高钙粉煤灰为原料，水玻璃(模数为1.1)掺量为8%、水胶比0.37、标准养护条件下，制备的高钙粉煤灰地质聚合物3 d、7 d和28 d抗压强度值分别为23.0、33.3和51.7 MPa。

(2) 高钙粉煤灰地质聚合物耐久性研究表明，地质聚合物试块所有龄期强度均高于42.5水泥胶砂试块强度，地质聚合物120 d龄期时能够到达83.3 MPa。试验所得高钙粉煤灰地质聚合物可以作为建筑胶凝材料进行使用。