基于强度指标的地质聚合物配合比设计及其耐高温性研究_开题报告

（一）选题背景

在土木工程中，建筑能耗约占总能耗的25%以上，随着我国提出的建设资源节约型社会的要求和国家节能降耗政策的相继出台，低能耗型建筑材料势必将成为今后新型建材的发展方向。目前，广泛使用的水泥基混凝土建筑材料属于高能耗型，在混凝土的生产过程中，每生产1t水泥熟料约向大气排放1tCO2，全世界水泥工业生产的CO2排放量约占全球温室气体排放量的7%。而且其耐久性差、以及自重大等缺点也标示着其将不满足当今社会节能减排的需求。因此，研究高抗压强度、低成本、高耐久性、低能耗的混凝土材料是亟待解决的课题。

据不完全统计，全球每年生产混凝土约60亿m3，而我国每年生产混凝土达30亿m3以上，折合人均约2m3混凝土。在传统的混凝土采用的是普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，每生产1t水泥熟料的过程中约向大气排放1tCO2，全世界水泥工业生产的CO2排放量约占全球温室气体排放量的7%。随着社会化进程的推进，特别是我国城市化进程的发展，土木建设数量及规模都在急剧增加，混凝土材料的市场需求可想而知，因此寻求一种低排放的胶凝材料取代高二氧化碳排放的硅酸盐水泥是当前全世界的急切需要，市场潜力巨大。

水泥材料的研究与应用已经有相当长的时间，地质聚合物材料与普通水泥相类似，是一种很好的胶凝材料。与普通水泥相比，地质聚合物的耐高温性和抗压强度更高，导热性低、成本更低，尤其是粉煤灰地质聚合物，更是一种低能耗的原材料。因此，研究制备粉煤灰基地质聚合物混凝土，也将成为解决上述问题的一条途径。　　

（二）地质聚合物制备

最早制备地质聚合物的试验都是以锻烧高岭土为主要原料，将高岭土在600～700℃锻烧6h后，其中的高岭石大部分发生脱水，脱水后的高岭石称为偏高岭石(metakaolimite)。偏高岭石实际上是一种非晶态至半晶态的A1203与SiO2的混合体，结构松散，具有微米级和亚微米级的细度，因此具有很高的活性。地质聚合物的制备可以采用硅酸钠（水玻璃）的水溶液与氢氧化钠或氢氧化钾混合，然后与偏高岭石粉等活性物质混合成浆状，搅拌均匀后注入模具，在室温至70℃静置养护，几十分钟至数小时硬化凝结后便产生强度。国外出现以商品形式出售的地质聚合物，通过将各种物料制成粉末，按照一定配比混匀后出售，只需加水调制成流塑状即可现场使用。地质聚合物胶凝材料可通过添加各种砂、石、固体废弃物颗粒以及各种耐碱有机固体等，制成地质聚合物混凝土。

对于地质聚合物的反应机理，目前仍是众说纷纭。纵观国内外，比较具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个。

 (1)以法国科学家Joseph Davidovits为首的学者提出的采用氢氧化钠/氢氧化钾作为碱激发剂制备地质聚合物的机理模型：活性材料偏高岭土等在高碱性溶液中裂解为类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体.这些低聚物在高碱环境下发生聚合反应作用，形成一种三维网状空间结构的无机高聚物。

(2)曹德光等提出利用低模数硅酸钠溶液作为碱性激发剂来制备地质聚合物的反应机理:硅酸钠溶液中低聚合状态的硅氧四面体基团与偏高岭石中的活性铝氧层之间发生了化合反应。低聚度的硅氧四面体基团通过键合作用，将偏高岭土颗粒粘结起来，形成网络状的三维结构产物。

(3)张云升等应用环境扫描电镜SEM原位定量追踪不同类型的地质聚合物水泥在相对湿度80%条件下水化产物生成（偏高岭土颗粒松散地堆积在一起，存在许多大空隙）——发展（成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩充）——演化（颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密）的全过程。

(4)段瑜芳等通过对硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝材料进行了研究，提出碱性激发剂胶凝材料的水化大致可以分为初始期、诱导期、加速期、减速期以及稳定期等五个阶段。不同之处在于，各水化阶段的反应机理以及反应过程均与传统的水泥基材料有所不同。

(5)马鸿文等提出利用氢氧化钠和水玻璃配制碱性激发剂来激发粉煤灰和锻烧高岭石等活性物质制备地质聚合物的反应机理：铝硅酸盐玻璃相在强碱溶液的作用下发生溶解，而后随着溶液中各种离子浓度的变化，这些低聚体物质又粘结形成凝胶状的类沸石前驱体，最后前驱体脱水转变为非晶相物质。

(6)李化建等提出利用改性硅酸钠溶液作为地质聚合物成岩剂，研制煤矸石质铝硅基地质聚合物胶凝材料的水化反应机理。以煤矸石为基底材料的地质聚合物的硬化成岩可分为4个阶段：水解、迁移、原位键合、包裹胶结。

（三） 国内外研究现状

1、国外研究现状

(1)1972年，地质聚合物历史上第一项专利由法国的Joseph Davidovits教授申请，该专利关于用高岭土通过碱激活反应制备建筑板材。1976年，在国际理论和应用化学联合会的大分子会议上，Joseph Davidovits教授提议对这类碱激活材料进行统一命名，当时讨论确定的名称是聚铝硅酸盐，明确地体现出了这类材料的元素组成；在1978年，Joseph Davidovits首先采用了Geopolymer (地质聚合物)这个词汇。

(2)80年代中期以来，由于碱性激发制备出来的地质聚合物具有强度高、渗透率低、抗腐蚀性强的特点，并具有成本低廉和节能环保的优势，世界各国开始对地质聚合物进行深入研究。地质聚合物相关学科得到了很大发展，地质聚合物材料的性能也不断提高，应用范围不断扩展。 

(3)Swanepoel.J.C等采用粉煤灰和高岭土作为主要原料，在60℃养护温度下制备地质聚合物水泥，当粉煤灰的掺量为60%时，试块在60℃条件下养护48h再进行室温养护，得到7d抗压强度仅为5.6MPa，28d的轴心抗压强度为7.2MPa，抗压强度较低，各因素配比有待改进。

(4)Palomo等探究了制备以粉煤灰作为基底材料的地质聚合物中激发剂的成分、溶液浓度、粉煤灰掺量、养护温度、养护时间等因素与所形成的地质聚合物轴心抗压强度之间的关系。结果表明，当碱性激发剂为Na2Si03和NaOH混合溶液时，水灰比为0.3时，其抗压强度可以达到62.6MPa和68.7MPa；当激发剂为KOH和K2Si03混合溶液时，水灰比为0.25时，在65℃和85℃养护24h后，其28d的抗压强度分别达到38.7MPa和63.OMPa。

(5)墨尔本大学的HuaXu等研究了高岭土、粉煤灰和钠长石三种矿物的溶出率及以它们作为主要原料制成的地质聚合物，发现当三种矿物之比为4:2:1时，粉煤灰仅作为掺合料，最高抗压强度达到45.8MPa。

(6)J.G.S.Van Jaarsveld等以粉煤灰作基底材料制配出7d抗压强度达58.6MPa的地质聚合物，同时证明粉煤灰中含有较高的活性物质以及含有部分超细颗粒是制配出高强度地质聚合物的必要条件。

(7)Palomo等以锻烧高岭石作为主要原料，同时加入部分硅灰作为增强组分，制备出了抗压强度达84.3MPa的地质聚合物材料。

(8)由Foder A.J.等采用碳纤维增强技术制备的地质聚合物材料，其抗弯强度可高达245MPa，抗拉强度为327MPa左右，抗剪强度为14MPa。在800℃下，仍可保持其63%的原始抗弯强度。

2、国内研究现状

相对来说，我国在地质聚合物材料学科方面的研究目前还处于初级阶段，但随着目前国内火力发电站产生粉煤灰的量不断增多，国内环境的要求不断增高，以及快速发展的建筑行业对高性能建筑材料的迫切需求，逐步对粉煤灰基地质聚合物材料的研究广泛重视。因此，尽管我国对地质聚合物的研究与应用方面起步较晚，但发展很快。

(1)以马鸿文教授（中国地质大学）为首的课题组利用细粉煤灰60wt%，同时掺加35wt%富钾板岩提钾后的废渣，以及5wt%的NaOH  ,制备出抗压强度达到52.8MPa的面砖样品，其中单块最小抗压强度可以达到46.1MPa，性能均符合JC/T446-2000标准中的指标要求。该地质聚合物材料具有优异的耐酸碱性，达到了商品耐酸砖的国家标准(GB8488-87)，耐碱性达到了国家相关的耐碱性标准(GB7697-89 )。

(2)张云升（东南大学）等以粉煤灰为基底材料制备地质聚合物材料，研究表明，当掺加30%粉煤灰时，80℃温度下蒸养8h后抗折强度为7.15MPa，抗压强度为32.2MPa，且该材料耐久性优良。

(3)侯云芬（中国矿业大学）等通过实验发现，纯碱（NaOH和KOH）溶液作为碱性激发剂制作出的粉煤灰基地质聚合物试样力学性能较差。当纯碱溶液与Na2SiO3或K2Si03混合后，可以制配出高强度的粉煤灰基地质聚合物。当K2Si03浓度为2mol/L时，可以制配出抗压强度最大的粉煤灰基地质聚合物；随着K2Si03浓度的增大，粉煤灰基地质聚合物的抗压强度不升反降，具体原因有待进一步研究。

(4)张书政、龚克成（华南理工大学）对地质聚合物材料的性能改进方面深入研究，希望利用硅酸和铝轻基团的活性特性，通过一定的化学手段引入有机聚合物来与之反应复合生成相应的胶凝物质，以此来大幅提高地质聚合物材料的力学性能指标。

总的来说，我国在这方面的研究基本属于探索性研究。国家级课题或地方基金支持不够。主要参与研究的单位较少，都没有相关产业化的报道，申报专利和成果鉴定的报道也很少，只有少量^范文发表。

（四）选题意义及主要研究

1、选题意义

煤炭在中国一次性能源消费中约占70%，未来很长一段时期内仍将以燃煤发电为主，目前，我国每年粉煤灰的产生量已超过3亿吨。由于我国未来一段时间很大程度上都将依赖于煤炭火力发电，因此，仍将产生大量的废弃物粉煤灰。然而，目前我国对粉煤灰的综合利用率较低，只有30%左右，残余大量的粉煤灰不能得到有效利用，通常做法是堆放处理，这不仅使大量的可利用土地被占用,而且可能会污染环境。粉煤灰是火力发电厂的副产品，成分分析发现，粉煤灰是一种极细的球状颗粒，含有大量硅氧类物质，具有较高的活性，是生产地质聚合物胶凝材料的主要原料。目前，只有一小部分用于水泥混合材料掺加和加气混凝土空心砖的生产，其余大量仍作为废弃物堆放，导致环境严重被污染。所以，用价格低廉而且产量富足的工业废弃物粉煤灰替代水泥作为胶凝材料制备粉煤灰基地质聚合物混凝土具有重大的经济意义和现实意义。

2、主要研究内容

本研究以粉煤灰替代水泥作为胶凝材料，同时掺加部分硅灰（粒化高炉矿渣）以调整原材料中Si/Al比，以水玻璃（Na2SiO3）和NaOH为激发剂，加以制备地质聚合物。本课题研究采用正交实验（4因素3水平正交实验）探讨粉煤灰基地质聚合物的合理配比，控制参数：粗骨料的级配，激发剂中主要成分的质量比，养护温度等，制备综合利废效果最佳的新型地质聚合物。在胶凝材料最优比的基础上，进一步研究不同配合比的碱激发剂以及外加骨料对粉煤灰地质聚合物混凝土的密度、耐久性和抗压强度的影响。

地质聚合物混凝土在土木工程，建筑施工，维护结构，新型材料装修等方面均可替代传统水泥基混凝土材料，应用范围广阔。通过不同配比制备不同的混凝土试样，结合不同的养护温度以及养护时间，主要对其立方抗压性能、棱柱体抗压、抗折、劈裂抗拉等力学性能进行测试分析，分析养护温度与抗压强度之间的关系曲线、养护时间与抗压强度之间的关系曲线。

进一步利用最新的技术——数字图像相关法DIC测量全场应变，研究地质聚合物的应力应变关系，通过数据拟合，推测地质聚合物混凝土弹性模量的大小变化，进而探讨硅灰（粒化高炉矿渣）和暴露温度、暴露时间对地质聚合物混凝土的弹性模量的影响关系。

采用圆柱形地质聚合物混凝土试样，探究不同垫条宽度对地质聚合物混凝土劈裂抗拉强度的尺寸效应影响，分析如何才能有效真实的测出抗拉强度；对比劈裂抗拉与轴心抗压之间的数据关系，建立地质聚合物混凝土拉压比的数据关系；以及通过数字散斑DIC相关技术分析地质聚合物混凝土劈裂抗拉时的应变云图，详细清楚地描述劈裂抗拉强度实验破坏的全过程。

二、^范文提纲

1文献综述

1.1国内外研究现状

1.2选题意义及主要研究内容

2实验方案

2.1 实验方案及主要流程

2.2实验材料、设备及测试方法

2.3本章小结

3 基于强度指标的粉煤灰基地质聚合物设计

3.1 原材料组成及各原料特性

3.2实验方法与过程

3.3实验结果与分析

3.4 本章小结

4养护温度及时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展的影响

4.1实验前期准备

4.2试验结果与分析

4.3本章小结

5高温条件下地质聚合物混凝土的力学性能

5.1实验材料及前期准备

5.2高温后地质聚合物混凝土质量损失

5.3 矿渣掺量对地质聚合物混凝土强度的影响

5.4暴露温度对地质聚合物混凝土强度的影响

5.5矿渣掺量对地质聚合物混凝土弹性模量的影响

5.6本章小结

6地质聚合物混凝土劈裂抗拉力学性能研究

6.1实验前期准备

6.2劈裂抗拉强度尺寸效应研究

6.3劈裂抗拉与轴心抗压强度关系

6.4基于数字散斑DIC的劈裂抗拉分析

6.5本章小结

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