堿礦渣膠凝材料的塑性收縮研究

摘  要：近幾年來(lái)，堿礦渣膠凝材料成為一種令人廣泛關(guān)注的新型膠凝材料，它具有強(qiáng)度高,特別是早期強(qiáng)度高、水化熱低、抗?jié)B性好、抗凍性強(qiáng)、耐熱性好、抗化學(xué)侵蝕性能優(yōu)良和工作性及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。但目前的研究表明，該種材料砂漿塑性收縮很大，限制了它的廣泛應(yīng)用。因此有必要從不同角度對(duì)影響該膠凝材料的塑性收縮因素作探討。本文研究了激發(fā)劑種類、礦砂比、氧化鈉當(dāng)量和水玻璃模數(shù)對(duì)堿礦渣砂漿塑性收縮的影響。

關(guān)鍵詞：堿礦渣；膠凝材料；塑性收縮；水分蒸發(fā)速率

中圖分類號(hào): TU5    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

 

Research of alkali slag cementation material’s plastic shrinkage

 

　　混凝土材料是人類社會(huì)發(fā)展中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。1998年全世界混凝土的生產(chǎn)量約為28億立方米，中國(guó)混凝土產(chǎn)量(港澳臺(tái)未計(jì)入在內(nèi))約占世界總產(chǎn)量的45%，約13億立方米。2000年我國(guó)水泥混凝土的用量達(dá)到了20億立方米。這需要耗費(fèi)水泥5億多噸，砂石30多億噸。而每生產(chǎn)1噸水泥又要耗費(fèi)1.10噸石灰石，0.25噸黏土，115 公斤煤和108千瓦時(shí)電，還有其它輔助原料?？梢娝嗷炷凉I(yè)不僅能源與資源消耗巨大，而且排出大量CO₂和Ni_x,污染環(huán)境。由于這些缺點(diǎn)，使硅酸鹽水泥的應(yīng)用面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。而以堿礦渣為主的堿礦渣膠凝材料就可很好的彌補(bǔ)以上缺陷。

堿礦渣膠凝材料是以磨細(xì)的高爐礦渣、電熱磷渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣或火山灰等天然礦物為主要原料,堿化合物或含堿工業(yè)廢渣為激發(fā)劑，制得的水硬性膠凝材料。與常用的硅酸鹽水泥相比,堿礦渣膠凝材料具有獨(dú)特的水化機(jī)理和水化礦物結(jié)構(gòu),因而具有許多優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。堿礦渣膠凝材料最早于1957 年由前蘇聯(lián)烏克蘭共和國(guó)基輔建筑工程學(xué)院的Глуховский發(fā)明。此后他們進(jìn)行了多年的持續(xù)研究,由此帶動(dòng)了國(guó)際上研究堿礦渣膠凝材料的熱潮^[3][4] 。但目前的研究表明，該種材料的砂漿塑性收縮率大，限制了它的廣泛應(yīng)用，因此本文從不同角度探討了影響該材料塑性收縮的因素。

1試驗(yàn)原材料

1.1水泥：重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)的42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥（P.O42.5R），化學(xué)成分見表1。

1.2礦渣：采用重慶鋼鐵集團(tuán)煤鐵廠水淬高爐礦渣經(jīng)烘干摻入1％YP堿礦渣緩凝劑，經(jīng)MZ—200C型振動(dòng)磨粉磨60min得到比表面積分別為510m²/kg，密度為2.94 g/cm³的礦粉，化學(xué)成分見表1?；钚灾笜?biāo)值見表2礦渣堿性系數(shù)Mo＞1.0；活性系數(shù) Ma＞0.12;質(zhì)量系數(shù)M_k＞1.0屬堿性礦渣活性較高。

1.3激發(fā)劑：水玻璃模數(shù)M＝1.0，1.5，2.0,水玻璃主要指標(biāo)見表3；分析純NaOH。

1.4減水劑：江蘇博特新材料有限公司產(chǎn)JM-B奈系高效減水劑。

2試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

　　本試驗(yàn)采用激光位移傳感器測(cè)量砂漿試件塑性變形，其特點(diǎn)在于：完全的非接觸式測(cè)量，傳感器對(duì)被測(cè)體無(wú)作用力；較高的穩(wěn)定性和精度，適應(yīng)惡劣環(huán)境條件下的測(cè)量，環(huán)境波動(dòng)影響??；可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)信息通過(guò)專門的數(shù)據(jù)傳輸線即可與數(shù)顯表連接，也可與計(jì)算機(jī)的RS232接口連接，配以相應(yīng)的計(jì)算軟件（設(shè)備制造商提供），圖1激光位移傳感器測(cè)定砂漿塑性收縮的試驗(yàn)裝置就能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。激光位移傳感器常用于機(jī)械制造、電子等行業(yè)中，其精度大小與量程有關(guān)，量程越小，精度和靈敏度越高，本文試驗(yàn)采用德國(guó)米依（Micro-epsilon）公司產(chǎn)5mm量程的激光位移傳感器（圖1）。

　　用于測(cè)量收縮變形的砂漿鋼模具尺寸為40mm×40mm×160mm，在模具長(zhǎng)度方向側(cè)面的中心處開一直徑為5mm的圓孔，用于放置引申桿。引申桿與混凝土試件端部的輕質(zhì)預(yù)埋件連接，為加強(qiáng)該輕質(zhì)預(yù)埋件在混凝土中的穩(wěn)定性和錨固性，將其做成倒“T”字形；引申桿伸出試模的部分，其端部的截面尺寸略大于桿體本身的截面尺寸，由于該端部是作為傳感器的反射靶，其尺寸規(guī)格及表面的平整度需滿足所選激光傳感器的技術(shù)要求（不宜選擇過(guò)于光滑的鏡面材料，而影響到漫反射效果）。另外，為減小底面和側(cè)面與混凝土試件之間的約束，在側(cè)面和底面鋪上塑料薄膜。砂漿分二層澆注入模，振動(dòng)密實(shí)。調(diào)整試模位置使傳感器的激光束垂直打在兩端反射靶上，并留有足夠的測(cè)量范圍。反射靶的軸向位移將由當(dāng)前間距和初始間距之差反映出來(lái)。砂漿塑性收縮定量測(cè)定是在空氣溫度和相對(duì)濕度分別為20±2℃和60±4%的室內(nèi)環(huán)境條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為24h，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并用電子稱稱量砂漿24h的水分蒸發(fā)量。

 

　　分別以氫氧化鈉和水玻璃為激發(fā)劑，Na₂O當(dāng)量定為4.4%，膠砂比為：1：3，按照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法攪拌砂漿和作砂漿跳桌流動(dòng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖2。

　　用水玻璃作為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，其激發(fā)性能優(yōu)異，試件強(qiáng)度發(fā)展高，尤其是后期強(qiáng)度值大，但其也表現(xiàn)出試件的水分蒸發(fā)率過(guò)大，早期塑性收縮表現(xiàn)為偏高，且收縮性下降緩慢。在24h內(nèi)表現(xiàn)出有一直收縮的趨勢(shì)，收縮的加大易于導(dǎo)致塑性裂縫的產(chǎn)生，從而引起混凝土的早期開裂，影響混凝土的長(zhǎng)期的耐久性。氫氧化鈉作激發(fā)劑，10h后收縮率基本為0，收縮值大小表現(xiàn)為微波動(dòng)狀態(tài)。開始成型2h內(nèi)，由于受塑性沉降或早期泌水作用，收縮值為負(fù)值，呈微膨脹狀態(tài)。

2.2.2不同模數(shù)水玻璃對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響

　　以水玻璃為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，其中Na₂O當(dāng)量固定為4.4%，取模數(shù)分別為1.0，1.5，2.0的三種水玻璃對(duì)堿礦渣膠凝材料進(jìn)行堿激發(fā)，溶礦比為：0.55，膠砂比為：1：3。試件經(jīng)攪拌均勻后成型，其部分性能和收縮曲線見表4和圖3。

　　由表4和圖3可以看出：Na₂O當(dāng)量為4.4%，不同模數(shù)的水玻璃對(duì)堿礦渣的激發(fā)效果均較好，早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都很高，并且后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，且攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度和水分蒸發(fā)速率也有一定的相關(guān)性。由收縮曲線可以看出：模數(shù)為1.0時(shí)，試件成型后的前4h內(nèi)，試件呈現(xiàn)出極其微小的收縮，也就是說(shuō)試件在這段時(shí)間內(nèi)基本不收縮。爾后在4h---16h時(shí)間內(nèi)，試件的收縮值急劇變大，收縮率呈幾何級(jí)數(shù)上升，從33um急劇飆升到3220um，收縮變化之大可想而知。此后在16h---24h內(nèi)試件收縮值就變化不大，呈微波動(dòng)狀態(tài)變化。模數(shù)為1.5時(shí)，試件成型后整個(gè)曲線的收縮值呈緩慢增大的趨勢(shì)，收縮率也相對(duì)很小，但在后期還是有一定的收縮趨勢(shì)。模數(shù)為2.0時(shí)，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度相對(duì)較小，但水分蒸發(fā)速率很小，這將有利于緩解由水分蒸發(fā)速率過(guò)大而引起的塑性開裂。試件成型后的前5h內(nèi)，試件呈現(xiàn)出一定的微膨脹，這可能是由于塑性沉降造成的。這是因?yàn)椋荷皾{拌和是固體顆粒，水和空氣交混而成的三項(xiàng)體系。澆灌成型后，絕大部分空氣逸出，固體粒子互相接觸形成一個(gè)孔隙中充滿水的空間構(gòu)架。由于粒子間僅有微弱的摩擦力，不足以阻止相互的滑移，它們將繼續(xù)憑借重力在上下方向上沉降，在水平方向上線性增大，從而在水平方向上呈現(xiàn)出一定的微膨脹。爾后，在5h----8h之間試件表現(xiàn)出一定收縮，不過(guò)收縮值和收縮率都很小，并且在以后的時(shí)間內(nèi)，收縮曲線趨于平穩(wěn)，收縮值基本不再變化，收縮性能穩(wěn)定。

 

　　堿組分的摻量以Na₂O當(dāng)量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，分別以NaOH和不同細(xì)度模數(shù)的水玻璃作為激發(fā)劑，對(duì)堿礦渣膠凝材料進(jìn)行堿激發(fā)，Na₂O當(dāng)量分別取2.4%，4.4%，6.4%。NaOH為激發(fā)劑時(shí)，取溶礦比為0.50，膠砂比為1：3；水玻璃為激發(fā)劑時(shí)，取溶礦比為0.55，膠砂比為1：3。成型后堿礦渣砂漿配比及部分性能如表4和圖4、5所示。由圖中曲線可以看出：Na₂O當(dāng)量為2.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度小，且成型后的試件水分蒸發(fā)速率大，早期抗壓抗折強(qiáng)度都很低，并且發(fā)展緩慢。由收縮曲線也可以看出：試件成型后的前2個(gè)小時(shí)，呈膨脹狀態(tài)，而后，收縮值開始增大，并且在24小時(shí)后收縮值還有增大的趨勢(shì)。

　　Na₂O當(dāng)量為4.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度大，而試件成型后的水分蒸發(fā)速率很小，早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都很高，并且后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。由收縮曲線也可以看出：試件成型后的第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，收縮值急劇增大，這可能是由于試件成型時(shí)振搗導(dǎo)致的泌水所致。而后收縮保持穩(wěn)定，整個(gè)收縮曲線呈微波動(dòng)狀態(tài)，收縮變形小，體積穩(wěn)定性好。Na₂O當(dāng)量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度很大，但試件成型后的水分蒸發(fā)速率也相應(yīng)很大。早期抗壓抗折強(qiáng)度都很高，并且后期穩(wěn)定增長(zhǎng)。由收縮曲線可以看出：試件成型后的10小時(shí)內(nèi)，試件一直呈膨脹狀態(tài)，且膨脹值是一直增大的， 10h后試件在原膨脹的基礎(chǔ)上開始收縮，并在14h試件又恢復(fù)到原有尺寸，此后又呈現(xiàn)出微膨脹性。對(duì)于摻Na₂O當(dāng)量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，激發(fā)后試件為什么會(huì)呈現(xiàn)出膨脹性，目前還沒有找到合適的膨脹源，又不能通過(guò)早期塑性沉降或毛細(xì)管壓力學(xué)說(shuō)給人以合理的解釋。

　　不同Na₂O當(dāng)量的水玻璃激發(fā)劑的激發(fā)效果均較好，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度大，但同時(shí)水分蒸發(fā)速率也很大，由收縮曲線可以看出：Na₂O當(dāng)量為2.4%的水玻璃時(shí)，試件成型后的前4h內(nèi)，可能由于成型時(shí)搗振造成的泌水作用，試件呈現(xiàn)出微小的膨脹，其后在6h----24h之間，試件收縮值急劇增大，并且在24h后，已有很大的收縮趨勢(shì)。如此大的收縮趨勢(shì)必將導(dǎo)致早期塑性裂縫的產(chǎn)生，從而破壞了試件體積的穩(wěn)定。Na₂O當(dāng)量為4.4%的水玻璃，整個(gè)收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率很小，收縮值也很小，并且后期的收縮趨勢(shì)增長(zhǎng)緩慢。Na₂O當(dāng)量為6.4%的水玻璃，整個(gè)收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率小，收縮值也小，但要比Na₂O當(dāng)量為4.4%的水玻璃激發(fā)的堿礦渣砂漿試件的相應(yīng)收縮值偏大，且后期的收縮值也一直大于Na₂O當(dāng)量為4.4%的水玻璃。

 

2.2.4礦砂比對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響

　　以NaOH和模數(shù)為1.5的水玻璃為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，Na₂O當(dāng)量固定為4.4%，溶礦比為：0.55，膠砂比分別取為：1：3和1：2。試件經(jīng)攪拌均勻后成型，其部分性能和收縮曲線見表5和圖6、7。

　　兩種激發(fā)劑對(duì)不同膠砂比的激發(fā)效果都較好，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度相對(duì)較好，且水分蒸發(fā)速率穩(wěn)定，試件早期強(qiáng)度大，后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定。由收縮曲線可以看出：膠砂比為1：2時(shí)，兩種激發(fā)劑下試件的收縮值在24h后都有的增大趨勢(shì)；膠砂比為1：3時(shí)，水玻璃激發(fā)的試件的收縮值在24h后還有一定的增大趨勢(shì)，而NaOH激發(fā)的試件的收縮值在2h后就基本保持穩(wěn)定。

3結(jié)論

綜合上述試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于采用不同Na₂O當(dāng)量的堿激發(fā)劑而言，存在一個(gè)相對(duì)好的當(dāng)量值，能在一定程度上降低堿礦渣砂漿的塑性收縮。

（2）水玻璃的模數(shù)對(duì)堿礦渣砂漿的強(qiáng)度發(fā)展和早期塑性收縮都有一定的影響。綜合考慮可以得出：Na₂O當(dāng)量為4.4%，模數(shù)為1.5的水玻璃激發(fā)劑時(shí)，可以得到強(qiáng)度相對(duì)較高和早期塑性收縮較小的堿礦渣砂漿。