堿激發(fā)劑種類對礦渣水泥再生混合料影響研究

楊少波

摘??要：為響應(yīng)工程綠色環(huán)保的號召要求，提高固廢利用率，探究堿激發(fā)劑種類對礦渣水泥的強(qiáng)度影響，通過研究NaOH、Na2SiO3兩種堿激發(fā)劑對礦渣水泥膠凝材料與再生骨料結(jié)合成的堿激發(fā)再生混凝土的性能影響，從宏微觀角度探究不同堿激發(fā)劑對混合料的影響效果，確定出最適合堿激發(fā)礦渣水泥再生混合料的最佳堿激發(fā)劑。NaOH作為堿性激發(fā)劑，用于改善礦渣水泥缺陷，縮短凝結(jié)時(shí)長，提高早期強(qiáng)度。Na2SiO3作堿激發(fā)劑時(shí)，水玻璃模數(shù)為1.0時(shí)，混合料試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度最高。

關(guān)鍵詞：堿激發(fā)劑???礦渣???再生骨料???硅酸鈉

中圖分類號：TU528.0

Research?on?the?Effect?of?the?Type?of?Alkali?Activators?on?the?Recycled?Mixture?of?Slag?Cement

YANG?Shaobo

The?Bridge?Engineering?Co.，Ltd.?of?CTCE?Group，?Changchun，?Jilin?Province，?130000?China

Abstract：?In?order?to?respond?to?the?requirements?of?the?call?for?green?and?environmental-protection?engineering，?improve?the?utilization?rate?of?solid?waste，?and?explore?the?effect?of?the?type?of?alkali?activators?on?the?strength?of?slag?cement，?this?paper?studies?the?effect?of?the?two?alkali?activators?of?NaOH?and?Na2SiO3?on?the?performance?of?alkali-activated?recycled?concrete?formed?by?the?combination?of?the?cementing?material?and?recycled?aggregate?of?slag?cement，?explores?the?influence?effects?of?different?alkali?activators?on?the?mixture?from?macro?and?micro?views，?and?determines?the?best?alkali?activator?suitable?for?the?alkali-activated?recycled?mixture?of?slag?cement.?NaOH，?as?an?alkali?activator，?is?used?to?improve?the?defects?of?slag?cement，?shorten?its?setting?time?and?increase?its?early?strength.?When?Na2SiO3?is?used?as?an?alkali?activator，?the?compressive?strength?and?splitting?strength?of?the?mixture?specimen?are?the?highest?at?the?sodium?silicate?modulus?of?1.0.

Key?Words：?Alkali?activator;?Slag;?Recycled?aggregate;?Na2SiO3

自進(jìn)入改革開放后，我國調(diào)整并加快了基礎(chǔ)建設(shè)的步伐，使現(xiàn)在建筑土木行業(yè)的發(fā)展不斷加快，使得土木建筑行業(yè)進(jìn)入黃金時(shí)代[1]。在進(jìn)行城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)建設(shè)的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也受到建筑行業(yè)的影響，目前建筑垃圾的處理和堆放問題日益突出，其水泥進(jìn)行應(yīng)用后產(chǎn)生的大量CO2難以處理，對環(huán)境的污染不斷增加[2-3]。由此可見，將這些建筑垃圾合理處理，在此基礎(chǔ)上并進(jìn)行回收再利用是當(dāng)前高效解決垃圾和環(huán)境污染的有效手段[4]。將建筑垃圾進(jìn)行回收處理后的資源化利用，是我國現(xiàn)在的重要戰(zhàn)略舉措。

就目前而言國內(nèi)現(xiàn)階段進(jìn)行經(jīng)過堿激發(fā)礦渣代替水泥，再生骨料代替天然骨料的水溫混合料研究較少，成熟應(yīng)用成果的數(shù)量不多。莫林強(qiáng)[5]、馮天彥[6]研究了不同膠凝材料下，堿激發(fā)膠凝材料受水以及其他材料的強(qiáng)度影響。史文潔、郝貴強(qiáng)[7-8]等人將不同比例的天然骨料被再生骨料替代，對再生混凝土混合料的基本力學(xué)性能、耐久性能和微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了探索研究。趙百超[9]、胡力群[10]將不同摻量的天然骨料替代為再生骨料，測定其性能發(fā)現(xiàn)，再生骨料替代天然骨料的使用會(huì)降低水穩(wěn)料的力學(xué)強(qiáng)度。楊長輝[11]在2006年提出現(xiàn)階段研究堿礦渣混凝土的塑化劑的成熟度不夠，而傳統(tǒng)的塑化劑對堿礦渣混凝土用處不大等，部分關(guān)鍵難題未被攻克。在此研究的基礎(chǔ)上，本文通過探究不同堿激發(fā)劑種類對堿激發(fā)礦渣水泥再生骨料混合料的影響，探索其最佳堿激發(fā)劑和配比。

1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用高爐礦渣（GGBS）和P·O?42.5水泥，其組成參數(shù)如表1所示。本研究采用的堿激發(fā)劑有NaOH和Na2SiO3溶液，NaOH溶液利用純度98%的固體NaOH粒配制，Na2SiO3溶液利用模數(shù)為1的固體Na2SiO3配制。

2?試驗(yàn)方案

為探究NaOH、Na2SiO3兩種堿性激發(fā)劑效果的強(qiáng)弱，使用水泥熟料、石膏和高爐礦渣的質(zhì)量比為65%：5%：30%制備礦渣水泥，以NaOH和Na2SiO3作堿性激發(fā)劑，摻量以礦渣質(zhì)量的5%加入，成型4.0%?礦渣水泥摻量、設(shè)計(jì)級配（0～4.75?mm∶4.75～9.5?mm∶9.5～19?mm∶19～31.5?mm=27∶21∶29∶23）的100?%再生集料取代率試件，測定試件7?d、28?d無側(cè)向抗壓強(qiáng)度并進(jìn)行試驗(yàn)。

為滿足交通荷載對半剛性基層要求，在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)下，探究不同堿激發(fā)劑對堿激發(fā)礦渣水泥混合料的效果影響，采用SEM電鏡試驗(yàn)，對其微觀形成物進(jìn)行分析，從宏微觀的角度闡釋堿激發(fā)劑的作用原理。試件按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG?E51—2009）為指導(dǎo)進(jìn)行試件制備和養(yǎng)護(hù)。

3?試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1?兩種堿激發(fā)劑強(qiáng)度影響結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以NaOH、Na2SiO3作為激發(fā)劑激發(fā)礦渣都能提高再生水穩(wěn)料的7?d、28?d抗壓強(qiáng)度：在NaOH摻量為6%時(shí)，7?d、28?d抗壓強(qiáng)度分別提高了21.9%、21.1%；Na2SiO3摻量為4%時(shí)，7?d、28?d抗壓強(qiáng)度分別提高了28.1%、34.2%，并且在NaOH、Na2SiO3到達(dá)一定濃度后對激發(fā)作用不大。NaOH、Na2SiO3分別存在一個(gè)最優(yōu)濃度6%、4%，通過宏觀對比抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果看，Na2SiO3激發(fā)效果更好一點(diǎn)。

3.2?SEM微觀分析

分別對養(yǎng)護(hù)7?d、28?d的兩種堿激發(fā)試件取樣，掃描電鏡（SEM）觀察水化產(chǎn)物形貌。圖1（a-d）是NaOH、Na2SiO3溶液激發(fā)再生骨料礦渣水泥水化的SEM照片，不難發(fā)現(xiàn)，在骨料表面已經(jīng)發(fā)生了水化反應(yīng)，其中C-S-H膠凝體比較多，也有一定數(shù)量的柱狀鈣礬石晶體（AFt），C-S-H凝膠體和鈣礬石晶體（AFt）包裹在一起大量覆蓋在再生骨料表面和骨料—骨料接觸處。

根據(jù)圖1（a）?（b）可知：經(jīng)過7?d的養(yǎng)護(hù)，膠凝材料已經(jīng)發(fā)生了水化反應(yīng)，但是圖1（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較多，化合物沒有圖1（b）中分布均勻，成因在于NaOH溶液堿性較強(qiáng)，激發(fā)礦渣速度較快，包裹在骨料表面，影響后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行；圖1（b）采用的堿性激發(fā)劑是Na2SiO3溶液，Na2SiO3溶液作為一種堿性礦黏合劑，模數(shù)越大，Si含量越多，黏度越大，但是由于堿性較低，高爐礦渣的活性物質(zhì)沒有完全激發(fā)，生成的化合物較少，強(qiáng)度不高。

圖1（c）、圖1（d）比圖1（a）、圖1（b）更加致密，孔隙更少，化合物更多，分布均勻，顆粒比較緊密，這說明28?d比7?d水化反應(yīng)更充分，后期強(qiáng)度更高。同時(shí)，僅就圖1（c）、圖1（d）而言，圖1（c）沒有圖1（d）致密，這說明以NaOH為激發(fā)劑沒有Na2SiO3的效果好，這是因?yàn)镹a2SiO3溶液不僅能夠像NaOH溶液一樣提供OH-，OH-起到催化劑的作用，提供大量的SiO44-，促使Ca（OH）2+SiO44-→C-S-H反應(yīng)不斷地進(jìn)行，水硅膠參與反應(yīng)，Na2SiO3在激發(fā)過程中能夠起到雙重作用。水玻璃中［SiO3?（?OH）?2］2-的存在，硅酸根陰離子和礦渣一起能夠提供SiO44-和AlO45-，進(jìn)一步促進(jìn)了水化進(jìn)程。

4?結(jié)論

NaOH作為堿性激發(fā)劑，用于改善礦渣水泥缺陷，縮短凝結(jié)時(shí)長，提高早期強(qiáng)度。存在一個(gè)最優(yōu)濃度，能最大程度地促進(jìn)復(fù)合膠凝材料的水化過程。

Na2SiO3作堿激發(fā)劑時(shí)，水玻璃模數(shù)由0.8增加到1.0，混合料試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度增大；當(dāng)模數(shù)為1.0時(shí)強(qiáng)度最高，水玻璃溶液摻量的增加，混合料試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度增大，宜取5.0?%摻量。水玻璃溶液摻量的增加有效地增加膠凝材料漿體的堿度，提供了大量的［SiO3?（?OH）?2］2-，促進(jìn)高爐礦渣水解，同時(shí)與溶解的Ca2?+生成?C-S-H?凝膠，進(jìn)而提高混合料的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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