修補用堿礦渣膠凝材料的性能研究

王 戈

(重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400000)

修補用堿礦渣膠凝材料的性能研究

王 戈

(重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400000)

根據(jù)快速修補材料的技術(shù)指標，對比分析了堿礦渣膠凝材料的優(yōu)缺點，對堿礦渣膠凝材料應(yīng)用于快速修補材料提出分析。根據(jù)歷年來各個專家學(xué)者的研究成果針對堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑、緩凝劑及干縮性能進行研究，使得堿礦渣膠凝材料的性能得到了改善，但這些外加劑對其強度仍然存在一定的影響，因此，要想把堿礦渣膠凝材料在快速修補材料上進行廣泛的運用，還需要做進一步的研究。

修補；堿礦渣膠凝；性能研究

引言

隨著隨著經(jīng)濟的發(fā)展，近年來道路上交通量也在迅速增長,車速也在不斷提高，這些都對現(xiàn)今的道路橋梁建筑材料提出了更高的要求，而我國許多省市修建了大量的水泥混凝土路面和大跨徑橋梁，以適應(yīng)交通運輸業(yè)的發(fā)展。但是隨著水泥混凝土材料使用量的逐年增加,問題也隨之出現(xiàn)。這就對修補材料提出了高要求，而路面和橋梁修補材料需具備快硬高早強、收縮小、耐久性好、施工和易性好、具有一定粘性等要求。

堿激發(fā)膠凝材料是指，具有火山灰活性或潛在水硬性的材料與堿性激發(fā)劑反應(yīng)而生成的水硬性材料，與普通水泥混凝土相比，具有水化熱低、強度高、耐久性能優(yōu)異等優(yōu)勢。20世紀80年代，國內(nèi)開始對堿激發(fā)膠凝材料的研究，主要研究的是堿礦渣水泥，并且已經(jīng)成功的制備出了堿礦渣、堿—礦渣—赤泥等膠凝材料[1]。

一、堿礦渣膠凝材料的優(yōu)缺點

堿礦渣膠凝材料具有十分優(yōu)異的物理力學(xué)性能和耐久性能。

(一)高強度

該材料28天抗壓強度可達120MPa，而普通硅酸鹽水泥很難達到。

(二)硬化快，早期強度高

堿礦渣膠凝材料根據(jù)激發(fā)劑的不同，1天的抗壓強度可達20～50MPa，因此堿礦渣膠凝材料硬化速度較快和早期強度較高[2]。

(三)低水膠比

堿礦渣膠凝材料的標準稠度用水量比普通硅酸鹽水泥標準稠度用水量要低8%左右[3]。而較低的水膠比能夠大大提高材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密度，從而增強混凝土材料的抗?jié)B性能，保護材料的整體性。

這些特點和路面及橋梁修補材料的要求是相符合的。但通過大量的研究發(fā)現(xiàn)堿礦渣膠凝材料還存在凝結(jié)時間過快干縮較大等問題[4]，而這些缺陷使得堿礦渣膠凝材料在快速修補材料上的應(yīng)用受到了限制。針對這些問題，國內(nèi)外的專家學(xué)者也展開了一系列的研究。

二、堿礦渣膠凝材料激發(fā)劑的研究

夏婧[5]通過對比NaOH，Na2CO3，水玻璃三種堿對于堿礦渣膠凝材料激發(fā)效果的影響，水玻璃作堿激發(fā)劑時堿礦渣膠凝材料的強度最高，其次是氫氧化鈉，而碳酸鈉的強度最低。由于OH-離子數(shù)量的會在一定程度上影響到堿礦渣水泥水化反應(yīng)的速度，而不同激發(fā)劑水解產(chǎn)生的OH-離子數(shù)量不同，所以說在堿礦渣水泥中，激發(fā)劑溶液pH值的提高會有助于提高礦渣的水化速度；但是在水玻璃作激發(fā)劑時，會有大量(SiO4)4-的引入，而這些離子能夠迅速參與堿礦渣的水化反應(yīng)，這樣便能增加C-S-H凝膠的數(shù)量和聚合度。因此，激發(fā)劑為水玻璃的各齡期的堿礦渣水泥強度要高于堿組分為NaOH的。

姜奉華[6]通過研究對固體堿激發(fā)劑做了研究，他選用Na2CO3和長石粉混合制成玻璃態(tài)物質(zhì)作為堿激發(fā)劑，但是通過實驗發(fā)現(xiàn)它的早期強度偏低。

三、堿礦渣膠凝材料緩凝劑的研究

楊南如[7]等的實驗結(jié)果表明氯化鋇和硝酸鋇作為堿-礦渣水泥緩凝物質(zhì)時有很好的緩凝作用，且隨著摻量的增加緩凝作用愈加明顯。但氯化鋇、硝酸鋇作堿礦渣水泥緩凝物質(zhì)對堿礦渣水泥的早期強度產(chǎn)生了一定的副作用。

焦寶祥[8]研究了磷酸鹽、含鈣材料對水玻璃激發(fā)礦渣水泥的凝結(jié)時間的影響。試驗結(jié)果表明，在常規(guī)水玻璃摻量時，磷酸鹽不產(chǎn)生緩凝作用，其原因是磷酸鹽陰離子易與硅酸根離子產(chǎn)生氫鍵締合作用，從而產(chǎn)生凝聚；而含鈣材料與水玻璃快速反應(yīng)生成的凝膠在礦渣表面形成一層凝膠體保護膜，阻止了系統(tǒng)中 OH-對礦渣活性的進一步激發(fā)，從而延緩了水化產(chǎn)物的大量產(chǎn)生，使系統(tǒng)的初凝時間延長。

Chang[7]的研究說明，磷酸的摻入對水玻璃激發(fā)的礦渣體系有好的緩凝作用。磷酸和 Ca2+ 反應(yīng)生成低溶解性的 Ca3(PO4)2，降低了溶液中 Ca2+ 的濃度，則生成 C-S-H 凝膠的速度減慢。

四、堿礦渣膠凝材料干縮性能的研究

姜奉華[6]認為堿礦渣膠凝材料化學(xué)收縮要比硅酸鹽水泥大，這是因為堿礦渣膠凝材料與水反應(yīng)后，產(chǎn)物主要是C-S-H凝膠和沸石類，沒有鈣礬石和Ca(OH)2。

梅琳[8]發(fā)現(xiàn)以堿礦渣及硅酸鹽水泥作為膠凝材料時，堿礦渣混凝土各齡期干縮值是硅酸鹽混凝土的1.5～1.8倍。他們分別對ZY膨脹劑、明礬石和偏高嶺土改善堿礦渣膠凝材料的干縮性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種材料加入堿礦渣膠凝材料后均對其干縮性能有明顯的改善，其中明礬石改善效果較為理想，偏高嶺土次之，ZY膨脹劑效果最差。

五、有待進一步研究的問題

雖然之前的專家學(xué)者對堿礦渣膠凝材料做了一系列研究，但要想將其應(yīng)用于混凝土修補材料方面，還有一些問題尚待解決。

(1)對于堿激發(fā)劑的研究大都只停留在液體激發(fā)劑的研究，對于固體激發(fā)劑來還需做進一步研究。因為使用固體激發(fā)劑，可將固體激發(fā)劑和礦渣共同粉磨，避免液體激發(fā)劑只能在施工現(xiàn)場調(diào)制，強堿對混凝土施工人員與設(shè)備有強烈的侵蝕作用等缺點[20]。

(2)對于堿礦渣膠凝材料緩凝的問題，目前的緩凝劑都對其強度發(fā)展存在影響。

(3)對于堿礦渣膠凝材料干縮的研究，目前的外加劑基本都能很好的改善其干縮性能，但大都存在對其強度發(fā)展產(chǎn)生不利影響的問題，因此對于堿礦渣膠凝材料膨脹劑成分的改善還需做進一步研究。

[1]蒲心成.堿礦渣水泥與混凝土[M]科學(xué)出版社,2010.

[2]吳其勝.堿礦渣水泥的研究與發(fā)展[J].中國建材科技,1999(l):1-4

[3]陳友治.堿礦渣水泥的理論基礎(chǔ)[J].新世紀水泥導(dǎo)報,2000(5):10-12

[4]蒲心誠.高強混凝土與高強堿礦渣混凝土[J].粉煤灰.1994(06).

[5]夏婧.堿礦渣混凝土配合比設(shè)計研究[D].重慶大學(xué).2013.5.

[6]姜奉華，堿激發(fā)礦渣微粉膠凝材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

[7]楊南如.堿膠凝材料形成的物理化學(xué)基礎(chǔ)[J].硅酸鹽學(xué)報,1996,24(2):209-215.

[8]焦寶祥.水玻璃-礦渣水泥的緩凝物質(zhì)研究[J].化學(xué)建材,2002,(11):12-15.

[9]Chang J J.Effects of gypsum and phosphoric acid on the properties of sodium silicate-based alkali-activated slag pastes[J].Cement and Concrete Composites,2005,27(1):85-91.

[10]梅琳.堿礦渣混凝土干縮性能及改善措施研究[D].重慶大學(xué),2010.4.9.

[11]李健康.新型堿礦渣水泥的研制[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2000,31(3):261-262.

王戈(1989.08-)，男，漢族，四川宜賓人，在讀碩士就讀于重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：結(jié)構(gòu)工程材料。