堿基地質(zhì)聚合物在低溫及真空條件下的反應(yīng)機(jī)理與應(yīng)用探索.pdf

1、堿基地質(zhì)聚合物是一類將含有硅鋁酸鹽的原材料（包括:天然產(chǎn)物、人工合成粉體和工業(yè)廢棄物等），在常溫或高溫條件下通過(guò)堿性物質(zhì)進(jìn)行激發(fā)從而制備具有[AlO4]和[SiO4]四面體的三維網(wǎng)絡(luò)無(wú)機(jī)膠凝材料。堿基地質(zhì)聚合物相比其它無(wú)機(jī)聚合物，具有性能優(yōu)異、制備工藝簡(jiǎn)單、能耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。目前，關(guān)于堿基地質(zhì)聚合物的研究報(bào)道主要是在常溫和高溫條件下，很少見到堿基地質(zhì)聚合物在低溫(＜25℃)和真空條件下的報(bào)道。由于礦渣基地質(zhì)聚合物在常溫下反應(yīng)非常迅

2、速，通過(guò)低溫條件可以將其解聚和縮聚過(guò)程適當(dāng)?shù)姆蛛x開，有利于研究堿基地質(zhì)聚合物的反應(yīng)過(guò)程和機(jī)理。同時(shí)，探究了堿基地質(zhì)聚合物在真空和凍融循環(huán)條件下的性能，實(shí)現(xiàn)了水分的可回收重復(fù)利用。本論文從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)出發(fā)，研究原材料的化學(xué)組成、硅鋁的配位形式，不同激發(fā)劑種類、堿度、用水量和緩凝劑對(duì)地質(zhì)聚合物凝膠體結(jié)構(gòu)的影響，以及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程中離子的溶出速率、固化速率和凝膠量的影響。實(shí)現(xiàn)以堿激發(fā)技術(shù)對(duì)不同固體廢棄物的高效利用，獲得具有節(jié)能環(huán)保、高附

3、加值的建筑材料。(1)采用干粉水玻璃、液體水玻璃和氫氧化鈉三種不同激發(fā)劑對(duì)礦渣進(jìn)行激發(fā)，研究不同類型陰離子、不同種類硅酸根離子對(duì)地質(zhì)聚合物反應(yīng)過(guò)程中凝膠體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示在n(Na2O)/n(Al2O3)和n(H2O)/n(Na2O)相同的情況下，三種激發(fā)劑初凝時(shí)間的變化趨勢(shì)隨著激發(fā)劑添加量的減少而降低;液體水玻璃終凝時(shí)間的變化趨勢(shì)與其它兩者不同。通過(guò)其抗壓強(qiáng)度、收縮率、SEM和DSC的表征分析，干粉水玻璃和液體水玻璃相比氫氧化鈉激

4、發(fā)生成的地質(zhì)聚合物凝膠結(jié)構(gòu)更加致密;由XRD表征可知礦渣在氫氧化鈉的激發(fā)下主要產(chǎn)物為X型分子篩，而在干粉水玻璃和液體水玻璃激發(fā)的產(chǎn)物主要為無(wú)定形結(jié)構(gòu);三種激發(fā)劑的FT-IR數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。最終選取干粉水玻璃為堿激發(fā)劑，當(dāng)?shù)V渣與干粉水玻璃的質(zhì)量之比為5∶1時(shí)，可以獲得較好的力學(xué)性能。(2)固定礦渣與干粉水玻璃質(zhì)量比為5∶1，探究不同水含量對(duì)堿基地質(zhì)聚合物力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示在水含量為粉體總質(zhì)量的25％即n(H2O)/n(Na2O)=

5、21.16時(shí)獲得較好的力學(xué)性能。并探究其在低溫條件下的反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)凝膠量表征和SEM/EDX分析可知，凝膠量隨溫度降低呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在0℃時(shí)生成量最大為37.8wt％;通過(guò)27Al，29Si魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振光譜圖分析可知隨著溫度的降低出現(xiàn)了六配位Al(Ⅵ)，而高配位Qn(mAl)結(jié)構(gòu)含量變化與凝膠量變化趨勢(shì)一致;采用ICP和電導(dǎo)來(lái)分析低溫下的反應(yīng)過(guò)程，并通過(guò)阿倫尼烏斯公式擬合計(jì)算出解聚過(guò)程的表觀活化能為-17.55kJ/m

6、ol。(3)固定礦渣與干粉水玻璃質(zhì)量比為5∶1，加水量為總粉體質(zhì)量的25％，探究粉煤灰和緩凝劑添加量對(duì)堿基地質(zhì)聚合物反應(yīng)過(guò)程的影響，并選取干粉水玻璃添加量、緩凝劑添加量、粉煤灰添加量和加水量這四個(gè)因素的較優(yōu)添加量，測(cè)試其在真空和凍融循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度;并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出干粉水玻璃添加量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大，緩凝劑添加量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最小，最佳實(shí)驗(yàn)配比為礦渣和干粉水玻璃的質(zhì)量比為5∶1，緩凝劑添加量為7％，粉煤灰添加量為10％，水量為28

7、％。(4)使用雷公墨（玻璃隕石）模擬月壤探究其堿激發(fā)活性，來(lái)制備一種可以在月球表面環(huán)境下使用的建筑材料，通過(guò)真空和凍融循環(huán)處理發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉溶液相比硅酸鈉溶液激發(fā)的玻璃隕石地質(zhì)聚合物具有更好的穩(wěn)定性，在濃度為5M的氫氧化鈉溶液添加量為42％時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為26.50MPa滿足月球表面的施工環(huán)境，并且水分回收率可以達(dá)到99.14％，實(shí)現(xiàn)水分的可回收重復(fù)利用;通過(guò)電導(dǎo)顯示該反應(yīng)主要分為解聚和縮聚兩個(gè)過(guò)程，利用阿倫尼烏斯公式擬合計(jì)算的表觀活化能

8、分別為40.52kJ/mol和59.17kJ/mol。(5)采用和月壤成分更為接近的火山灰來(lái)研究其堿激發(fā)活性，利用氫氧化鈉為激發(fā)劑來(lái)制備月球建筑材料。當(dāng)Na2O/Al2O3=1.25，水灰比為0.27，養(yǎng)護(hù)溫度為90℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d獲得最佳抗壓強(qiáng)度為50.36MPa，經(jīng)過(guò)真空和凍融循環(huán)處理后抗壓強(qiáng)度分別為45.53和44.95MPa，相比玻璃隕石地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能更佳優(yōu)異，而且也獲得了98.61％的水分回收率;通過(guò)XRD表征可知有新