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两种地质聚合物胶凝材料的制备及性能与聚合机理研究

林伟青  
【摘要】:自英国工程师J.阿斯普丁在1824年获得发明专利至今,硅酸盐水泥不过200年的应用历史,但其应用普及程度惊人,已成为建筑行业的主要胶凝材料。然而,由于硅酸盐水泥生产“两磨一烧”的工艺,导致了大量能源的消耗和粉尘、二氧化碳气体的排放,给环境带来巨大的危害。因此,寻找高性能且绿色环保的水泥替代产品成为人类未来发展的重要课题。地质聚合物是1978年由法国科学家Davidovits所提出的一个现代胶凝材料概念,由于其绿色的制备工艺和优异的性能特点,被认为是硅酸盐水泥最具潜力的替代品。然而,时至今日,全球尚无一个关于地质聚合物产品生产的标准,其中原因之一,便是对地质聚合物制备原料的活性评判缺乏标准。本研究选取了高岭土(硅酸盐质矿物)和白云岩粉(碳酸盐质材料)为原料,在大量测试和表征分析(TG-DSC、SEM、XRD、FT-IR、NMR)的基础上,通过对高岭土的热变质过程及白云岩粉的化学反应性的研究,阐明了其作为地质聚合物制备原料的活性来源,即:高岭土热变质过程中的结构改变(由晶相转变为非晶相),使Al由6配位转变为4配位,带来了反应活性;白云岩由于其与碱的化学反应,释放出Ca~(2+)、Mg~(2+),与硅酸盐络阴离子结合形成硅酸盐类物质。据此,本文提出以偏高岭土和白云岩在碱液中的溶出度作为其活性的量化评判指标。在上述基础上,本文采取压制成型的工艺,制备了偏高岭土基和白云岩基两种地质聚合物,通过考虑不同激发剂体系、不同碱浓度和不同龄期对原料溶出度及试样孔隙率和抗压强度的影响,结合两种不同原料的聚合反应机理分析,建立了偏高岭土和白云岩原料活性和相应地质聚合物力学性能之间的量化关系,并给出了最佳制备工艺。在该工艺下制得的偏高岭土基和白云岩基地质聚合物试样均具有良好的抗压强度,在室温养护条件下的28天抗压强度分别达到37.5 MPa和122 MPa,在300℃保温2小时条件下偏高岭土基地质聚合物试样的28天抗压强度达69 MPa,在150℃保温2小时条件下白云岩基地质聚合物试样的28天抗压强度达167 MPa,如此性能的白云岩基地质聚合物,尚未见文献报道。


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