高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为

为研究高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的动态压缩力学行为,本文制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%、0.3%的BFRGC试件,并对其进行了不同温度(20、200、400、600、800℃)下的动态冲击试验。结果表明:BFRGC试件静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应。BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度的温度阀值为400℃。随着温度的升高,BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大。掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,且其最佳掺量为0.1%。

地质聚合物的制备与应用研究现状

地质聚合物是由硅铝酸盐原料经激发剂激发得到的一种无机非金属材料,具有原料来源广泛、制备工艺简单、碳排放量低、高强耐久等优点,应用前景非常广阔。介绍了地质聚合物及其性能特点,对制备过程中的原料活化、激发剂、外加剂和养护制度等工艺的研究现状进行了总结,列举了地质聚合物在胶凝材料、隔热吸音、催化剂和固封材料等领域的应用实例,并评述了其在制备及应用方面需要进一步探索的问题。

地质聚合物固化土研究现状及展望

随着对地质聚合物研究的不断深入,将其作为固化剂应用于土壤固化领域的研究受到了广泛关注。地质聚合物作为一种新兴的土壤固化剂,是一种以富硅铝酸盐矿物为前驱体,在碱激发剂作用下形成的绿色无机胶凝材料,具有力学性能良好、耐久性优异以及低碳环保等优点,能够有效克服水泥/石灰等传统土壤固化剂能耗高、污染大以及耐久性差等缺点,被普遍认为是传统土壤固化剂的理想替代品。为明确地质聚合物对土壤的加固机理和增强效果,回顾近年来地质聚合物固化土的研究进展,介绍地质聚合物固化土的反应机理,详述不同因素对地质聚合物固化土无侧限抗压强度和抗剪强度等力学性能的影响,讨论地质聚合物固化土在冻融循环、干湿循环以及化学离子侵蚀等作用下的耐久性,并对地质聚合物固化土技术未来发展方向进行展望。

碱激发矿渣粉煤灰地质聚合物力学性能改性及其混凝土性能

这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。碱激发矿渣粉煤灰地质聚合物(ASFG)具有早期强度高、耐酸碱等优异性能,但脆性大、韧性差等缺陷影响其推广应用。为改善ASFG的性能且拓宽可应用于ASFG改性的矿物掺合料种类,以偏高岭土、沸石粉、膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙和硅灰六种矿物掺合料作为改性材料,研究了其对ASFG力学性能的改性效果,并确定了硅灰为较佳改性材料。为深入探索硅灰对ASFG力学性能的改善作用,研究了硅灰掺量对ASFG力学性能的影响,并确定了硅灰的较佳掺量。最后,制备了碱激发矿渣-粉煤灰-硅灰地质聚合物混凝土(ASFSGC),并研究了其工作性、准静态力学性能和抗渗性。结果表明:膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙、硅灰四种矿物掺合料对ASFG的抗折强度具有明显增强效果。硅灰石粉、硅灰两种矿物掺合料对ASFG的抗压强度具有明显增强效果。对ASFG而言,硅灰是一种优质矿物掺合料。随着硅灰掺量的增大,ASFG的力学性能先增大后减小,硅灰的较佳掺量为4%。ASFSGC具有良好的工作性、优异的抗渗性能,且ASFSGC的延性较普通硅酸盐水泥混凝土提高了14.1%。

碳纳米纤维调控粉煤灰基地质聚合物力学/传感性能优化

采用物理混合法向粉煤灰基地质聚合物中加入碳纳米纤维(CNF),制备不同CNF质量分数(0~2.0%)的粉煤灰基地质聚合物复合材料。通过对粉煤灰基地质聚合物复合材料微结构、力学性能、电学性能及传感性能进行研究,揭示CNF调控粉煤灰基地质聚合物力学与传感性能的具体演变规律,并对CNF质量分数为0.5%的复合材料进行循环稳定性实验及方差稳定性量化分析。研究结果表明:当CNF添加量增加时,粉煤灰基地质聚合物的弹性模量和抗弯强度皆显著提升;当CNF质量分数为0.5%和2.0%时,复合材料的弹性模量分别提升到1.35 MPa和0.23 MPa,抗弯强度分别提升到3.9 MPa和0.32 MPa;此外,随CNF质量分数增加,复合材料的电阻率随之降低,当CNF质量分数达到2.0%时,复合材料的电阻率降低到46Ω·m,CNF的添加有利于粉煤灰基地质聚合物导电能力提升;在单向加压实验条件下,当CNF质量分数为0.5%、1.0%和2.0%时,复合材料的传感灵敏度分别为71.56、57.33与25.58,随着CNF的加入量不断增大,粉煤灰基地质聚合物的传感灵敏度先增后减,通过实验判断CNF质量分数阈值可能为0~0.5%。在CNF质量分数为0.5%的条件下,复合材料传感性能相对比较稳定。

氢氧化钠对地质聚合物制备及高温力学性能影响

该研究旨在探索锂辉石尾矿与精炼渣的资源化利用新途径。通过单因素实验和正交实验,分析了氢氧化钠添加量、水玻璃添加量和锂辉石尾矿与精炼渣掺量比对地质聚合物力学性能的影响。在此基础上,重点分析了氢氧化钠添加量对锂辉石尾矿-精炼渣基地质聚合物制备力学性能的影响,采用XRD、SEM、FT-IR等表征手段分析了氢氧化钠对地质聚合物微观结构的影响。研究结果表明,锂辉石尾矿与精炼渣掺比量为7∶3、水玻璃添加量为15 mL、氢氧化钠添加量为2 g的条件下,制备地质聚合物28 d抗压强度可达26.78 MPa。氢氧化钠添加量对地质聚合物制备的影响最为显著,当锂辉石尾矿的碱度过高时,会减缓或抑制硅氧四面体和铝氧四面体的溶出,从而影响了C-S-H凝胶和N-A-S-H凝胶的合成。XRD和SEM分析显示,随着氢氧化钠含量的增加,生成的凝胶先增多后减少,同时与蓝晶石等物质结合,提高了地质聚合物的致密程度。此外,在800℃下,锂辉石尾矿-精炼渣基地质聚合物的抗压强度损失较小,表明其具有良好的耐高温性能。

工业固废基地质聚合物在环境领域的应用研究进展

工业固废基地质聚合物是一种以工业固体废弃物为原料制备而成的新型绿色凝胶材料,具有原料来源广泛,成本低廉,绿色环保等特点,是工业固废资源化利用的重要途径之一,在环境保护领域具有十分广阔的应用前景。重点概述了不同工业固废制备地质聚合物的研究现状,并介绍了其在碳捕集、废水治理、固化重金属以及其他环境治理领域的应用研究进展,以期推动固废基地质聚合物的研究和促进工业固废的资源化利用。

钢纤维对粉煤灰-矿渣基地质聚合物工作性及力学性能的影响研究

采用控制变量法,研究了钢纤维长度与掺量对粉煤灰-矿渣基地质聚合物工作性及力学性能的影响。试验结果表明:钢纤维长度与掺量对地质聚合物的凝结时间影响不大,钢纤维长度及掺量增加,地质聚合物初始流动度下降;钢纤维对地质聚合物的抗压强度、抗折强度、折压比、等效弯曲强度、等效弯曲韧性具有明显的增强作用,且长钢纤维优于短钢纤维。

玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态力学性能

对玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(basalt fiber reinforced geopolymer concrete,BFRGC)进行了动态压缩试验,研究了玄武岩纤维掺量(0.1%、0.2%、0.3%)和龄期(3 d、7 d、28 d)对地质聚合物混凝土动态力学性能的影响,分析了玄武岩纤维对地质聚合物混凝土的强韧化效应。此外,对比分析了玄武岩纤维对地质聚合物混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土的增强增韧效果。结果表明:BFRGC的动态抗压强度(f_(cd))和比能量吸收(U)随应变率近似线性增加。随着龄期的增大,BFRGC的f_(cd)和U不断增大,且f_(cd)和U的应变率敏感性不断增强。随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC的f_(cd)和U先增大后减小,且f_(cd)和U的应变率敏感性也先增强后减弱。玄武岩纤维的最佳掺量为0.2%。玄武岩纤维对地质聚合物混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土均具有增强增韧作用。玄武岩纤维对地质聚合物混凝土的强韧化效果优于普通硅酸盐水泥混凝土。

环氧树脂掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响

【目的】为了解决地质聚合物木材胶黏剂的界面相容性差等问题,采用环氧树脂为有机掺杂剂构建有机–无机交联网络的方法,研究环氧树脂掺杂对地质聚合物木材胶黏剂综合性能的影响。【方法】将地质聚合物与环氧树脂、聚醚胺、硅烷偶联剂KH550共混制备地质聚合物基木材胶黏剂,分析不同有机掺杂剂对胶黏剂性能的影响作用,结合FTIR、XPS、SEM-EDS和锥形量热仪等分析有机掺杂剂的作用机制。【结果】不同有机物掺杂均会提高地质聚合物浆体的黏度,当环氧树脂和聚醚胺的质量分数分别为4.8%和1.2%(GECS6)时,地质聚合物浆体黏度较低,有利于均匀施胶。不同物质掺杂均会不同程度地提高地质聚合物基胶合板的胶合强度,GECS6的湿态胶合强度达到较优值0.87 MPa,相比于纯地质聚合物胶黏剂提高了248%。相较于纯地质聚合物,有机掺杂地质聚合物胶合板的热释放速率和总热释放量分别下降了7.01%和17.95%,阻燃性能得到一定程度的提高。【结论】环氧树脂与硅烷偶联剂协同作用,构建了有机–无机交联网络,提高了地质聚合物胶黏剂与木材的相容性及浆体的致密性,解决了地质聚合物木材胶黏剂的界面相容性差的问题,从而增强了胶合板的胶合强度和阻燃性能。

自燃煤矸石基地质聚合物低强度注浆材料的制备及其微观分析

以自燃煤矸石为原料,粉煤灰和低掺量复合硅酸盐水泥P·C 42.5为辅料,通过电石渣的激发作用制备了自燃煤矸石基地质聚合物低强度注浆材料并对其进行了微观分析。结果表明:在电石渣掺量(9.65%,质量分数)相同时,煤矸石、粉煤灰和水泥质量比设置为5∶3∶2或5∶2∶3时更有利于样品抗压强度发展,较质量比为7∶2∶1和7∶1∶2的样品,其样品体系地质聚合反应程度更高且55 d抗压强度可增加70%~86%;同时,与未添加脱硫石膏样品相比,添加20%(质量分数)脱硫石膏可以大幅提升样品养护全过程的抗压强度,55 d抗压强度可增加21%~50%;相关性、XRD、SEM及FTIR分析表明,样品主要水化产物为钙矾石、水化硅酸钙(C-S-H)凝胶体、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)无定形凝胶体等,且样品抗压强度主要来源于地质聚合反应产生的C-A-S-H无定形凝胶体。

采用固体硅酸钠激发的一步法地质聚合物在软土固化中的适用性研究

为解决水泥固化软土早期强度不足及制备水泥时高污染、高能耗及高成本等问题,采用固体硅酸钠(Na_(2)O·SiO_(2),简称NS)激发双先驱剂(粉煤灰(fly ash),简称FA)和磨细高炉矿渣(ground granulated blast furnace slag,简称GGBFS)制备一步法地质聚合物浆料(one-partgeopolymer,简称OPG)。研究FA掺量、NS摩尔数、碱激发剂浓度、水灰比等因素对地质聚合物浆料物理及力学性能的影响规律。在此基础上,开展优化配比试验,确定可作为土壤固化剂的地质聚合物最优配比。然后,将综合指标最优的地质聚合物配比用以固化软土。进一步研究双先驱剂中FA/GGBFS质量比和养护龄期对固化软土无侧限抗压强度(unconfined compressive strength,简称UCS)、孔隙率和孔径分布的影响。通过压汞法(mercury intrusion porosimetry,简称MIP)和扫描电子显微镜-能谱仪(scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer,简称SEM-EDS)对试验进行微观分析,揭示其固化机制。研究结果表明:固体NS激发下的一步法地质聚合物能有效加固软土,其生成的水化凝胶物(N-A-S-H、C-A-H、C-S-H和C-A-S-H)能有效黏结土颗粒,从而促进形成致密固化土骨架。FA/GGBFS为0.1、水灰比为0.8、NS摩尔数为1.0、碱激发剂浓度为3 mol/L是固体硅酸钠激发的一步法地质聚合物固化软土的最佳配比,其固化软土的28 d无侧限抗压强度可达4.4 MPa,且具有良好的工作性。本研究扩展固体硅酸钠激发的一步法地质聚合物在深层搅拌技术中的应用,为软土地基的加固处理提供理论基础指导。

纳米SiO_(2)对玄武岩纤维增强煤矸石粉-矿粉基地质聚合物砂浆性能的影响

【目的】为了改善煤矸石粉-矿粉基地质聚合物砂浆的脆性破坏特征,采用纳米SiO_(2)对玄武岩纤维增强煤矸石-矿粉基地质聚合物砂浆(basalt fiber-reinforced coal gangue-mineral powder-based geopolymer mortar,BGSG)进行改性。【方法】采用流动度、流变性、抗压强度、抗折强度、单轴拉伸和断裂试验并结合能量准则和微观手段研究纳米SiO_(2)增强地质聚合物砂浆的增韧机制。【结果】随着纳米SiO_(2)掺量的增加,BGSG的流动度逐渐下降,触变面积、屈服应力和塑性黏度逐渐增大;当纳米SiO_(2)掺量(质量分数)为3%时增韧效果最好,养护龄期为28 d时,纳米SiO_(2)改性BGSG的抗压强度为22.3 MPa,抗折强度为6.8MPa,极限拉伸强度为5.75 MPa,失稳韧度为0.534 MPa·m^(1/2),与未掺加纳米SiO_(2)的对照组相比,其抗压强度、抗折强度、极限拉伸强度和断裂失稳韧度分别增加29.1%、39.5%、36.9%、47.8%;微观分析表明,纳米SiO_(2)掺入并未改变地质聚合物水化产物的类型。【结论】纳米SiO_(2)参与聚合反应,促进地质聚合物凝胶的生成,从而增强BGSG的综合性能。

地质聚合物固化软土的力学特性及微观机理分析

为解决水泥固化软土强度低及水泥生产时能耗高、污染大等问题,拟采用矿渣、粉煤灰两种工业固体废弃物制备地质聚合物固化路基软土。通过无侧限抗压强度试验研究矿渣、粉煤灰占比对固化土强度的影响;采用X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)及扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)试验对固化土的物相组成及内部结构进行微观表征。结果表明:地质聚合物固化土具有早强特性,前驱体中矿渣与粉煤灰最优比例为9:1,对应试样28 d的抗压强度为8.2 MPa;矿渣水化产物是固化土强度提高的主要原因,粉煤灰适量替代矿渣后固化土微观结构更为致密,但过量替代后土体松散度增大。

富镁镍渣-偏高岭土基地质聚合物的制备及耐火性能研究

在富镁镍渣(HMNS)中掺入偏高岭土(MK)制备了富镁镍渣基地质聚合物,通过高温实验探究了富镁镍渣基地质聚合物的耐高温性能,并采用XRD、FT-IR、SEM和同步热分析(TG-DSC)等表征分析了富镁镍渣基地质聚合物的水化产物、相变和显微结构。结果表明,富镁镍渣基地质聚合物在室温下的抗压强度可达16.0 MPa。暴露于1200℃后,抗压强度提高至38.8 MPa且热膨胀率仅为1.05%,表现出优异的耐高温性能。室温下主要的结晶产物是镁磷石和柏林石。非晶相主要由—Al—O—P—、—Si—O—P—、—Si—O—P—O—Al—和—P—O—Mg—等结构组成。暴露于高温后,相变、物理自由水的蒸发、化学结合水的脱水、去羟基化、胶凝相的收缩以及烧结是影响富镁镍渣基地质聚合物力学性能和微观结构变化的主要因素。

铁尾矿-金尾砂-粉煤灰基地质聚合物的制备与表征

尾矿长期堆存会造成土地资源的严重浪费,还可能会污染土壤及地下水。我国高度重视固体废弃物的处理处置问题,出台了一系列政策法规,鼓励和指导企业持续提升资源综合利用水平。本文利用铁尾矿、金尾砂和粉煤灰作为原料,制备了一种三元固废基地质聚合物。通过探索试验及条件试验,得到了最佳制备条件:铁尾矿与金尾砂的质量比为1∶1,粉煤灰掺量为40%,水玻璃模数为1.3,碱激发剂掺量为9%,水灰比为0.15,养护温度为80℃,在此条件下制备的地质聚合物3 d抗压强度达33.5 MPa。通过对养护初期地质聚合物试块进行XRD、FTIR、SEM-EDS表征分析,发现原料与碱激发剂反应生成了大量凝胶类物质及沸石晶体。新生成物质与未完全反应原料共同组成了N-A-S-H体系,形成了致密结构,为地质聚合物提供了早期强度。该研究实现了铝硅酸盐类二次资源的再利用,为高硅铝尾矿、尾砂的绿色高效处理提供了新思路。

矿渣地质聚合物增强水泥固化Zn^(2+)及苯酚污染土强度研究

为解决重金属与有机物复合污染及高污染水平下水泥强度低等问题,用矿渣地质聚合物逐步代替水泥固化重金属Zn^(2+)及苯酚复合污染土,分析研究养护龄期、污染浓度及矿渣地质聚合物掺量对固化土无侧限抗压强度的影响,并结合扫描电镜和X射线衍射测试微观分析固化机制。试验结果表明,地质聚合物的掺入明显提高水泥固化土无侧限抗压强度,当取代80%水泥时,28d污染浓度Ⅰ的固化土抗压强度达到1.375MPa;延长龄期水化产物数量增加,固化土中孔隙被填充,28d龄期的固化土抗压强度是7d的1.26~2.72倍;污染浓度由Ⅰ加重到Ⅲ,胶结性水化产物生成条件被破坏,产物数量下降使得结构胶结性变差,抗压强度下降,水化产生的四方钠沸石和斜方钙沸石其使结构致密提升整体性,增大了抗压强度。

矿粉基地质聚合物混凝土的耐久性能研究

利用矿粉作为基质材料,设计6组不同碱激发剂掺量的矿粉基地质聚合物混凝土配合比方案,验证碱激发剂掺量和地质聚合物混凝土抗压强度之间的关系,制备具有高强度的地质聚合物混凝土,并进行耐久性能检测。结果表明:在地质聚合物混凝土中掺入不同比例的硅灰可以增加混凝土的致密性,但对混凝土强度的影响较大;经过200次冻融循环后,矿粉基地质聚合物混凝土的质量损失率达到32%~36%,其相对动弹性模量达到66%~76%;在硫酸盐侵蚀条件下,干湿循环90次后,其抗压强度可达到未干湿循环混凝土抗压强度的76%,具有较强的抗硫酸盐性能;地质聚合物混凝土的碳化深度均小于10 mm,但其抗氯离子渗透仅能达到2643~2897 C,抗水渗透性能达到P8级别,当掺入硅灰后,其抗渗性能达到P10级别。

天然纤维增强地质聚合物复合材料的研究进展

地质聚合物作为一种新型绿色建筑材料,因其具有优秀的力学性能、耐久性能以及绿色环保的优点,被认为是水泥的替代品之一。天然纤维增强地质聚合物复合材料(Natural Fiber Reinforced Geopolymer Composites,NFRGC)是一种将天然纤维掺入地质聚合物而制成的复合材料。因地质聚合物的抗弯和抗拉性能较低,限制了其实际应用,加入纤维可以有效提升地质聚合物的韧性。本文通过分析与综述国内外NFRGC的研究进展,总结了纤维掺量和类型对NFRGC工作性能、力学性能和耐久性能的影响,并对未来NFRGC的研究及应用提出相关建议。

壳聚糖盐酸盐改性锂辉石基地质聚合物阻燃涂料的制备及表征

面向锂辉石尾矿堆放造成的环境污染和提高建材被动防火性能的需求,本研究基于化学改性技术,制备了壳聚糖盐酸盐改性锂辉石基地质聚合物Si-C-P阻燃涂料。锥形量热仪测试结果表明:适量的壳聚糖盐酸盐(质量分数0.8%)改性使复合涂层的阻燃性能指数(FRI)从1.00增加到3.52,总产烟量(TSP)由3347.16 m^(2)减少至1688.66 m^(2)。壳聚糖盐酸盐促使形成针状无定形碳,增加了残留物的比表面积,形成了更具弹性和强韧的Si-C-P复合材料残留物,增强了地质聚合物涂层的阻燃性。