國布魯克-AXS公司)來進行X-射線衍射分析，其中附接有Cu革El (Cu target)和聯(lián)凱(LynxEye)位置敏感性檢測器(posit1n sensitivedetector)。在2 Θ范圍為5°到95。，0.01°步長(step size)并且每步(step) I秒的條件下獲得衍射圖案，并且使用0.3°發(fā)散狹縫(divergence slit)和2.5°索勒狹縫(sollerslit)ο
[0074]出于定量分析樣品和使基本參數(shù)(fundamental parameter)標(biāo)準(zhǔn)化的目的，分別在相同條件下關(guān)于這個樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品(LaB6，SRM 660b，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST，US))獲得X-射線衍射圖。通過X-射線熒光譜儀(島津序列(Shimadzu Sequential)XRF-1800,日本島津公司(Shimadzu，Japan))來分析樣品的化學(xué)組成，并且計算無定形娃和鋁和鈉的含量。
[0075]使用氫氧化鈉(NaOH，Sodium hydroxide，和光純藥工業(yè)株式會社(Wako purechemical)，純度:97.0重量％或更大)、水玻璃(Na2S13.H2O,關(guān)東化學(xué)株式會社(Kantochemical)，S12 35重量％到38重量％，Na2O 17重量％到19重量％ )、鋁酸鈉粉末(NaAlO2，純正化學(xué)株式會社(Junsei chemical)，Na2O 35.0 重量％到 39.0 重量％，Al2O352.0重量％到56.0重量％ )以及鋁酸鈉溶液(NaAlO2.ηΗ20，阿特克精細(xì)化學(xué)品有限公司，Na2O 20.0重量％，Al2O3 19.0重量％，H2O 52重量％ )作為堿性活化劑。
[0076]除鋁酸鈉之外，還使用偏高嶺土(54.60重量％的S12,42.71重量％的Al2O3)作為鋁來源，所述偏高嶺土通過在700°C下燒制高嶺土粉末2小時來獲得。將NaOH與蒸餾水混合，并且在一些情況下，與水玻璃和鋁酸鈉溶液混合。在混合后24小時之后，將混合物與煤灰混合。
[0077]考慮到樣品中無定形硅、鋁以及鈉的量；堿性活化劑、水和偏高嶺土中硅、鋁以及鈉的量；以及待產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物中的Si/Al比率和Na/Al比率，通過應(yīng)用本發(fā)明的計算機程序來計算混合比率(圖3中的表)。
[0078]計算液體相重量(堿性活化劑中所含有的水和游離水(free water)(單獨添加的水))與樣品重量的比率，并且使用在實驗室中制造的微型坍落度錐(mini slump cone)來測量調(diào)配物的實際稠度。坍落度錐在其底部的內(nèi)徑是38.1毫米，在其頂部的內(nèi)徑是19毫米，并且高度是60.4毫米。
[0079]因為地質(zhì)聚合物糊狀物調(diào)配物具有高粘附性，所以將所述調(diào)配物混合成比水泥更稀，并且將其填充在微型坍落度錐中。接著提升錐體并且分開，并且在I分鐘之后測量在底板的兩個方向上鋪展的底部直徑。考慮到稠度，調(diào)節(jié)水含量以進行再混合。
[0080]使用水泥混合器將樣品和堿金屬等的混合物在低速下混合I分鐘并且在高速下混合I分鐘，并且此后在上下振動器上振動2分鐘以去除所得混合物中滯留的空氣。將調(diào)配物倒入直徑為29毫米并且高度為60毫米的圓柱形模具中，并且接著封閉模具蓋子以密封。此后，在烘箱中在可變濕度下在70°C下使密封的調(diào)配物固化72小時，接著在室溫下取出，并且在一天之后脫模。在開始固化之后120小時時，根據(jù)KSF 2405標(biāo)準(zhǔn)測量四個樣本的抗壓強度，并且計算與平均抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0081]為了測量抗壓強度，用砂紙將圓柱形測試體拋光成高度為58毫米，以使得頂部和底部垂直于側(cè)面并且彼此平行。使用掃描電子顯微鏡(JE0L JSM-6380，日本)觀察地質(zhì)聚合物的微觀結(jié)構(gòu)。在2012年11月27日與12月I日之間調(diào)配地質(zhì)聚合物，并且在調(diào)配之后暴露于空氣中持續(xù)4天以觀察存在或不存在風(fēng)化。
[0082]2.實驗結(jié)果和討論
[0083]工業(yè)分析的結(jié)果展示樣品中13.94%高含量的未燃燒的碳。在未燃燒的碳通過泡沫浮選法加以去除的樣品中未檢測到碳。在下文中，“煤池灰”或“樣品”是指其中去除碳的狀態(tài)。樣品(煤池灰)的化學(xué)組成展示在圖4中的表中。S1jP Al 203含量的總和超過70%，并且CaO含量是20%或更小。因此，可見所述樣品對應(yīng)于根據(jù)ASTM C618標(biāo)準(zhǔn)分級的F 類飛灰(Class F fly ash)。
[0084]作為定量X-射線衍射分析的結(jié)果，來自于樣品中所含有的結(jié)晶相的莫來石含量最高(22.6重量％)，石英含量和磁赤鐵礦含量分別是8.5重量％和5.6重量％ (圖5中的圖形)。
[0085]圖6展示從書川熱電廠獲得的煤池灰的無定形組成分析結(jié)果，其由X-射線熒光光譜法和定量X-射線衍射分析來計算。無定形二氧化硅的含量是36.8重量％，并且無定形氧化鋁的含量是12.8重量％，以使得無定形Si/Al比率測定為2.44。因此，為了產(chǎn)生Si/Al比率小于2.44的地質(zhì)聚合物，添加能夠提供鋁的固體鋁酸鈉或鋁酸鈉溶液或偏高嶺土。在其中Si/Al比率是2.5和3.0的情況下，使用水玻璃和NaOH(參見圖3中的表)。
[0086]在圖3中的表中所示的條件下產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物的抗壓強度展示在圖7中的圖形中?？箟簭姸仁撬膫€樣本的平均值，并且也指示標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)用不同成分的組合將地質(zhì)聚合物調(diào)配成Si/Al比率為2.0并且Na/Al比率為0.8 (樣品20AS、20NaAl、20MK)時，在微型坍落測試之后坍落的調(diào)配物底部直徑在樣品中類似，并且在樣品20AS中測量為介于40毫米到40毫米的范圍內(nèi)。
[0087]其中使用鋁酸鈉溶液和NaOH的樣品20AS的平均抗壓強度是11.2兆帕(標(biāo)準(zhǔn)差:0.9兆帕)，并且其中使用固體鋁酸鈉和NaOH的20NaAl的平均抗壓強度是12.3兆帕(標(biāo)準(zhǔn)差:1.0兆帕)。考慮到標(biāo)準(zhǔn)差，確定在其中使用固體鋁酸鈉的情況與其中使用鋁酸鈉溶液的情況之間不存在顯著差異。因此，考慮就儲存和運輸而言，使用固體鋁酸鈉將比使用溶液更有利。此外，當(dāng)使用固體鋁酸鈉時，將更容易使地質(zhì)聚合物商業(yè)化，因為地質(zhì)聚合物如在波特蘭水泥中通過僅倒入水來產(chǎn)生。
[0088]另一方面，其中使用偏高嶺土代替鋁酸鈉用作鋁來源的樣品20MK的平均抗壓強度是9.1兆帕(標(biāo)準(zhǔn)差:2.0兆帕)，展示比在其中使用鋁酸鈉的情況下略低的機械特性。這可能是因為盡管偏高嶺土在X-射線衍射分析中是無定形的，但短程有序性(short-rangeorder)仍得到一定程度的保持，以使得實際上涉及反應(yīng)的反應(yīng)性二氧化硅和氧化鋁得到量小于預(yù)期。這也可能是因為由偏高嶺土代替鋁酸鈉補充鋁，使得混合的堿金屬量相對較少。當(dāng)使用液體鋁酸鈉時，水含量是23%。然而，在其中使用固體鋁酸鈉的情況下，當(dāng)水含量略微增加到24重量％時可能獲得類似流動性(參見圖3中的表)。
[0089]當(dāng)添加偏高嶺土?xí)r，水含量增加到25重量％。這可能是樣品20MK的強度為樣品當(dāng)中最低的原因，因為調(diào)配物所需的水比例由于偏高嶺土顆粒的較大比表面積和板樣顆粒形狀而應(yīng)較高，并且游離水的量實際上最高(圖3中的表)。
[0090]這情況展示，有可能混合各種成分以便符合地質(zhì)聚合物的目標(biāo)化學(xué)組成，并且應(yīng)根據(jù)所用堿金屬和添加劑的類別和粘度來調(diào)節(jié)流動性。這是因為，盡管在其中使用偏高嶺土的樣品20MK的情況下水含量最高(25重量％ )，但L/S (液體/固體)比率最低，在微型坍落測試中獲得類似稠度。三個樣品在使用掃描電子顯微鏡觀察的斷裂表面中展示類似微觀結(jié)構(gòu)(參見圖8)。
[0091]圖8中所示的微觀結(jié)構(gòu)通常展示略微松散的結(jié)構(gòu)和較大孔隙，并且一些孔隙彼此連接。未觀察到根據(jù)抗壓強度差異的微觀結(jié)構(gòu)差異。德克遜(Duxson)等人已經(jīng)展示，地質(zhì)聚合物的微觀結(jié)構(gòu)具有與楊氏模量(Young’s modulus)而非抗壓強度的密切關(guān)系。因為在這個實驗中不測量地質(zhì)聚合物的楊氏模量，所以無法獲得在微觀結(jié)構(gòu)與楊氏模量之間的關(guān)系。然而，可見當(dāng)用鋁酸鈉和NaOH活化煤灰時，即使抗壓強度的增加也不在這個實驗條件下導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)中的顯著變化。
[0092]盡管使用水玻璃和NaOH用Si/Al比率為2.5的地質(zhì)聚合物制造的樣品25SS在微型坍落測試中鋪展成40毫米到43毫米的大小范圍，并且展示與上文的情況(其中Si/Al=2.0)類似的稠度，但其平均抗壓強度較低(3.53兆帕，標(biāo)準(zhǔn)差:0.8兆帕)。盡管Si/Al比率為3.0的地質(zhì)聚合物樣品30SS-23具有較稀的稠度，但所述樣品展示10.3兆帕(標(biāo)準(zhǔn)差:2.5兆帕)的平均抗壓強度，高于25SS的平均抗壓強度并且類似于20AS的平均抗壓強度。
[0093]其中Si/Al比率和Na/Al比率與樣品30SS-23相同但水含量減少2重量％的樣品30SS-21在微型坍落測試中鋪展成39毫米到45毫米的大小范圍，并且展示與樣品25SS類似的稠度。樣品30SS-21的平均抗壓強度是17.9兆帕(標(biāo)準(zhǔn)差:1.2兆帕)，是樣品25SS中
3.5兆帕的約5倍。已知影響地質(zhì)聚合物抗壓強度的因子是Si/Al比率和Na/Al比率、堿金屬離子的類別和含量、未反應(yīng)Al-Si顆粒的大小和其與地質(zhì)聚合物凝膠的分布表面反應(yīng)、以及水含量等。因為多種因子影響抗壓強度，所以難以整體陳述強度在某一 Si/Al比率下較高。然而，在由偏高嶺土制成的地質(zhì)聚合物的情況下，已知抗壓強度在Si/Al = 1.8-2.5并且Na/Al = 0.9-1.3時展示最大值。
[0094]雖然在由具有簡單化學(xué)組成，即二氧化硅和氧化鋁的偏高嶺土產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物中地質(zhì)聚合物強度性質(zhì)根據(jù)Si/Al比率和Na/Al比率的傾向得到良好研究，但難以對其中化學(xué)組成、礦物含量、粒度以及顆粒形狀多種多樣并且不均勻的煤灰中的強度性質(zhì)進行歸納。
[0095]在這個實驗中，Si/Al比率為2.0的地質(zhì)聚合物一般展示9兆帕到11兆帕的抗壓強度，而比率為2.5的地質(zhì)聚合物展示3.5兆帕的抗壓強度，并且Si/Al比率為3.0的地質(zhì)聚合物展示17.9兆帕的抗壓強度。因此，隨著比率增加，機械特性變壞并且接著進一步增強。需要在地質(zhì)聚合物組成以及用于反應(yīng)中的堿性活化劑的類別和特征方面對結(jié)果進行綜述。因為用作地質(zhì)聚合物成