摘 要

地质聚合物是近年来国内外研究的热点领域之一，是一种新型的无机胶凝材料，在取代硅酸盐水泥作建筑材料上展现出巨大潜力。碳酸岩微粉(白云石和石灰石)是地球上储量巨大且相对便宜的天然矿物，在水泥基材料中已得到高效、安全应用。本文主要借鉴碳酸岩微粉在水泥基材料中的成功经验，在地质聚合物中引入碳酸岩微粉以探索对地质聚合物体系性能改性途径。本论文以粉煤灰和偏高岭土为主要硅铝质原料，改性水玻璃为激发剂，掺入碳酸岩微粉(石灰石和白云石)制备地质聚合物，研究了① 粉煤灰-偏高岭土二元胶凝体系基础配合比设计和确定；② 白云石粉（石灰石粉）对粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物抗压强度和产物影响；③ 40 ℃（60 ℃）养护条件下白云石粉（石灰石粉）对地质聚合物抗压强度和产物的影响。本论文通过测地质聚合物抗压强度和对反应产物进行XRD分析和SEM分析，得出以下结果：

随着偏高岭土掺量增加，地质聚合物抗压强度增大，但是地聚合物中存在大量游离态的碱可能是导致体系稳定性的根源，进而影响体系力学性能。当粉煤灰掺量为70 wt%-偏高岭土掺量为30 wt%时体系抗压强度倒缩现象严重，所以选择掺入一定量的白云石微粉或石灰石微粉等质量取代粉煤灰和偏高岭土；常温下白云石掺量为5wt%~10wt%时，对地质聚合物强度提升效果更显著，比石灰石粉更适合作为提高粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物抗压强度的辅助性胶凝材料；随着温度的升高，掺入白云石粉或石灰石粉的地质聚合物结构致密，不同龄期的强度均呈现不同程度的增长，掺入5 wt%~10 wt%的白云石粉或掺入20wt%石灰石粉对提升地质聚合物抗压强度效果显著。

综上，碳酸盐微粉中存在着大量的Ca² ，而Ca² 在地质聚合物结构中起着电荷平衡阳离子的作用，能够促进地质聚合物抗压强度的增加，所以一定量碳酸岩微粉的引入能够提高地质聚合物性能。

关键词： 地质聚合物 白云石 石灰石 养护温度 抗压强度

ABSTRACT

Geopolymer is one of the hotspots in domestic and foreign research in recent years. It is a new kind of inorganic cementitious material, which shows great potential in replacing Portland Cement as building materials. Carbonate powder (dolomite and limestone) is a huge and relatively expensive natural mineral on earth, and has been used efficiently and safely in cement-based materials. In this paper, the successful experience of carbonate-based powder in cement-based materials is introduced, and the carbonate powder is introduced into the geopolymer to explore the way to improve the performance of the geopolymer system. In this paper, fly ash and metakaolin as the main silicon aluminum raw materials, modified water glass as the activator, mixed with carbonate powder (limestone and dolomite) to prepare geopolymers, studied ① fly ash - kaolinite two (10 ℃) under the condition of 40 ℃ (60 ℃) under the conditions of dolomite powder (limestone powder), and the effect of dolomite powder (limestone powder) on the compressive strength and product of fly ash-metakaolin-based geological polymer; Powder) on the compressive strength of the polymer and the influence of the product. In this paper, the following results were obtained by measuring the compressive strength of the geopolymers and XRD analysis and SEM analysis of the reaction products.

With the increase of metakaolin content, the compressive strength of the geopolymers increases, but the presence of large amounts of free base in the polymer may be the source of the stability of the system, which in turn affects the mechanical properties of the system. When the content of fly ash is 70 wt% - the content of metakaolin is 30 wt%, the compressive strength of the system is serious, so choose a certain amount of dolomite powder or limestone powder to replace the fly ash and Matakaolin; dolomite content at room temperature is 5wt% ~ 10wt%, the effect of enhancing the strength of the geopolymer is more significant than the limestone powder and it is more suitable as the auxiliary cementitious material for improving the fly ash - metakaolin-based geopolymer compressive strength . The strength of the geomaterials doped with dolomite powder or limestone powder is dense, and the strength of different ages increases with different degrees, and 5 wt% to 10 wt% of dolomite powder is mixed with The effect of 20wt% limestone powder on the compressive strength of the geologic polymer is remarkable.

In addition, in the carbonate powder there is a large amount of Ca² , and Ca² plays a role in the charge balance cation in the structure of the geopolymer, which can promote the increase of the compressive strength of the geopolymer. Therefore, the introduction of a certain amount of carbonate powder can Improve the performance of geopolymers.

Key words: Geopolymer；Dolomite；Limestone；Curing temperature；Compressive strength

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 地质聚合物 1

1.2.1 地质聚合物定义 1

1.2.2 地质聚合物发展历程 2

1.2.3 地质聚合物中的硅铝质原料 2

1.2.4 地质聚合物反应机制 3

1.2.5 地质聚合物的特点 3

1.2.6 地质聚合物应用 3

1.3 辅助性胶凝材料 3

1.3.1 石灰石粉 4

1.3.2 白云石微粉 4

1.4 课题研究内容 4

第二章 实验原材料和方法 6

2.1 实验原材料 6

2.1.1 铝硅酸盐原料 6

2.1.2 碱激发剂（改性水玻璃） 12

2.2 实验方法 13

2.2.1 地质聚合物试样制备 13

2.2.2 抗压强度 14

2.2.3 微观结构分析 14

第三章 白云石粉和石灰石粉对地质聚合物性能影响 15

3.1 粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物配合比设计 16

3.1.1 偏高岭土掺量对粉煤灰基地质聚合物抗压强度的影响 16

3.1.2 微观性能表征 17

3.2 白云石微粉对粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物抗压强度的影响 18

3.3 石灰石粉掺量对粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物抗压强度影响 19

3.4 三元胶凝体系的微观性能表征 20

3.5 本章小结 22

第四章 40 ℃和60 ℃养护对地质聚合物性能的影响 23

4.1 40 ℃养护对地质聚合物性能的影响 23

4.1.1 40 ℃养护下白云石微粉对地质聚合物性能的影响 23

4.1.2 40 ℃养护下石灰石微粉对地质聚合物性能的影响 24

4.2 60 ℃养护对地质聚合物性能的影响 24

4.2.1 60 ℃养护下石灰石微粉对地质聚合物性能的影响 24

4.2.2 60 ℃养护下石灰石微粉对地质聚合物性能的影响 26

4.3 养护温度对地质聚合物抗压强度影响对比 26

4.4 三元体系微观性能表征 27

4.5 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 32

参 考 文 献 33

致 谢 37

1. 绪论

1.1 引言

地质聚合物是由法国科学家Joseph Davidovits^[1]教授在1970年代最先提出来,地质聚合物的形成主要是基于两种材料之间的反应：碱激发体和活性铝硅酸盐前体（反应前期主要为偏高岭土、粉煤灰矿渣等）^[2]。主要成分为含有良好的物理和化学性能的铝硅酸盐材料并且应用广泛，包括预制结构和非结构构件、混凝土路面和产品、遏制和固定有毒、有害废物和放射性废物、先进的结构加工和应用在建筑、飞机、船舶、赛车和核电产业耐火中的复合材料^[3]。

在全球气候变暖的大环境下，要实现地质聚合物低碳可持续发展正面临严重的挑战。最大限度的利用辅助性胶凝材料可以实现低碳和可持续发展^[4-6]。辅助性胶凝材料可以提高环保和经济效益，更重要的是还能改善地质聚合物的性能^[7]。辅助性胶凝材料作为矿物掺和料应用于混凝土中具有很好的填充效应、活性效应和微集料效应，其渗入可以改善地质聚合物的性能。制备复合辅助性胶凝材料，使其与地聚物优势互补，以提高地聚物性能。

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