堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能分析

程黎明 王國靖 吳端陽 齊英偉

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130000）

堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能分析

程黎明 王國靖 吳端陽 齊英偉

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130000）

隨著我國社會發(fā)展水平的進(jìn)一步提升，在土木工程領(lǐng)域的投入和研究也越來越多，其中對建筑材料的探索也是源源不斷。膠凝材料在建筑工程的施工中應(yīng)用廣泛，尤其是對于堿激發(fā)礦渣膠凝材料的使用更是日益增多，然而在具體的材料使用過程中，也會出現(xiàn)一些堿激發(fā)礦渣膠凝材料的質(zhì)量事故和種類選擇不當(dāng)?shù)那闆r，經(jīng)過大量科學(xué)研究表明，其干縮性能產(chǎn)生的負(fù)面影響不可忽視。本文以堿激發(fā)礦渣膠凝材料為研究對象，通過設(shè)計科學(xué)合理的試驗(yàn)來對其膨脹性能進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討，意在為堿激發(fā)礦渣膠凝材料的使用提供更多可供參考的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，有助于日后堿激發(fā)礦渣膠凝材料的廣泛使用。

堿激發(fā)：礦渣：膠凝材料：膨脹性能

前言：隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，在建筑領(lǐng)域的需求是越來越高，這也就加大了對建筑材料的探索和研究，而堿激發(fā)礦渣膠凝材料在所有建筑材料中扮演著很重要的角色，而在實(shí)際使用過程中，往往也會出現(xiàn)一些堿激發(fā)礦渣膠凝材料的質(zhì)量事故和種類選擇不當(dāng)?shù)那闆r，而經(jīng)過大量分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該材料的膨脹性能對這些問題有一定的影響，因此，加大對堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能的研究力度，為以后該材料的推廣和使用提供原始的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)也就成了建筑材料研究者的關(guān)注焦點(diǎn)。

一、堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

堿激發(fā)礦渣膠凝材料來源廣泛，該材料的主要原料有以下一些；

①礦渣；常見的工業(yè)礦渣主要包含有氧化鎂、氧化鈣、氧化鋁、氧化鉀、二氧化硅、氧化鈉、三氧化二鐵等，試驗(yàn)選取的礦渣密度保持在2.90克每立方厘米，比表面積為4000克每平方厘米；

②水泥；其組成成分和礦渣相同，只是各組分含量不同，試驗(yàn)選取的水泥密度為3.20克每立方厘米，比表面積為3000克每平方厘米；

③堿激發(fā)劑；試驗(yàn)選擇的堿激發(fā)劑為市面上購買的水玻璃溶液和苛性鈉溶液，通過一定比例混合，自制得到水玻璃。

1.2 試驗(yàn)手段

在準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的材料后，緊接著開始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中需要用到的儀器和器械有試劑瓶、帶孔的橡膠皮塞、標(biāo)有具體量程的吸管。首先要提前配制好一定濃度的堿標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后將所需要的試樣制備后置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，為了方便試驗(yàn)，本次研究選擇了2類不同的膠凝材料，分別是水和水泥、堿激發(fā)劑和礦渣，各種膠凝材料相應(yīng)的配比都滿足試驗(yàn)要求。其中，每類材料的膨脹試驗(yàn)進(jìn)行3次。

二、試驗(yàn)結(jié)果

對比研究了水和水泥與堿激發(fā)劑和礦渣的膨脹性能，將得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終將兩種膠凝材料的膨脹性能實(shí)施比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)；水和水泥的膠凝系統(tǒng)的膨脹值是隨著作用時間的增加而增加的，其中該膠凝體系經(jīng)過一天膠結(jié)作用的膨脹值可以達(dá)到經(jīng)過28天所達(dá)到的膨脹值的57.1%，經(jīng)過3天膠結(jié)作用的膨脹值可以達(dá)到經(jīng)過28天所達(dá)到的膨脹值的97.0%，其中前三天內(nèi)的水和水泥系統(tǒng)膨脹值的變化最為顯著；而堿激發(fā)劑和礦渣的膠凝體系的膨脹值同樣也是隨著作用時間的增加而增加的，只是和水與水泥比起來，在各個階段的膨脹值都相對較小，其中該膠凝體系經(jīng)過一天膠結(jié)作用的膨脹值可以達(dá)到經(jīng)過28天所達(dá)到的膨脹值的45.9%，經(jīng)過3天膠結(jié)作用的膨脹值可以達(dá)到經(jīng)過28天所達(dá)到的膨脹值的79.8%，堿激發(fā)劑和礦渣的膠凝體系的膨脹周期是伴隨作用時間的增大大增大的，并且在前七天內(nèi)堿激發(fā)劑和礦渣的膠凝體系其膨脹值的變化最為顯著。

三、試驗(yàn)討論

在一定條件下，堿激發(fā)礦渣膠凝材料在水化進(jìn)行的同時其體積會逐漸膨脹，其膨脹的程度也是由水化作用的形成物質(zhì)所影響的，通過查閱資料不難發(fā)現(xiàn)，含有硅酸鹽的水泥的水化作用后一般都會生成多種膠凝物質(zhì)和相應(yīng)的結(jié)晶，發(fā)生作用后的整個體積相比于水和水泥膠凝體系的水化作用前要大得多，因此，堿激發(fā)礦渣膠凝材料在水化進(jìn)行的同時其體積會逐漸膨脹。堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹值的變化是伴隨其水化作用時間的推移而呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化的。一般來說，堿激發(fā)礦渣膠凝材料在水化作用的進(jìn)行中表現(xiàn)出來的特征就包括該材料里面多種礦物質(zhì)的溶解在短時間內(nèi)可以完成，但是水化作用的變化較為緩慢。

當(dāng)堿激發(fā)礦渣膠凝材料里面加入堿激發(fā)溶液后，就會很快相互出現(xiàn)作用，這時堿激發(fā)礦渣膠凝材料的各種成分就逐漸分解，因此，在摻水后的一瞬間，充滿于堿激發(fā)礦渣膠凝材料的微粒的空隙中的液體就不會簡單的是水，里面還會溶解有很多不同的離子，這些離子通常包括鈣離子、氫氧根離子、硫酸根離子、鈉離子、鉀離子等，在上述的幾種離子逐漸分解最后飽和，然后就會在堿激發(fā)礦渣膠凝材料微粒的周圍產(chǎn)生一定的水化物，該材料的水化效率一般都用單位時間的水化作用的程度來描述的，其中的水化作用的程度也就是在某段規(guī)定時間的完成水化作用的數(shù)值，在本次試驗(yàn)中堿激發(fā)礦渣膠凝材料微粒經(jīng)過200天的水化作用后，其水化作用的程度就可以超過50%，而且通過試驗(yàn)得到的結(jié)論就充分說明了堿激發(fā)礦渣膠凝材料的水化作用膨脹值的數(shù)值以及變化趨勢。

為了進(jìn)一步來探討堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹性能，還需要通過銨根離子的交換容量的大小對堿激發(fā)礦渣膠凝材料的生成物進(jìn)行科學(xué)的分析。經(jīng)過設(shè)計的試驗(yàn)來檢測，結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)；在水和水泥的膠凝體系中，運(yùn)用銨根離子進(jìn)行離子交換最終得到的數(shù)據(jù)比100克每55毫摩爾還要低，而且其交換容量伴著水化作用的延伸數(shù)量上基本保持穩(wěn)定，這一結(jié)果也就充分證明了水和水泥膠凝體系結(jié)合銨根離子的交換過程中沒有顯著的變化；而在檢測堿激發(fā)礦渣膠凝材料和銨根離子的交換效果時，結(jié)果為100克每269毫摩爾，這個結(jié)果和采用沸石和銨根離子來交換的結(jié)果基本相同，這也在一定角度上說明堿激發(fā)礦渣膠凝材料通過水化作用后生成的物質(zhì)其組成構(gòu)造和沸石基本相同。而且堿激發(fā)礦渣膠凝材料和銨根離子的交換容量的大小是伴著水化作用的持續(xù)進(jìn)行而呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在前一周內(nèi)的變化最為顯著，而一周以后數(shù)值沒有多大變化，只是在22天時數(shù)值稍有偏大，這一現(xiàn)象也和堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹變化趨勢非常吻合，同時也說明了堿激發(fā)礦渣膠凝材料在前一周中產(chǎn)生的物質(zhì)在使得其體積發(fā)生膨脹的作用上效果顯著，并且伴著聚合產(chǎn)物的持續(xù)生成，就會逐漸出現(xiàn)一些網(wǎng)狀明顯的新型結(jié)構(gòu)，其膨脹作用趨于不變，在其生成更大的聚合物后，膨脹作用又會繼續(xù)突顯。這種變化趨勢也就非常明顯的體現(xiàn)了堿激發(fā)礦渣膠凝材料發(fā)生水化作用的特點(diǎn)，就是一個從分解到朝著一個方向發(fā)生轉(zhuǎn)移，然后繼續(xù)發(fā)生聚合的階段。這個階段的變化反復(fù)持續(xù)發(fā)生，并且變化很漫長。即使在堿激發(fā)礦渣膠凝材料發(fā)生了幾年的水化作用后，進(jìn)過檢測還會觀察到體系中依然有很多沒有發(fā)生作用的堿激發(fā)礦渣膠凝材料

四、結(jié)論

本文通過以堿激發(fā)礦渣膠凝材料為研究對象，充分與水和水泥的膠凝體系形成對照，采用科學(xué)的試驗(yàn)手段的技巧，巧妙運(yùn)用控制變量法和對比法進(jìn)行試驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)近似的處理和分析，得到了關(guān)于堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹性能的變化規(guī)律，結(jié)果如下；

①堿激發(fā)礦渣膠凝材料的膨脹值是隨著作用時間的增加而增加的，只是和水與水泥比起來，在各個階段的膨脹值都相對較小，而且堿激發(fā)劑和礦渣的膠凝體系的膨脹周期是伴隨作用時間的增大而增大的，并且在前七天內(nèi)堿激發(fā)劑和礦渣的膠凝體系其膨脹值的變化最為顯著。

②堿激發(fā)礦渣膠凝材料通過水化作用后生成的物質(zhì)其組成構(gòu)造和沸石基本相同。而且堿激發(fā)礦渣膠凝材料和銨根離子的交換容量的大小會伴著水化作用的持續(xù)進(jìn)行而呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。

[1]許亮，王遠(yuǎn)輝，堿激發(fā)礦渣膠凝材料膨脹性能研究，2014（11）

[2]孫小偉，吳陶俊，堿激發(fā)礦渣膠凝材料的試驗(yàn)研究，2015（1）

[3]鄭娟蓉，姚振亞，堿激發(fā)膠凝材料化學(xué)收縮或膨脹的試驗(yàn)研究，2015（2）

G322

B

1007-6344（2015）10-0040-01

【吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，編號為201410191032】