地质聚合物(geopolymer),为无机高分子硅铝酸盐的统称,因独特的无机三维网络结构使其具有很多优异的性能[1],如强度发展快、低渗透率以及有效固定重金属等,而在许多领域得到发展与应用。相对于普通硅酸盐水泥,地质聚合物的生产过程能够减少80% 的CO2排放[2],也有文献指出该值可能在50%左右[3],但仍表现出非常巨大的环境效益。地质聚合物发展的另一驱动力是用于合成的原材料可以是典型的偏高岭土,也可以是粉煤灰[4]等富含硅铝氧化物的工业废料。
粉煤灰是一类燃煤电厂和石油化工行业产生的典型硅酸盐固体废弃物,填埋处置需要占用大量的土地,且会对周边地区带来短期和长期的影响,主要的环境问题源于重金属潜在浸出风险,而我国土壤重金属污染问题已比较严重[5]。粉煤灰的处理和资源化利用问题值得整个社会的关注,利用粉煤灰取代偏高岭土来合成低成本地质聚合物得到了广泛研究。Fernández-Jiménez等[6]通过SEM、透射电镜(TEM)等手段研究了粉煤灰基地聚合物在各个龄期微观结构的变化并提出了粉煤灰受碱激发的描述性机理模型。近些年,国内学者对地质聚合物的性能及其改性进行了研究[7~9]。秸秆因其保温隔热的特点可被用于制造墙体保温材料[10]。秸秆地质聚合物是一类强度高、耐腐蚀性好的新型保温建筑材料,将粉煤灰用于合成秸秆地质聚合物,很好地体现了固体废弃物资源化利用和建筑节能的要求。
研究表明[11, 12]固体原材料的类型、颗粒尺寸、化学组成和碱性激发剂的浓度、主要化学活化剂的比例(如SiO2/Al2O3,Al2O3/Na2O和Na2O/SiO2摩尔比)是影响地质聚合反应过程的两个重要方面,共同决定着最终合成产物的性质。在硅铝酸盐材料的碱激活过程中,碱性激发剂的性质对确定最终产物结构和机械性能有着重要影响。地质聚合反应开始于硅铝酸盐中的硅铝相结构在碱性激发剂下解体溶解出SiO2和Al2O3[13],因此,碱性激发剂是使硅铝酸盐材料中Si和Al原子溶出形成地质聚合物前驱体的关键。
本研究为合成具有足够机械强度和合理微观结构的粉煤灰-偏高领土基秸秆地质聚合物保温建筑材料,实现绿色节能,在已有的研究基础上[4, 12],设计4组Na2O/SiO2摩尔比(地质聚合物中主要化学活化剂的摩尔比)和L/S比(碱性激发剂与固体原料质量比)的实验,研究Na2O/SiO2 摩尔比对粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物物理机械性能及在高温环境下热性能的影响。
2 材料与方法 2.1 材料特征粉煤灰,由微小玻璃体组成的非均质物质,通常含有大量粒径不等的球形颗粒[14]。实验中采用F级粉煤灰(ASTM标准),取自浙江省杭州半山电厂,为磨碎的煤粉由热空气携带送入燃煤锅炉炉膛内燃烧后形成的热烟气沿烟道流动经除尘器分离而来,燃煤锅炉炉温控制在1000~1500℃。
偏高岭土由高岭土经800℃煅烧 2 h脱去羟基冷却后得到,具有层状非晶态结构[15]。本实验通过X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)及激光粒度技术分别分析了偏高岭土与粉煤灰的化学组成(表 1) 、矿物组成(图 1) 、颗粒级配(图 2) 进行分析。
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表 1 偏高岭土与粉煤灰主要化学组成表 Table 1 Chemical compositions of metakaolin and fly ash |
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图 1 偏高岭土与粉煤灰的主要矿物组成图 Fig.1 XRD patterns of metakaolin and fly ash |
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图 2 偏高岭土与粉煤灰的颗粒级配 Fig.2 Particle size distributions of metakaolin and fly ash |
掺入地质聚合物中的纤维为水稻秸秆,经粉碎机粉碎并过0.63 mm砂石筛得到,取自浙江金华武义县农田。
碱激活剂由分析级的氢氧化钠(NaOH)和工业级水玻璃(Na2O·nSiO2)制得的混合溶液,水玻璃模数n = 4.5,含3.48%(wt)的Na2O,15.04 %(wt)的SiO2。实验过程水均使用蒸馏水。实验在25℃室温下进行。
2.2 地质聚合物试块的制备参照表 2制备地质聚合物,通过调节碱液中的氢氧化钠与水玻璃之比获得4组样品(表 2) ,每组含15% 的粉煤灰。样品G-1.5-I为选用Na2O/SiO2 = 1.5,L/S = 0.65的碱性激发剂制得的地质聚合物,G-1.5-II为选用Na2O/SiO2 = 1.5,L/S = 0.87的碱性激发剂制得的地质聚合物。
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表 2 地聚合物样本的设计配合比 Table 2 Design of the investigated geopolymer samples |
固体原料先进行干混,加入碱液后搅拌成均匀混合物,注入模具中成型24 h后脱模,然后放置于温度为(25±2) ℃,相对湿度为(70±5) % 恒温恒湿箱中进行养护。
2.3 试验方法抗压强度参照标准《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671-1999) 进行测定,选择加载速率为0.6 MPa×s-1的压力试验机。
导热系数实验采用平板稳态法测定,实验设计3个平行样,结果取其平均值。
高温暴露按以下步骤:升温至800/1000℃,保持2 h,然后在炉内冷却至室温,此样品标记C。温度设定:预设温度前100℃ 至预设温度,温速为2℃×min-1,其余温速为10℃×min-1《建筑构件耐火试验方法》 (GB/T 9978.1-2008) )。
体积密度(Bulk density)通过下式计算,为减小误差,选用表面无缺陷且形态规整的样品。结果均取5个样的平均值。
$D=\frac{{{W}_{d}}}{{{W}_{a}}-{{W}_{w}}}$ |
其中,D 为体积密度,g×cm-3;Wd 为干燥试块的质量,g;Wa为饱和吸水后试块在空气中的质量,g;Ww为饱和吸水后试块在水中的质量,g。
样品在大气压下的吸水率(WA24 h)通过样品在水中浸泡24 h(或样品已达到恒定质量的±0.1%),然后在60 ℃下烘干24 h(或样品已达到恒定质量的 ±0.1%)测得。
压汞法(AutoPore IV 9510) 用于测定地质聚合物在800℃高温暴露前后孔结构变化,汞表面张力为0.485 N×m-1,接触角为130 °。测试前样品经破碎处理成小于5 mm的颗粒,储存在无水乙醇中至少24 h,然后在105 ℃下干燥4 h。
扫描电镜(S-4700型,日本HITACH公司)用于分析800\1000 ℃高温暴露前后地质聚合物断裂面的形态结构变化。样品喷金处理后于15 kV的加速电压下拍摄。
热分析(STA 409 PC,德国耐驰公司)用于评估地质聚合物在高温环境下的质量损失。样品先研磨,再 80℃预处理1 h脱去样品表面的自由水,然后置于氧化铝坩埚中,在空气氛围下以10 ℃×min-1的加热速率升温至800℃。
XRD图谱(X’Pert Pro型X射线衍射仪,荷兰帕纳科公司)用于分析800\1000 ℃高温暴露前后的地质聚合物的物相变化。测试采用Cu Kα 靶源,以0.01 ° 的步长和每步0.5 s的速度进行扫描,角度范围在10 °~90 °。红外光谱(Nicolet 6700型,美国Thermo公司)分析样品800\1000℃高温暴露前后的化学结构变化,粉末状样品与0.2%~1.0 %(wt) KBr混合制成圆形压片,4 cm-1扫描灵敏度,记录399~4000 cm-1波数。
3 实验结果与讨论 3.1 地质聚合物的特性由表 2制得的地质聚合物,在铸模前期表现出明显的工作性能差异,样品G-1.5-II表现最差,是由于偏高岭土颗粒是一种细度更好的颗粒,加之粉煤灰空心球体颗粒的滚动、润滑作用提高了混合基体的流动性和和易性[16, 17]。因此一定液固比下,由含高硅酸钠浓度的碱性激发剂制得的混合物在铸模前的流动性增加。
粉煤灰部分取代偏高岭土合成的地质聚合物在模中的凝结硬化时长要比纯偏高岭土基地质聚合物的长,这是因为偏高岭土(19.9779 m2×g-1)与粉煤灰(2.4328 m2×g-1)的比表面积不同,意味着在一定液固比下,固体颗粒与碱液间的总接触表面积因粉煤灰的部分取代而导致溶解速度降低以及由此产生的地质聚合凝胶致密速度降低,而粉煤灰的较慢活化则是反应时间延长的主因。
3.2 表观现象4组不同样品在高温(800\1000 ℃)下的表观现象直观反映了各自的热行为。
地质聚合物经高温暴露后原本致密的基体膨胀产生了广泛的浅层的及内部裂缝,裂缝的宽度及分布随着暴露温度从800℃到1000℃而变化和发展。这种急剧的膨胀和广泛的裂缝导致了样品尺寸和形状的变化。当加热至800℃,固体原材料中的石英发生不均匀膨胀,导致微裂纹产生,进而引起材料强度的下降。尤其在1000℃,样品的裂缝宽度明显增加,甚至出现基体开裂。同时还可观察到样品发生了非常明显的颜色变化,由原来的深灰色图 3(a)转变为浅粉色(800℃,图 3(b))及白色(1000℃,图 3(c))。地质聚合物在高温暴露后的颜色变化可能是粉煤灰中的铁氧化所致,如Fe2O3[18~20],可从XRD图谱中Hematite(Fe2O3)相的出现推断。
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图 3 高温暴露前后地质聚合物样品图 Fig.3 Images of geopolymers before and after high temperature exposure |
表 3与图 4表明地质聚合物的体积与质量经高温暴露后均出现不同程度的损失,且随Na2O/SiO2的增大而增加。地质聚合物的该类热行为可能是由于所采用的粉煤灰的LOI值(loss on ignition)、地质聚合反应过程中形成的物相及各自的热稳定性与水的含量引起[12]。
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表 3 样品经800\1000℃高温暴露前后的物理与力学性能变化 Table 3 Physical and mechanical properties of geopolymer after 800\1000℃ treatments |
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图 4 800\1000℃高温处理2 h 前后的地质聚合物的抗压强度 Fig.4 Compressive strength of the geopolymers before and after 800\1000℃ treatment for 2 h |
所有标准养护样品均达到相对较高的7 d和28 d抗压强度,但不同组间的7 d、28 d抗压强度不同(图 4) ,这是由于不同Na2O/SiO2摩尔比导致地聚合反应的发生程度不同。
试件G-1.5-II在高温处理前后的抗压强度高于试件G-1.5-I(图 4) ,说明较高L/S比有利于地质聚合物基体形成更加致密的结构,促进高水平的地质聚合反应,从而获得更高的抗压强度,在高温暴露后也有较高的抗压强度。抗压强度的变化表明高温暴露使地质聚合凝胶体含量与性质发生了变化,同时地质聚合物基体的微观结构也发生了变化。G-1.5-I试件的7 d抗压强度相对最低,但在高温暴露后的强度损失最小,意味着该组样品在高温过程中有一定的强度获得。
样品的导热系数随Na2O/SiO2的增大而增大,表现最好的是G-1.2-I,为0.05276 W×(m×K)-1。
样品的W24 h与抗压强度一样随着Na2O/SiO2的增大而下降,该行为很好的说明了一定L/S下通过调整碱性激发剂中硅酸钠的浓度,得到合适的Na2O/SiO2摩尔比,获得具有相对不复杂微观结构和相对较高开孔孔隙率的地质聚合物[12]。对比标准养护下和800℃高温暴露下的W24 h,可间接反映样品的孔隙形状在高温过程中发生的变化,这可以由MIP分析进一步证明。高温暴露800 ℃和1000 ℃后样品的W24 h间的差异变化并不明显,可能与1000 ℃后样品中存在宽度很大的裂缝有关。所有样品中,G-1.5-II具有相对更高的吸水率和抗压强度,这与该组样品的L/S比有关。
地质聚合物的密度与强度变化有很好的一致性,4组样品均表现出较高的抗压强度与表观密度(1.89~2.10 g.cm-3)。经高温处理后的地质聚合物样品的表观密度同抗压强度相似地表现出下降。样品的表观密度只下降了较小的百分比,但抗压强度损失超过45%,这意味着表观密度的下降并非是引起高温暴露后样品抗压强度下降的主控因素。
3.4 微观结构SEM分析样品的微观结构,发现养护样品中有未反应粉煤灰颗粒存在于基体结构空腔中(图 5(a)),这些空腔很可能是已经溶解了的粉煤灰颗粒留下的痕迹[17]。标准养护下的地质聚合物具有地质聚合凝胶包裹着未反应粉煤灰颗粒的典型微观结构,基体仍然保持着偏高岭土颗粒的无定形层状结构(图 5(b))且明显多孔,它的形成可解释为残余玻璃相(或结晶相,如莫来石晶粒)与地质聚合物凝胶体间性能的差异。该多孔体系可作为高温过程中水分的逃逸路径,而不对基体产生显著的损害。围绕着残余颗粒及秸秆纤维的多孔结构区将会成为地质聚合物负荷时的薄弱区域[21, 22],可观察到有交叉裂缝通过这些多孔区。存在于基体中的未反应相粉煤灰改变了地质聚合物的整体和谐性。
高温暴露后样品的微观结构发生明显的变化(图 5(a),(c)),有原先相对致密的凝胶体在高温后收缩形成的孔,秸秆纤维因温度的不断升高而热解碳化(图 5(b))。值得注意的是,高温暴露后样品的层状结构因地质聚合物的烧结和铝硅酸盐的黏性流动[23]变得相对更少且表观光滑(图 5(c),(d))。
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图 5 800 ℃和1000℃高温暴露前后的地质聚合物电镜图 Fig.5 SEM micrographs of the geopolymer: cured (a-b), after exposed to 800℃(c) and 1000℃ (d) |
MIP分析在此处提供了凝胶结构随Na2O/SiO2摩尔比及高温暴露变化的指示性描述。对于样品G-1.2-I、G-1.5-II,介孔是最主要的孔形(表 6) ,说明该粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物的微观结构非常复杂。介孔存在于铝硅酸盐凝胶网络结构中,而在地质聚合物基体中大于200 nm的孔隙很可能与存在于部分反应和未反应固体原材料间的界面空间及地质聚合物凝胶有关[24]。在高温暴露之后,主要孔形由介孔转变为大孔,说明高温引起基体中孔形重组。此外,样品的孔隙率在高温之后有一定程度上的下降。
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表 6 由MIP测得的地质聚合物在800℃高温暴露前后的孔径分布和孔隙率 Table 6 Pore size distribution and porosities of the geopolymers before and after 800℃ exposure for 2 h (measured by MIP) |
地质聚合物的热稳定性可通过热分析得到,图 6为G-1.2-I样品的TG-DSC曲线。
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图 6 地质聚合物G-1.2-15(4)-I 的TGA-DSC 曲线 Fig.6 TGA-DSC curves of geopolymer G-1.2-15(4)-I |
TG曲线说明随着温度的升高,地质聚合物经历了一个明显的连续质量损失高达700℃,之后质量保持恒定直到800 ℃,整个过程的总质量损失为12.85%。质量损失主要是样品中自由水(T < 200 ℃)和化学结合水(200 ℃ < T < 700 ℃) 的脱水蒸发引起,即吸附在地质聚合物表面或孔隙的自由水以及存在于地质聚合物基体结构(Si-OH和Al-OH)中的化学结合水在高温下解聚。在200 ~700℃,样品的质量仍在持续下降也与该过程存在烧结和铝硅酸盐的黏性流动[18]致使凝胶体出现收缩以及基体中秸秆热解有关。随着外部温度的增加,样品中的水分向样品的表面迅速迁移并逃离,从而在样品的表面引起裂缝并导致整个地质聚合物基体结构的内在损伤[17]。高温暴露下脱水过程引起的质量损失,与样品中被吸附的水和孔的数量及尺寸有关[11]。
DSC曲线在整个地质聚合物热分解反应过程中有一个很大的吸热峰(20 ~200℃),这是样品中自由水脱水蒸发所致,与TG分析一致。在200~700℃,DSC曲线呈现波浪状,说明在该温度阶段有物质热分解:以化学结合形式存在Si-OH和Al-OH中的水在高温下解聚被释放出来,形成第二个较小的吸热峰(310~420℃);此后为吸热峰和放热峰交替生成,为秸秆中纤维素、半纤维素和木质素等化学组分先后热解[25],故可推断地质聚合物中的秸秆碳化就发生在该阶段;在该温度阶段地质聚合物继续热分解,同时可能有新的晶体物质形成[26]。在700~800 ℃,DSC曲线为吸热峰,而TG曲线上质量损失已达到稳定,这说明在700℃前生成的新晶相具有较高的热稳定性,在该阶段发生的是SiO4四面体与AlO4四面体的解聚。
3.6 相变化图 7(a)~(d)为样品G-1.2-I,G-1.3-I,G-1.5-I和G-1.5-II在800\1000 ℃高温暴露2 h前后的XRD图谱对比。
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图 7 不同Na2O/SiO2 摩尔比及L/S 的地质聚合物高温暴露前后的XRD 图谱 Fig.7 XRD patterns of the geopolymer with different Na2O/SiO2 and L/S ratios |
地质聚合物的结晶相在地质聚合反应过程中表现为惰性,因此样品的结晶相组成可反映固体原材料的结晶相。地质聚合物的XRD图谱有一个典型的无定形驼峰(2θ为25 °~35 °),为非晶质成分的特性,说明了地质聚合物的基体为无定形结构。从标准养护下的地质聚合物的XRD图谱中可以看到样品的主结晶相为石英(Quartz)和莫来石(Mullite)。石英与莫来石来自于偏高岭土和粉煤灰。
样品在高温暴露后虽有结晶相上的变化,但仍保留了其特有的无定形驼峰,标准养护样品检测出的含水结晶相在高温之后均被摧毁。在800\1000 ℃高温暴露后的样品中均检测出霞石(Nepheline,NaAlSiO4),尤其在1000℃后出现更多更高峰值强度的霞石及磷石英(Tridymite,SiO2)。霞石 (1257 ℃)与磷石英(1670 ℃)为高温晶相,具有很高的熔点,可以提高样品的热阻,从而提升耐高温性能[27]。霞石的形成可能与高Na2O/SiO2摩尔比的碱液制得的样品中存在相对较高浓度的自由钠离子有关[12]。此外,从XRD图中发现,在Na2O/SiO2摩尔比从1.2到1.5变化时,霞石和磷石英的峰值强度在上升。
莫来石(Mullite)和石英(Quartz)的峰值强度在高温暴露后出现下降。莫来石的熔点会随其化学组成稍有变化,大约在1830 ℃[28]。因此,样品煅烧至800 ℃时,莫来石不会出现熔融或溶解。但碱激活剂作为一种优良的烧结剂使得存在于地质聚合物中的自由金属钠会引起莫来石相在较低温度下溶解或熔融[29],从而进入地质聚合物中。
IR光谱(图 8) 显示了地质聚合物间存在的差异主要是其主要特征峰(1015 cm-1)的尖锐程度,样品G-1.2-I对应的特征峰(1021.4 cm-1)最为尖锐,该差异反映了不同Na2O/SiO2摩尔比碱液下的地质聚合反应程度的不同,同时也体现了样品的抗压强度的不同。
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图 8 不同Na2O/SiO2 摩尔比及L/S 比的地质聚合物常温养护下的FTIR 图谱 Fig.8 FTIR spectra of the geopolymer with different Na2O/SiO2 and L/S ratios |
在所有样品的IR图谱中,3470~3450 cm-1和1650 cm-1两处突出的宽峰为水吸收峰,来自于样品中的结合水。3470~3450 cm-1为O-H的不对称收缩振动,而1650 cm-1附近的吸收峰对应水的H-O-H的弯曲振动,反映了地质聚合物中有液态游离水的存在,这些水或被吸附在地质聚合物表面或是被困于环状地质聚合产物的结构空腔中[15, 30]。高温暴露后,该两处吸收峰的峰值强度均出现非常明显的减弱甚至消失,但结合水的去除并没有带来结构上的显著变化。此外,这也说明了地质聚合物在更高温度下具有很好的热稳定性,且仍保持其在XRD下测得的无定形特点及原子(Al、Si和Na)组成环境。
所测样品IR图谱中有3处显著的独立吸收峰,分别在1015、720和460 cm-1附近。1015 cm-1附近的强峰及1400 cm-1处的弱峰为Si-O-Si或Si-O-Al的不对称伸缩振动峰,为地质聚合物的特征峰[31, 32]。720 cm-1 附近则为Si-O-Si或Si-O-Al对称伸缩振动峰,而460 cm-1附近的吸收峰为Si-O的变形振动。这些频段的峰在环状硅酸盐中是常见的,由于它们的强度不依赖于结晶程度,因此可通过这些分子振动来研究地质聚合物的非晶化程度,进而研究高温暴露对地质聚合反应程度的影响。Si-O-Si振动峰要比O-Si-O变形振动峰更占主导,因此可用Si-O-Si振动峰来指示地质聚合反应程度。高温暴露后,样品G-1.2-I的Si-O-Si振动峰(1015 cm-1)的峰强相对较高,这与该组样品的抗压强度相符。在1015 cm-1附近的不对称伸缩振动强峰向低波数移动,而1400 cm-1处的弱峰消失,460 cm-1峰轻微趋向高波数位移,随之有氧化铝进入到地质聚合物中[29],说明在高温暴露过程中地质聚合物中的Si被Al取代,原有的铝硅玻璃体结构发生了解聚,致使一定程度上影响了Si-O的不对称伸缩振动峰,表现为锋位移动[34, 35]。值得注意的是,在870 cm-1附近的吸收峰在800/1000℃暴露后消失,为Si-OH [36]的脱水。
3.7 Na2O/SiO2摩尔比对地质聚合物的影响Na2O/SiO2摩尔比在地质聚合物碱激活过程凝胶体形成的致密程度及地质聚合反应程度中显现出非常重要的作用。一般来说,通过增加碱液中硅酸钠溶液比例来调整地质聚合反应中化学活化剂Na2O/SiO2摩尔比,有利于地质聚合凝胶体发展并形成更加致密的结构,而孔体系以介孔为主,整体占比则随之下降;同时可促进高水平的地质聚合反应,形成相对更高的抗压强度,但相应的反应时间则延长,重要的是在高温暴露后有一定的抗压强度获得。此外,较高Na2O/SiO2摩尔比则会导致地质聚合物在高温暴露后的吸水率下降,体积与质量损失率、密度增加。
4 结论常温下制备的4组由不同Na2O/SiO2摩尔比的碱性激发剂激活的粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物表现出不同的高温暴露后的物理性能、机械性能及热性能,现将结论总结如下。
(1) 粉煤灰部分取代偏高岭土合成秸秆地质聚合物降低了反应固体颗粒与碱液之间的接触表面积和平均反应活性,导致一个相对较低的初始地质聚合反应速率和更长的反应持续时间。地质聚合物的最终反应程度取决于该两种原材料的平均反应活性及反应时长之间的平衡关系。一定L/S下,Na2O/SiO2为1.2时,相比Na2O/SiO2为1.3和1.5时具有相对较高的抗压强度,考虑获得适宜的工作性能,一定程度上增加碱液中硅酸钠溶液比例,有利于地质聚合物基体形成相对更加致密的结构,获得相对更高的抗压强度和更低的渗透率。
(2) 标准养护下的地质聚合物具有地质聚合凝胶包裹着未反应粉煤灰颗粒的典型微观结构,基体仍然保持着偏高岭土颗粒的无定形层状结构且明显多孔,主要以介孔形式存在。在800\1000℃ 高温暴露后,地质聚合物经历一定的质量损失且微观结构出现地质聚合凝胶体的收缩,但仍能保持近10 MPa的抗压强度。
(3) 从热分析可得,粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物在800\1000℃ 暴露过程中有新晶相形成,使其具有很好的热稳定性。由XRD分析可知,粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物仍保持无定形态至半晶相结构,且在800\1000℃下,均有新的晶相(霞石、磷石英)生成。从IR图可知,1015 cm-1处峰为粉煤灰-偏高岭土基秸秆地质聚合物的主要特征峰,该处峰形随着Na2O/SiO2摩尔比和L/S降低而明显尖锐,说明Na2O/SiO2摩尔比深刻影响着地质聚合反应程度。
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