礦粉摻量對(duì)堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料性能的影響

崔科旺，韓 越，郭宛垚

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥在生產(chǎn)和使用過(guò)程中有很多的問(wèn)題，如大量消耗自然資源、排放大量的二氧化碳和粉塵，污染環(huán)境。隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展，粉煤灰、高爐礦渣和鋼渣等固體廢棄物產(chǎn)量激增，但利用率較低，如果處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1-3]。堿激發(fā)膠凝材料的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，堿激發(fā)膠凝材料具有能耗低、原材料來(lái)源廣泛、物理和化學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)綠色膠凝材料研究的熱點(diǎn)[4,5]。堿激發(fā)膠凝材料主要可以分為高鈣體系和低鈣體系兩大類(lèi)，高鈣體系以礦渣為主要原料，生成的凝膠產(chǎn)物主要是低鈣硅比的水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)凝膠；低鈣體系的主要原料是偏高嶺土、低鈣粉煤灰等，生成的凝膠產(chǎn)物主要是具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)定形鋁硅酸鈉(N-A-S-H)凝膠[6]。大量的研究表明，向堿激發(fā)低鈣體系摻入一定量的高鈣物質(zhì)后，會(huì)對(duì)堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間[7,8]、早期強(qiáng)度發(fā)展[9]、高溫穩(wěn)定性[7，10]等性能產(chǎn)生影響。Yip等研究發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)偏高嶺土的強(qiáng)度隨礦渣摻入量的增加先增加后減少，最優(yōu)摻量為20%，原因是生成的C-S-H凝膠既連接了水化產(chǎn)物與未反應(yīng)顆粒，又填充了微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙，從而提高了材料的強(qiáng)度[11]。

火山灰是由火山爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的粉碎巖石和玻璃小顆粒構(gòu)成，擁有較高的化學(xué)活性。從地質(zhì)學(xué)角度來(lái)講，火山灰顆?？梢阅z結(jié)在一起形成凝灰?guī)r，凝灰?guī)r通過(guò)研磨，可以保留大部分的火山灰活性，具有良好的堿激發(fā)潛能。該研究以凝灰?guī)r石粉為基礎(chǔ)原料，摻入一定量的GGBS，探究GGBS摻量對(duì)堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

?；郀t礦渣微粉(GGBS)，使用符合GB/T203標(biāo)準(zhǔn)的?；郀t礦渣粉，其平均粒徑為17.3 μm；凝灰?guī)r石粉，產(chǎn)自甘肅天水地區(qū)凝灰?guī)r粉磨而成，平均粒徑為17.5 μm。采用氮?dú)馕椒?BET)測(cè)得凝灰?guī)r粉末和GGBS的比表面積分別為1 164.4 m2/kg和855.7 m2/kg；采用X線熒光光譜分析(XRF)對(duì)其進(jìn)行氧化物成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。堿激發(fā)劑由氫氧化鈉溶液和硅酸鈉溶液組成，其中氫氧化鈉溶液濃度為7.5 mol/L，用量為150 mL；硅酸鈉溶液的濃度為1.64 mol/L，用量為20 mL。試驗(yàn)中所使用的溶液均為分析純與去離子水配制而成。

表1 凝灰?guī)r和礦粉的化學(xué)組成

1.2 樣品制備

激發(fā)劑制備：稱(chēng)取75 g NaOH固體，緩慢加入盛有200 mL去離子水的燒杯中，邊加入邊不停攪拌，攪拌至溶質(zhì)完全溶解。為減少NaOH溶液吸收空氣中的CO2，用保鮮膜密封，靜置，待燒杯中的NaOH溶液冷卻后，引流定容到250 mL容量瓶中，搖晃均勻后倒入一干凈燒杯中用保鮮膜密封備用；同理，配置Na2SiO3溶液。

試樣制備：用GGBS以不同摻量(0、5%、10%、20%、30%)等量取代凝灰?guī)r粉，制作試樣，見(jiàn)表2。稱(chēng)取凝灰?guī)r粉和GGBS共500 g，把凝灰?guī)r粉和GGBS放入NJ-160A水泥凈漿攪拌機(jī)中攪拌，用量筒稱(chēng)取150 mL NaOH溶液，待凝灰?guī)r粉和GGBS攪拌均勻后，將量筒中的NaOH溶液加入攪拌機(jī)，攪拌均勻后靜置5 min，加入20 mL Na2SiO3溶液，攪拌均勻，制成漿體。隨后將制成的漿體倒入邊長(zhǎng)20 mm的立方體硅膠試模中，經(jīng)過(guò)振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，而后用刮刀抹平試模表面，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)高溫養(yǎng)護(hù)，在60 ℃條件下養(yǎng)護(hù)2 h，脫模，然后，把脫模后的試樣放入培養(yǎng)皿中密封，然后再放入烘箱內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

表2 膠凝材料配合比設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)試及分析方法

凝結(jié)時(shí)間測(cè)試：依據(jù)GB/T 1346—2011，采用維卡儀測(cè)試堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間。試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)高溫養(yǎng)護(hù)，每隔5 min測(cè)定一次，當(dāng)試針沉至距底板3～5 mm時(shí)，為達(dá)到初凝狀態(tài)，重復(fù)測(cè)定一次，當(dāng)兩次測(cè)定結(jié)論相同時(shí)確定為達(dá)到初凝狀態(tài)。初凝時(shí)間測(cè)定后，立即將試模翻轉(zhuǎn)180°，直徑大端朝上放在底板上，再放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，每隔5 min測(cè)定一次，當(dāng)試針沉入試件0.5 mm時(shí)，即環(huán)形附件開(kāi)始不能在試件上留下痕跡時(shí)為達(dá)到了終凝狀態(tài)，重復(fù)測(cè)定一次，當(dāng)兩次測(cè)定結(jié)論相同時(shí)確定為達(dá)到終凝狀態(tài)。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試：將加入不同摻量礦粉制備的試樣養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、28 d后，依據(jù)GB/T 50081—2002進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，每組三個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時(shí)間

圖1為不同GGBS摻量條件下堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料漿體凝結(jié)時(shí)間的變化情況。由圖1可見(jiàn)，摻入GGBS對(duì)縮短堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料漿體的凝結(jié)時(shí)間有很顯著的效果，相比于純凝灰?guī)r，GGBS摻量為5%時(shí)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有大幅度下降，且隨著GGBS摻量的增大，凝結(jié)時(shí)間也在不斷降低，最終在20%和30%替代比時(shí)達(dá)到最低并保持不變。

摻入GGBS后凝結(jié)時(shí)間明顯縮短的原因主要與Ca2+有關(guān)，Ca2+作為電荷平衡離子，相比于Na+，Ca2+擁有更強(qiáng)的靜電引力和電荷中和作用，Ca2+作用下硅鋁酸鹽聚合體凝膠會(huì)形成的更快，所以凝結(jié)時(shí)間會(huì)縮短[12]。

2.2 強(qiáng)度分析

圖2為堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料試樣的抗壓強(qiáng)度隨GGBS摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨GGBS摻量的增加，先提高后降低，也就是說(shuō)，在每個(gè)齡期都存在最佳GGBS摻量。7 d時(shí)最佳GGBS摻量為30%，其余齡期最佳GGBS摻量都為20%。由表3可知，凝灰?guī)r-礦粉試樣3 d與28 d抗壓強(qiáng)度之比隨GGBS摻量的增大先升高再降低，在GGBS摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值。結(jié)果表明，摻入GGBS顯著提高了堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的抗壓強(qiáng)度，且對(duì)于提高堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的早期強(qiáng)度也有顯著效果。GGBS摻量從20%增加到30%，除7 d外，其余齡期的抗壓強(qiáng)度均有所下降。所以，為提高堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的抗壓強(qiáng)度，最佳的GGBS摻量為20%，隨著礦粉摻量的繼續(xù)增大，試樣的抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低。

表3 凝灰?guī)r-礦粉試樣3 d與28 d抗壓強(qiáng)度比值

摻入GGBS對(duì)堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料強(qiáng)度有顯著提高主要是因?yàn)镚GBS含有豐富的氧化鈣，Ca2+不僅可以促進(jìn)地質(zhì)聚合反應(yīng)，還可以促進(jìn)生成C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠，且生成的C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠在一定程度上可以填充微觀結(jié)構(gòu)的空隙，使結(jié)構(gòu)更密實(shí)。

3 結(jié) 論

該研究通過(guò)在凝灰?guī)r石粉中摻入GGBS進(jìn)行堿激發(fā)，探究了GGBS摻量對(duì)堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能的影響，并研究其反應(yīng)機(jī)理，結(jié)論如下：

a.GGBS的摻入會(huì)縮短堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間，在GGBS摻量為20%時(shí)效果最為顯著。

b.隨著GGBS摻量的提高，堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的抗壓強(qiáng)度會(huì)先增大再減小，在GGBS摻量為20%時(shí)，制備的堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料樣品28 d抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到73.33 MPa。

c.GGBS的摻入會(huì)對(duì)堿激發(fā)凝灰?guī)r膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，是因?yàn)镚GBS中氧化鈣含量較高，Ca2+不僅可以加快地質(zhì)聚合反應(yīng)的進(jìn)行，還促進(jìn)生成C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠，生成的凝膠可以填充微觀結(jié)構(gòu)中的空隙，提高膠凝材料的強(qiáng)度。