堿激發(fā)劑對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響

鄭登登，季 韜，王燦強，鄭文元，程可佳，林旭健

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

堿激發(fā)劑對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響

鄭登登，季 韜，王燦強，鄭文元，程可佳，林旭健

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

研究了堿激發(fā)劑(Na2SO4、Na2SO4+NaOH、Na2SO4+Na2SiO3)對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響.研究表明，與單獨采用Na2SO4作為激發(fā)劑時的堿礦渣砂漿抗壓強度相比，采用Na2SO4和NaOH作為復合激發(fā)劑，堿礦渣砂漿抗壓強度略低；采用Na2SO4和 Na2SiO3作為復合激發(fā)劑，堿礦渣砂漿抗壓強度有明顯的提高，但 Na2SiO3摻量不宜超過2.5%.通過試驗結(jié)果對比得出堿礦渣水泥最佳配方：普通硅酸鹽水泥 ∶Na2SO4∶礦渣 ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%，所配制砂漿(最佳堿礦渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗壓強度達到53.7 MPa.

堿激發(fā)劑；堿礦渣砂漿；抗壓強度

0 引言

礦渣是鋼鐵廠冶煉生鐵時產(chǎn)生的副產(chǎn)物，隨著社會的發(fā)展，其產(chǎn)量日益增大，我國鋼鐵廠的年礦渣排放量高達6 000萬t以上.由于其具有較好的潛在活性，從有效利用資源、節(jié)約能源、保護環(huán)境的角度出發(fā)，許多國家對礦渣在膠凝材料上的應用開展了大量的研究，礦渣的活性激發(fā)是研究礦渣綜合利用所必須解決的一個重要課題[1-2].

樓國權等[3]通過將NaOH、Ca(OH)2和Na2SO4分別進行單摻和復摻，研究了激發(fā)劑對粉煤灰-水泥-水膠凝體系pH值的影響，得出當激發(fā)劑復摻時初始pH值都高于它們各自單摻時的pH值的結(jié)論.當兩種或兩種以上的激發(fā)劑復合使用時，隨著堿激發(fā)劑種類和摻量的變化，堿礦渣水泥和混凝土的凝結(jié)特性也會隨之改變[4].楊凡[5]通過試驗得出：將NaCl、Na2SO4、Ca (OH)2作為復合激發(fā)劑能夠明顯提高礦渣水泥的早期強度，后期強度也能有一定程度的提高.王培銘等[6]研究發(fā)現(xiàn)“水玻璃-碳酸鉀-氫氧化鈉”復合激發(fā)劑，在使礦渣膠凝材料具有合理凝結(jié)時間的同時，其力學性能也得到提高.NaOH和Na2CO3復合后，會比以其中任何一種單一激發(fā)劑制備的堿激發(fā)礦渣砂漿的強度高[7].可見，采用兩種或兩種以上激發(fā)劑對礦渣進行復合激發(fā)，可能獲得比以其中任何一種單一類型激發(fā)劑更好的效果.

目前，對Na2SO4和NaOH復摻以及Na2SO4和Na2SiO3復摻作為復合激發(fā)劑來激發(fā)礦渣的研究較少.因此，分別研究Na2SO4和NaOH復摻以及Na2SO4和Na2SiO3復摻對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響，并與單摻Na2SO4時的堿礦渣砂漿抗壓強度進行比較，得出一種較理想的復合激發(fā)劑堿礦渣水泥配方.

1 試驗

1.1 試驗原料

1.1.1 水泥

采用福建煉石水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(42.5R).水泥的主要礦物組成見表1，主要物理、力學性能指標見表2.

表1 水泥的主要礦物質(zhì)量分數(shù)

Tab.1 Main mineral compositions of portland cement

礦物C3SC2SC3ASO3C4AFw/%55.619.67.52.19.3

表2 水泥的主要物理、力學性能指標Tab.2 Main physical and mechanical properties of portland cement

1.1.2 細骨料

采用閩江河砂.根據(jù)標準《建設用砂(GB/T 14684-2011)》[8]測得細骨料的各項技術指標如表3所示，顆粒的級配如表4所示.

表3 細骨料的各項技術指標Tab.3 Property of fine aggregate

表4 細骨料的級配(分計篩余)Tab.4 Gradation of fine aggregate (residue on each sieve)

1.1.3 礦渣

采用的礦渣為泰宇混凝土廠提供，其主要礦物質(zhì)量分數(shù)如表5所示.

表5 礦渣的主要礦物組成 Tab.5 Main mineral compositions of slag

1.1.4 堿激發(fā)劑

NaOH、Ca(OH)2均由北京康普匯維科技有限公司生產(chǎn)，為顆粒狀，純度為99%.Na2SO4為上海埃彼化學試劑有限公司生產(chǎn)的無水硫酸鈉，為顆粒狀，純度為99%.Na2SiO3為液體水玻璃，Na2SiO3固體含量為33.7%，模數(shù)為3.3.模數(shù)按文獻[9]所述方法用NaOH調(diào)整為1.2，調(diào)整后Na2SiO3固體含量為39.1%.

1.1.5 拌合用水

本試驗所用水為福州地區(qū)的自來水, 加熱至60 ℃.

1.2 配合比

本試驗堿礦渣砂漿配合比及堿礦渣水泥各組分的質(zhì)量分數(shù)如表6所示.其中，堿礦渣水泥由普通硅酸鹽水泥、Na2SO4、NaOH、Na2SiO3和礦渣組成.表6中的Na2SiO3是指模數(shù)為1.2的液體水玻璃.

表6 堿礦渣砂漿配合比及堿礦渣水泥各組分質(zhì)量百分比Tab.6 Mix proportions of AASM and mass fractions of each component of AASC

1.3 試驗方法

1.3.1 砂漿的攪拌制度

砂漿的攪拌制度主要參照《水泥膠砂強度檢驗方法(GB/T 17671-1999)》[10]，具體步驟如下：

將膠凝材料的干料(水泥和礦渣)倒入攪拌鍋低速攪拌180 s.由于Na2SO4在冷水中的溶解度較低，所以把化學藥品(Na2SO4、NaOH、Na2SiO3)溶入60 ℃的水中；將溶有化學藥品的溶液加入攪拌鍋中與膠凝材料的干料混合并低速攪拌30 s；在第二個30 s開始的同時均勻地將砂子加入，把砂漿攪拌機轉(zhuǎn)至高速再拌30 s；停拌90 s，在第1個15 s內(nèi)用一膠皮刮具將葉片和鍋壁上的膠砂刮入鍋中間，在高速下繼續(xù)攪拌60 s.

砂漿流動度測定方法參照《水泥膠砂流動度測定方法(GB/T 2419-2005)》[11].模具采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體型模具.試驗中所有試件均采用自然養(yǎng)護，即在溫度為(20±2)℃，相對濕度70%以下的條件下養(yǎng)護.砂漿抗壓強度檢驗方法參照《水泥膠砂強度檢驗方法(GB/T 17671-1999)》[10].分別檢驗砂漿3、7、14、28 d的抗壓強度.

2 試驗結(jié)果

圖1 Na2SO4摻量對堿礦渣砂漿抗壓強度影響Fig.1 Effect of Na2SO4 content on the compression strength of AASM

2.1 單摻Na2SO4對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響

不同Na2SO4摻量對堿礦渣砂漿抗壓強度影響的試驗結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，在相同齡期時，堿礦渣砂漿的抗壓強度隨Na2SO4摻量的增加而增大.當Na2SO4摻量為10%時(NS4)，7、28 d抗壓強度分別為30.0和46.0 MPa，較Na2SO4摻量為5%時(JZ)分別提高了28%和38%.此外，隨著Na2SO4摻量的增加，流動度僅有略微的增加，測得的各組砂漿流動度均在260～280 mm之間.

2.2 復摻Na2SO4和NaOH對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響

當Na2SO4摻量為5%時，復摻不同摻量的NaOH對堿礦渣砂漿抗壓強度影響的試驗結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出，將Na2SO4摻量固定為5%.當NaOH的摻量為0%～1.5%時，堿礦渣砂漿的抗壓強度隨著NaOH的摻量增大而降低.當NaOH的摻量為1.5%時(NH3)，各齡期抗壓強度均達到最低，其中28 d抗壓強度僅25.1 MPa.當NaOH的摻量為1.5%～5%時，其抗壓強度隨著NaOH的摻量增大而提高.當NaOH的摻量為5%時(NH10)，28 d抗壓強度為44.0 MPa.此外，隨著NaOH摻量的增加，流動度僅有略微的增加，測得的各組砂漿流動度均在260～280 mm之間.

2.3 復摻Na2SO4和Na2SiO3對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響

當Na2SO4摻量為5%時，復摻不同摻量的Na2SiO3對堿礦渣砂漿抗壓強度影響的試驗結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，將Na2SO4摻量固定為5%.隨著Na2SiO3摻量的增加，堿礦渣砂漿的抗壓強度逐漸提高.與不摻Na2SiO3的基準組(JZ)相比，Na2SiO3摻量為2.5%時(NSI1)，砂漿28 d抗壓強度提高了62%，而流動度僅降低2%.但是，當Na2SiO3的摻量從2.5%增大到7.5%時(NSI3)，其28 d抗壓強度僅提高約8%，而流動度降低約30%.

圖2 NaOH摻量對堿礦渣砂漿抗壓強度影響 Fig.2 Effect of NaOH content on the compression strength of AASM

圖3 Na2SiO3摻量對堿礦渣砂漿抗壓強度影響Fig.3 Effect of Na2SiO3 content on the compression strength of AASM

3 分析與討論

3.1 最佳配方

根據(jù)上述試驗結(jié)果，可以得到一種較理想的堿礦渣水泥配方，即普通硅酸鹽水泥 ∶Na2SO4∶礦渣∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.所配制砂漿(最佳堿礦渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗壓強度達到53.7 MPa(NSI1組).

3.2 激發(fā)劑的影響機理

3.2.1 單摻Na2SO4對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響機理

(1)

隨著Na2SO4摻量的增加，生成的NaOH量增加，使得礦渣反應更加充分，水化產(chǎn)物增加，從而提高了堿礦渣砂漿的抗壓強度(見圖1).

3.2.2 復摻Na2SO4和NaOH對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響機理

水泥水化生成Ca(OH)2.60℃時，Ca(OH)2的溶解度僅為每100 g水溶解0.116 g[13].加入NaOH后，由于高堿環(huán)境，抑制Ca(OH)2的生成，從而抑制了水泥的水化，減少了C-S-H等水化產(chǎn)物，故降低了其抗壓強度.當NaOH摻量繼續(xù)增大，超過1.5%后，在抑制普通硅酸鹽水泥水化反應的同時，NaOH自身提供的堿環(huán)境足夠礦渣進行水化反應.普通硅酸鹽水泥水化反應產(chǎn)生的堿環(huán)境已經(jīng)不再處于主導地位，礦渣主要由摻入的NaOH進行激發(fā)，水化產(chǎn)物增多，砂漿的抗壓強度提高.但是，當激發(fā)劑為5%Na2SO4+5%NaOH時(NH10)(激發(fā)劑總摻量為10%)，28 d抗壓強度也僅達到44.0 MPa(見圖2)，略低于單摻10% Na2SO4時(NS4)的28 d抗壓強度46.0 MPa(見圖1).因此，采用Na2SO4和NaOH作為復合激發(fā)劑，與單獨采用Na2SO4作為激發(fā)劑相比，堿礦渣砂漿抗壓強度略低.

3.2.3 復摻Na2SO4和Na2SiO3對堿礦渣砂漿抗壓強度的影響機理

當激發(fā)劑為5%Na2SO4+2.5%Na2SiO3時(NSI1)(激發(fā)劑總摻量為7.5%)，堿礦渣砂漿的28 d抗壓強度達到53.7 MPa(見圖3)，高于單摻10% Na2SO4時(NS4)堿礦渣砂漿的28 d抗壓強度46.0 MPa(見圖1)，也高于激發(fā)劑為5%Na2SO4+5%NaOH時(NH10)堿礦渣砂漿的28 d抗壓強度44.0 MPa(見圖2).因此，5%Na2SO4+2.5%Na2SiO3時(NSI1)為最優(yōu)配合比.

4 結(jié)論

1) 與單獨采用Na2SO4作為激發(fā)劑時的堿礦渣砂漿抗壓強度相比，采用NaOH和Na2SO4作為復合激發(fā)劑，堿礦渣砂漿抗壓強度略低；采用Na2SiO3和Na2SO4作為復合激發(fā)劑，堿礦渣砂漿抗壓強度有明顯的提高.但 Na2SiO3摻量不宜超過2.5%.

2) 發(fā)現(xiàn)一種較理想的堿礦渣水泥配方，即普通硅酸鹽水泥 ∶Na2SO4∶礦渣 ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.所配制砂漿(最佳堿礦渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗壓強度達到53.7MPa.

[1] 聶軼苗，牛福生，張錦瑞.我國礦渣綜合利用的現(xiàn)狀[J].建材技術與應用，2009(2):6-9.

[2] 張西玲，姚愛玲.石灰對礦渣膠凝材料強度的影響[J].硅酸鹽通報，2007，26(1):87-91.

[3] 樓國權，王莉.化學激發(fā)劑對水泥膠凝體系 pH 值的影響[J].道路工程，2012，86 (2):78-81.

[4] 史才軍，克里文科，羅伊，等.堿-激發(fā)水泥和混凝土[M].北京:化學工業(yè)出版社，2008:100-101.

[5] 楊凡.不同激發(fā)劑對礦渣水泥強度的影響[J].鐵道技術監(jiān)督，2010，38(10):18-21.

[6] 王培銘，金左培，張永明.堿礦渣膠凝材料復合激發(fā)劑的研究[J].新型建筑材料，2005(8):32-34.

[7] LI Y，SUN Y.Preliminary study on combined-alkali-slag paste materials[J].Cement and Concrete Research，2000，30(6):963-966.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.建設用砂:GB/T 14684-2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[9] 朱世忠.調(diào)整水玻璃模數(shù)的方法[J].中國建材，1962，21:21-25.

[10] 國家質(zhì)量技術監(jiān)督局.水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)：GB/T 17671-1999[S].北京：中國標準出版社，1999.

[11] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.水泥膠砂流動度測定方法：GB/T 2419-2005[S].北京：中國標準出版社，2005.

[12] 陳友治.中性鈉鹽堿礦渣水泥與混凝土研究[D].重慶：重慶建筑大學，1998.

[13] 時鈞，霍子瑩，李海鷹.化學基礎[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2008：623.

[14] 禹尚仁，王悟敏.無熟料硅酸鈉礦渣水泥的水化機理[J].硅酸鹽學報，1990，18 (2):104-109.

(責任編輯：林曉)

Effect of alkali-activator on compression strength of alkali-activated slag cement mortar

ZHENG Dengdeng，JI Tao，WANG Canqiang，ZHENG Wenyuan，CHENG Kejia，LIN Xujian

(College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

The effect of alkali-activators(Na2SO4、Na2SO4+NaOH、Na2SO4+Na2SiO3)on the compression strength of alkali-activated slag cement mortar(AASM) was investigated.The study shows that，compared with the compression strength of AASM which is activated by Na2SO4, the compression strength of AASM which is activated by compound activators with Na2SO4and NaOH is a bit lower, while the compression strength of AASM which is activated by compound activators with Na2SO4and Na2SiO3is evidently increased.But the content of Na2SiO3should be less than 2.5%.The results of the comparing tests show that the optimal mix proportion of alkali-activated slag cement(AASC), is ordinary portland cement ∶Na2SO4∶slag ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.The 28 d compression strength of the AASM with the mix proportion of the optimal AASC ∶sand ∶water=492 ∶522 ∶168 can achieve 53.7 MPa.

alkali-activator；alkali-activated slag cement mortar；compression strength

2015-09-23

季韜(1972-)，教授，主要從事高性能混凝土研究，jt72@163.com

國家自然科學基金資助項目(51479036)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0593

1000-2243(2016)04-0593-05

TU502.6

A