堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能研究

許 亮,王遠輝,尹耀霄,袁曉輝

(1.湖北省交通運輸廳公路管理局,武漢 430030;2.湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心,武漢 430030; 3.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點試驗室,武漢 430070)

堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能研究

許 亮1,王遠輝1,尹耀霄2,袁曉輝3

(1.湖北省交通運輸廳公路管理局,武漢 430030;2.湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心,武漢 430030; 3.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點試驗室,武漢 430070)

以礦粉、粉煤灰為膠凝材料,水玻璃和氫氧化鈉配制激發(fā)劑進行堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能研究。研究發(fā)現(xiàn)以硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂作為外加劑摻入膠凝材料中可以大大減小堿激發(fā)礦渣膠凝材料的干縮性能,密封和水養(yǎng)條件要比自然養(yǎng)護條件下干縮率小,且以水玻璃和氫氧化鈉混合的激發(fā)劑制備的堿激發(fā)膠凝材料其干縮12 d左右基本趨于穩(wěn)定。

激發(fā)劑; 膨脹劑; 干縮性能; 養(yǎng)護條件

堿激發(fā)礦渣膠凝材料節(jié)能、環(huán)保及優(yōu)越的經(jīng)濟效益具有取代傳統(tǒng)波特蘭水泥的巨大潛能[1-6]。但其存在的主要缺點干縮大限制了其在實際工程中的應(yīng)用[7]。文獻[8]的研究結(jié)果顯示堿激發(fā)礦渣膠凝材料的干縮率最多比普通波特蘭水泥高六倍。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)礦渣膠凝材料孔隙率高是導(dǎo)致其干縮率大的主要原因。關(guān)于解決混凝土干縮率大的問題目前采用的主要方法是通過在材料中加膨脹劑,在其水化過程中生成鈣礬石(Ettringite)來補償混凝土的收縮。目前關(guān)于堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹性能國內(nèi)外研究較少,該文主要通過試驗尋求一種適用于堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹劑組分。

1 膨脹性能試驗設(shè)計

堿激發(fā)礦渣膠凝材料產(chǎn)物目前成分尚存爭議,但與硅酸鹽水泥產(chǎn)物C-S-H凝膠組成不同,一般市售針對硅酸鹽水泥而研發(fā)的鈣礬石類膨脹劑并不適用。因而,在此基礎(chǔ)之上,該試驗選用天津豹鳴股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑及擁有自膨脹性的氧化鎂作為膨脹劑補償無機聚合物混凝土的收縮并使其具有適度的膨脹。天津豹鳴股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑早期采用膨脹劑中石灰(CaO)吸水結(jié)晶產(chǎn)生膨脹補償混凝土早期收縮,后期水化產(chǎn)物是鈣礬石相可以達到膨脹的目的,而現(xiàn)有資料表明,無機聚合物的最終水化產(chǎn)物為類沸石相,因而需在堿激發(fā)礦渣膠凝材料中添加其它自膨脹組分以補償混凝土后期收縮。

通過前期混凝土收縮試驗可以發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)礦渣膠凝材料干縮多發(fā)生在早期,為使膨脹劑膨脹趨勢與無機聚合物混凝土干縮發(fā)展趨勢相適應(yīng),該試驗最終選定硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑與氧化鎂(Mg O)作為堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹源,因為氧化鎂成分反應(yīng)周期長,參考水泥混凝土的相關(guān)標準(MgO含量不得高于5%),最終將Mg O含量控制在2%之下。原材料礦粉選用武鋼礦粉,等級S95,粉煤灰等級一級,獨自研發(fā)的激發(fā)劑,市售P.O.42.5水泥。膨脹劑摻量采用內(nèi)摻法。堿激發(fā)礦渣膠凝材料凈漿微膨脹試驗設(shè)計如表1、表2所示。

表1 100 g堿激發(fā)礦渣膠凝材料凈漿微膨脹試驗設(shè)計一

2 試樣成型

表2 100 g堿激發(fā)礦渣膠凝材料凈漿微膨脹試驗設(shè)計二

因凈漿試驗含多種礦物粉末,為使粉末(礦粉、粉煤灰、膨脹劑及輕質(zhì)氧化鎂)相對混合均勻,試驗先按照相應(yīng)的配合比稱量原料置于塑料袋中預(yù)先混合,并對應(yīng)相應(yīng)編號,成型時采用邊攪拌邊放料的方式,盡量減少由于原料混合不均勻而導(dǎo)致的試驗誤差。圖1為試件實際成型過程示意圖。

3 試驗結(jié)果

為考慮不同環(huán)境下無機聚合物的體積變形情況,制作而成的試件分3類養(yǎng)護方式:暴露于空氣中養(yǎng)護、脫模水養(yǎng)及薄膜養(yǎng)護。

1)空氣中養(yǎng)護

圖2所示為無機聚合物參照表1配合比設(shè)計而成型的暴露在空氣中養(yǎng)護的試件相隔17 d對比圖。從圖中可以看出0～4號試件都有不同程度的收縮,試件表面多分布著裂紋,且肉眼可觀察到試件已與模具之間脫離,尤其以0號對比試件最為嚴重,1～4試件隨著膨脹劑摻量的增加,收縮情況逐漸好轉(zhuǎn),5號試件體積變化不明顯,基本無收縮,考慮到試件在空氣中養(yǎng)護會有一定程度的收縮,故可以認為5號試件的摻量基本能夠補償其現(xiàn)階段凝期的收縮,表現(xiàn)出一定的膨脹性能。

2)脫模水養(yǎng)

脫模水養(yǎng)方式為成型后24 h脫模,在試件表面預(yù)先設(shè)置好兩個方向垂直的測量點,以確保每次使用電子游標卡尺進行測量的位置為同一位置,通過試件直徑的變化來評定膨脹效果。如圖3,圖4測試圖。

圖5所示為礦粉及水泥在激發(fā)劑及氫氧化鈉(NaOH)作用下砂漿試件收縮率與時間的關(guān)系。從圖中可以看出,純礦粉在激發(fā)劑及NaOH作用下收縮多發(fā)生在早期(18 d內(nèi)),后期(18～57 d)干縮趨勢相對平穩(wěn),無大波動;而水泥在激發(fā)劑及NaOH作用下,1～57 d內(nèi)收縮呈持續(xù)增加的趨勢且收縮量遠大于同條件下的礦粉(超過2倍);水泥與礦粉的混合物在激發(fā)劑作用下的收縮發(fā)展趨勢則與同條件下以礦粉為原材料的試件類似,收縮總量略大于后者。氫氧化鈉和水玻璃制備的激發(fā)劑激發(fā)礦渣微粉膠凝材料干縮12 d左右可達穩(wěn)定,干縮性能優(yōu)于氫氧化鈉激發(fā)的膠凝材料。

3)薄膜養(yǎng)護

在空氣中養(yǎng)護及成型后1 d脫模發(fā)現(xiàn)試件干縮開裂嚴重,為減少試件由于水分散失而造成的干縮、開裂等。在此前試驗基礎(chǔ)之上重新設(shè)置一組采用薄膜養(yǎng)護的試件配合比。采用薄膜養(yǎng)護后未見試件表面開裂,且干縮程度與在空氣中養(yǎng)護試件相比有很大程度的減少,具體見圖6所示。

4 結(jié) 語

堿激發(fā)礦渣膠凝材料凈漿試驗結(jié)果顯示硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂的摻入能夠改善堿激發(fā)礦渣膠凝材料干縮率大的問題,密封和水養(yǎng)條件下堿激發(fā)礦渣膠凝材料干縮率要明顯小于自然條件下,堿激發(fā)礦渣膠凝材料中摻入水泥會增大其干縮率,氫氧化鈉和水玻璃制備的激發(fā)劑激發(fā)礦渣微粉膠凝材料干縮12 d左右可達穩(wěn)定,干縮性能優(yōu)于氫氧化鈉激發(fā)的膠凝材料。

[1] Palomo A,Shi C,Jiménez A F.New Cements for the 21st Century:The Pursuit of an Alternative to Portland Cement [J].Cem Concr Res,2011,41(7):750-763.

[2] Bakharev T.Resistance of AAS Materials to Acid Attack[J].Cem Concr Res,2005,35(4):658-670.

[3] Pacheco-Torgal F,Castro-Gomes J,Jalali S.Alkali-activated Binders:A Review.Part 1.Historical Background,Terminology,Reaction Mechanisms and Hydration Products[J].Constr Build Mater,2008,22(7):1305-1314.

[4] Cheng T W,Chiu J P.Fire-resistant AAS Produced by Granulated Blast Furnace Slag[J].Miner Eng,2003,16(3):205-210.

[5] Duxson P,Fernández-Jiménez A,Provis J L,et al.AAS Technology:the Current State of the Art[J].Mater.Sci.2006, 42(9):2917-2933.

[6] Collins F,Sanjayan J G.Effect of Pore Size Distribution on Drying Shrinkage of Alkali-activated Slag Concrete[J].Cement and Concrete Research,2000,30(9):1401-1406.

[7] Atis C D,Bilim C.Influence of Activator on the Strength and Drying Shrinkage of Alkali-activated Slag Mortar[J].Construction and Building Materials,2009,23(1):548-555.

[8] Chen W,Brouwers H J H.Three-dimensional Computer Modeling of Slag Cement Hydration[J].Journal of Materials Science,2007,42(23):9595-9610.

[9] Kim D,Lai H,Chilingar G V,et al.Geopolymer Formation and its Unique Properties[J].Environmental Geology, 2006,51(1):103-111.

聲 明

為適應(yīng)我國信息化建設(shè),擴大本刊及作者信息交流渠道,本刊已被“中國期刊全文數(shù)據(jù)庫”和“萬方數(shù)據(jù)-數(shù)字化期刊群的中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫”收錄,網(wǎng)站地址是http://gwjk.chinajournal.net.cn和http://jcsj.periodical.net.cn。其作者文章著作權(quán)使用費與本刊稿酬一次性給付。如作者不同意文章被收錄,請在來稿時向本刊聲明,本刊將作適當處理。

本刊編輯部

Expansion Properties Analysis of Alkali-activated Slag Cementitious Material

XU Liang1,WANG Yuan-hui1,YIN Yao-xiao2,YUAN Xiao-hui3
(1.Transportation and Highway Administration of Hubei Province,Wuhan 430020,China;2.Highway Engineering Consulting Supervision Center of Hubei Province,Wuhan 430030,China;3.Key Laboratory of Roadway Bridge and Structural Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

This paper do expansion properties analysis of alkali-activated slag cementitious material by using slag, fly ash as cementitious materials,and using water glass,sodium hydroxide preparation activator.Study found that adding sulphoaluminate-calcium oxide and magnesium oxide into the alkali-activated slag cementitious material can greatly reduced its shrinkage properties.The shrinkage is smaller in the curing condition of sealing and water than that of nature,and its shrinkage reach stable at the age 12 d with the activator that preparer by water glass and sodium hydroxide.

activator; expanders; shrinkage performance; curingconditions

2014-08-05.

許 亮(1980-),工程師.E-mail:fjeff-dj@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.002