不同堿激發(fā)劑對礦渣水泥性能的影響

■湯州龍

（福建南平路橋建設(shè)工程有限公司，南平 353000）

波特蘭水泥一直以來都是建筑領(lǐng)域最常用的膠結(jié)料。 水泥生產(chǎn)是一項能源消耗性產(chǎn)業(yè)，同時水泥工業(yè)會釋放出酸性氣體及大量的二氧化碳（CO2），從而加劇溫室效應(yīng)。 近年來，由于人們加強(qiáng)了波特蘭水泥生產(chǎn)過程對環(huán)境影響的關(guān)注，促使研究人員從良好的耐久性、環(huán)境兼容性和工業(yè)廢物再利用方面尋找替代的粘合劑[1]。 而堿激發(fā)水泥和聚合物水泥被認(rèn)為是波特蘭水泥最合適的替代品。1940 年，Purdon[2]首次使用高爐礦渣和氫氧化鈉生產(chǎn)堿礦渣水泥。 1978 年，Joseph Davidovits[3]將同樣的技術(shù)應(yīng)用于活性硅鋁酸鹽材料，并開發(fā)了聚合物水泥。 此后大量的學(xué)者專家開始探討并進(jìn)行堿激發(fā)水泥的研究。

堿激發(fā)水泥或聚合物水泥可通過將堿性材料如氫氧化鈉、氫氧化鉀、硅酸鈉和碳酸鈉與合適的材料如高爐渣、偏高嶺土、粉煤灰、天然火山灰及其混合物進(jìn)行生產(chǎn)。 它們在生產(chǎn)過程中往往會減少能源的消耗，產(chǎn)生較少的溫室氣體（CO2），具備環(huán)境友好性，同時可以在其中添加工業(yè)廢棄物，從而達(dá)到低能耗，低排放，可循環(huán)的優(yōu)良生產(chǎn)。 然而目前市場存在的堿激發(fā)劑種類繁雜，且摻量不一，因此有必要定量研究分析常用的類型及摻量對礦渣水泥的影響規(guī)律。

本研究主要選取目前常用的NaOH、Na2CO3及水玻璃作為堿激發(fā)劑， 通過對比相同摻量下不同類型激發(fā)劑及激發(fā)劑不同摻量對礦渣凈漿性能的影響， 評價3 種堿激發(fā)劑對礦渣凈漿性能的影響規(guī)律。

1 原材料

堿激發(fā)礦渣水泥制備過程中不需要普通的硅酸鹽水泥， 主要由堿激發(fā)劑和膠凝材料兩部分組成， 其中堿激發(fā)劑為選用的3 種（NaOH、Na2CO3、水玻璃），膠凝材料為礦渣。

1.1 礦渣

試驗(yàn)選用的礦渣來源于河北張家口生產(chǎn)的礦渣， 主要成分及技術(shù)指標(biāo)：SiO232.83%、Al2O317.34%、CaO 36.87%、Fe2O30.31%、K2O 0.36%、MgO 8.07%、Na2O 0.87%、SO31.58%、其他1.77%。在制備凈漿過程中采用水灰比為0.45（水/礦渣）。

1.2 堿激發(fā)劑

堿激發(fā)劑分別為分析純濃度的NaOH、Na2CO3及模數(shù)為1 的水玻璃，3 種材料均來源于天津市化工產(chǎn)品公司生產(chǎn)， 其中NaOH 為白色顆粒狀，純度≥95%；Na2CO3為粉末狀，純度為≥99.5%；水玻璃激發(fā)劑的主要成分為Na2O·nSiO2， 水玻璃模數(shù)為1.0。試驗(yàn)中選用的堿激發(fā)劑摻量依次為4%、6%、8%。

2 礦渣凈漿性能

2.1 堿激發(fā)劑對礦渣凈漿凝結(jié)時間的影響

堿激發(fā)劑的摻入能夠有效縮短礦渣水泥的凝結(jié)時間， 這主要是由于堿激發(fā)劑中含有大量的OH-，在水泥水化過程中，一定的堿性環(huán)境能夠?yàn)樗嗨峁┳銐虻腛H-從而快速形成C-S-H 凝膠，致使水泥快速凝結(jié)硬化形成具有一定強(qiáng)度的基體。堿激發(fā)劑采用內(nèi)摻法，表1 為不同激發(fā)劑類型及摻量下的礦渣凈漿凝結(jié)時間。 由表1 可知，盡管堿激發(fā)劑種類不同，但是凝結(jié)時間均隨著摻量的增多而逐漸縮短，表明堿激發(fā)劑的添加能有效縮短礦渣凈漿的凝結(jié)時間。 相同摻量下的縮短快慢存在一定的差異，3 種激發(fā)劑對凝結(jié)時間影響的順序?yàn)樗ＡВ綨aOH＞Na2O3。

表1 堿激發(fā)劑對礦渣凈漿凝結(jié)時間的影響

2.2 堿激發(fā)劑對礦渣水凈漿干燥收縮的影響

水泥的收縮性能主要包括化學(xué)收縮、自收縮與干燥收縮， 其中水泥在水化過程中由于會損失水分，因此會引起材料體積的干燥收縮。 之前的文獻(xiàn)也對堿激發(fā)水泥的收縮性能進(jìn)行了一定的研究。 鄭娟榮等[4]發(fā)現(xiàn)與普通硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)水泥的化學(xué)收縮約為其1/2。 Lee 等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)水泥的自收縮與干燥收縮相對較大，28 d 時分別為普通硅酸鹽水泥的3～4 倍和4～6 倍。本研究主要研究了堿激發(fā)礦渣水泥的7 d 和28 d 的干燥收縮性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2 可知，水玻璃摻量的增加會增加礦渣水泥凈漿的自收縮率， 這可能是因?yàn)镃-S-H 凝膠對干燥收縮性能的影響，之前的研究中表示，在一定條件下，Ca/Si（Ca 與Si 濃度比）越低，材料的自收縮越為明顯。 因此水玻璃摻量的增加提高了溶液中Si的濃度，導(dǎo)致Ca/Si 降低，材料的自收縮更為明顯[5]。氫氧化鈉對干燥收縮的影響較小， 基本保持不變。而碳酸鈉的增加會顯著減少礦渣水泥的干燥收縮，這主要是由于CO32-的增加促進(jìn)了水滑石產(chǎn)物的生成，這種材料有助于抑制材料的收縮[6]。

表2 堿激發(fā)礦渣水泥的7 d 和28 d 的收縮率結(jié)果

堿激發(fā)劑對礦渣凈漿抗壓強(qiáng)度的影響堿激發(fā)水泥是用于替代普通硅酸鹽水泥的潛在材料，其最初優(yōu)良的力學(xué)性能最為顯著，因此才有了后續(xù)的研究進(jìn)展。 堿激發(fā)礦渣水泥同樣具備早強(qiáng)的特點(diǎn)，通常在常溫下養(yǎng)護(hù)就能達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度。 將堿激發(fā)礦渣水泥凈漿成型尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別測量1、3、7、15 和28 d 的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果分別見圖1～3。

圖1 NaOH 對礦渣水泥抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 Na2CO3 對礦渣水泥抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 水玻璃對礦渣水泥抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1 可知， 當(dāng)NaOH 摻量為4%和6%時，其抗壓強(qiáng)度具有顯著的提升， 且在1～3 d 內(nèi)快速增長， 在7 d 時的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到最終的91.0%和96.9%，而在8%的摻量下抗壓強(qiáng)度雖然增長幅度不明顯，但其在1 d 時抗壓強(qiáng)度＞100 MPa，表明了其優(yōu)異的早強(qiáng)性能。整體來看，NaOH 摻量的增加能顯著提高礦渣水泥的抗壓強(qiáng)度，一般在3～7 d 內(nèi)即可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%。

圖2 為Na2CO3對礦渣水泥抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律結(jié)果，不同于NaOH 對礦渣水泥凈漿的強(qiáng)度影響規(guī)律，當(dāng)Na2CO3摻量達(dá)到8%時，其抗壓強(qiáng)度存在一定程度的負(fù)增長。 說明Na2CO3摻量存在一個最佳范圍，當(dāng)摻量大于6%之后，抗壓強(qiáng)度會存在一定程度的降低，礦渣水泥在7 d 時強(qiáng)度基本為最終強(qiáng)度的60%～70%。 相較于NaOH 對礦渣水泥凈漿的強(qiáng)度影響，Na2CO3激發(fā)礦渣水泥其強(qiáng)度相對較低，主要是因?yàn)镹a2CO3激發(fā)礦渣優(yōu)先進(jìn)行Ca2+與CO32-的反應(yīng)生成碳酸鈣與單斜鈉鈣石，而這些產(chǎn)物強(qiáng)度較低，從而導(dǎo)致了Na2CO3礦渣水泥強(qiáng)度較低[5]。主要是由于CO32-的存在減少了OH-的存在，因此早期強(qiáng)度有所降低，但后期強(qiáng)度的增長是由于碳酸鹽產(chǎn)物的增加。

與Na2CO3激發(fā)礦渣水泥凈漿結(jié)果相似， 水玻璃的摻量同樣存在一個最佳摻量約為6%， 當(dāng)摻量達(dá)到8%時，抗壓強(qiáng)度存在一定程度的降低。但水玻璃激發(fā)礦渣水泥凈漿抗壓強(qiáng)度整體較高，在7 d 時抗壓強(qiáng)度分別能達(dá)到98.5%、96.4%、98.1%，基本水化完成具備了較高的抗壓強(qiáng)度。 在4%摻量下抗壓強(qiáng)度的順序依次為水玻璃＞NaOH＞Na2CO3，6%摻量下水玻璃＞NaOH ＞Na2CO3， 而在8%摻量下，只有NaOH 能顯著提高礦渣水泥的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本研究通過對3 種不同堿激發(fā)劑及多種摻量下的礦渣水泥凈漿試驗(yàn)研究了摻量和種類對凝結(jié)時間、干燥收縮性能及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，分析了各種變量對堿激發(fā)礦渣水泥性能的影響原因，主要得到以下結(jié)論：（1）堿激發(fā)劑類型對礦渣水泥凈漿凝結(jié)時間影響很大，相同摻量下水玻璃具有最短的凝結(jié)時間，其次為NaOH，最后為Na2CO3。 3 種堿激發(fā)劑摻量的增加均能顯著縮短礦渣水泥凈漿的凝結(jié)時間。 （2）Na2CO3的增加會顯著減少礦渣水泥凈漿的干燥收縮，水玻璃摻量的增加會增加礦渣水泥凈漿的干縮率。 NaOH 對干燥收縮的影響較小，基本保持不變。（3）在常用堿激發(fā)劑添加量范圍內(nèi)（4%～8%）。碳酸鈉與水玻璃摻量的提高對礦渣水泥凈漿抗壓強(qiáng)度起到積極作用， 但存在一個最佳摻量，當(dāng)摻量過大時會降低抗壓強(qiáng)度。