堿礦渣膠凝材料的塑性收縮研究
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摘 要：近幾年來(lái)，堿礦渣膠凝材料成為一種令人廣泛關(guān)注的新型膠凝材料，它具有強(qiáng)度高,特別是早期強(qiáng)度高、水化熱低、抗?jié)B性好、抗凍性強(qiáng)、耐熱性好、抗化學(xué)侵蝕性能優(yōu)良和工作性及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。但目前的研究表明，該種材料砂漿塑性收縮很大，限制了它的廣泛應(yīng)用。因此有必要從不同角度對(duì)影響該膠凝材料的塑性收縮因素作探討。本文研究了激發(fā)劑種類、礦砂比、氧化鈉當(dāng)量和水玻璃模數(shù)對(duì)堿礦渣砂漿塑性收縮的影響。
關(guān)鍵詞：堿礦渣；膠凝材料；塑性收縮；水分蒸發(fā)速率
中圖分類號(hào): TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Research of alkali slag cementation material’s plastic shrinkage
Abstract：Alkali slag cementation material is a noticeable kind of new materials in recent years. It has many advantages, such as very high strength especially early-strength, the little hydrate hot, the excellent impermeability, the high frost resistance, the good chemical resistance, the good workability and durability. It is accorded with continual development object of building material industry. It has been shown that its plastic shrinkage is very much, which will be bad for its application. Therefore it is necessary to do some research on the factors that affect its plastic shrinkage in many terms. In this paper, the author studied the plastic shrinkage of the alkali slag cementation materials with variable activators, proportion between slag and sand, different sodium oxide content and modulus of water glass.
Keywords：alkali slag, cementation materials, plastic shrinkage, rate of water evaporation
引言
混凝土材料是人類社會(huì)發(fā)展中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。1998年全世界混凝土的生產(chǎn)量約為28億立方米，中國(guó)混凝土產(chǎn)量(港澳臺(tái)未計(jì)入在內(nèi))約占世界總產(chǎn)量的45%，約13億立方米。2000年我國(guó)水泥混凝土的用量達(dá)到了20億立方米。這需要耗費(fèi)水泥5億多噸，砂石30多億噸。而每生產(chǎn)1噸水泥又要耗費(fèi)1.10噸石灰石，0.25噸黏土，115 公斤煤和108千瓦時(shí)電，還有其它輔助原料。可見(jiàn)水泥混凝土工業(yè)不僅能源與資源消耗巨大，而且排出大量CO2和Nix,污染環(huán)境。由于這些缺點(diǎn)，使硅酸鹽水泥的應(yīng)用面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。而以堿礦渣為主的堿礦渣膠凝材料就可很好的彌補(bǔ)以上缺陷。
堿礦渣膠凝材料是以磨細(xì)的高爐礦渣、電熱磷渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣或火山灰等天然礦物為主要原料,堿化合物或含堿工業(yè)廢渣為激發(fā)劑，制得的水硬性膠凝材料。與常用的硅酸鹽水泥相比,堿礦渣膠凝材料具有獨(dú)特的水化機(jī)理和水化礦物結(jié)構(gòu),因而具有許多優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。堿礦渣膠凝材料最早于1957 年由前蘇聯(lián)烏克蘭共和國(guó)基輔建筑工程學(xué)院的Глуховский發(fā)明。此后他們進(jìn)行了多年的持續(xù)研究,由此帶動(dòng)了國(guó)際上研究堿礦渣膠凝材料的熱潮[3][4] 。但目前的研究表明，該種材料的砂漿塑性收縮率大，限制了它的廣泛應(yīng)用，因此本文從不同角度探討了影響該材料塑性收縮的因素。
1試驗(yàn)原材料
1.2礦渣：采用重慶鋼鐵集團(tuán)煤鐵廠水淬高爐礦渣經(jīng)烘干摻入1％YP堿礦渣緩凝劑，經(jīng)MZ—200C型振動(dòng)磨粉磨60min得到比表面積分別為510m2/kg，密度為2.94 g/cm3的礦粉，化學(xué)成分見(jiàn)表1?；钚灾笜?biāo)值見(jiàn)表2礦渣堿性系數(shù)Mo＞1.0；活性系數(shù) Ma＞0.12;質(zhì)量系數(shù)Mk＞1.0屬堿性礦渣活性較高。
1.3激發(fā)劑：水玻璃模數(shù)M＝1.0，1.5，2.0,水玻璃主要指標(biāo)見(jiàn)表3；分析純NaOH。
1.4減水劑：江蘇博特新材料有限公司產(chǎn)JM-B奈系高效減水劑。
2試驗(yàn)方案及結(jié)果分析
2.1試驗(yàn)儀器及方法
本試驗(yàn)采用激光位移傳感器測(cè)量砂漿試件塑性變形，其特點(diǎn)在于：完全的非接觸式測(cè)量，傳感器對(duì)被測(cè)體無(wú)作用力；較高的穩(wěn)定性和精度，適應(yīng)惡劣環(huán)境條件下的測(cè)量，環(huán)境波動(dòng)影響小；可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)信息通過(guò)專門的數(shù)據(jù)傳輸線即可與數(shù)顯表連接，也可與計(jì)算機(jī)的RS232接口連接，配以相應(yīng)的計(jì)算軟件（設(shè)備制造商提供），圖1激光位移傳感器測(cè)定砂漿塑性收縮的試驗(yàn)裝置就能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。激光位移傳感器常用于機(jī)械制造、電子等行業(yè)中，其精度大小與量程有關(guān)，量程越小，精度和靈敏度越高，本文試驗(yàn)采用德國(guó)米依（Micro-epsilon）公司產(chǎn)5mm量程的激光位移傳感器（圖1）。
用于測(cè)量收縮變形的砂漿鋼模具尺寸為40mm×40mm×160mm，在模具長(zhǎng)度方向側(cè)面的中心處開(kāi)一直徑為5mm的圓孔，用于放置引申桿。引申桿與混凝土試件端部的輕質(zhì)預(yù)埋件連接，為加強(qiáng)該輕質(zhì)預(yù)埋件在混凝土中的穩(wěn)定性和錨固性，將其做成倒“T”字形；引申桿伸出試模的部分，其端部的截面尺寸略大于桿體本身的截面尺寸，由于該端部是作為傳感器的反射靶，其尺寸規(guī)格及表面的平整度需滿足所選激光傳感器的技術(shù)要求（不宜選擇過(guò)于光滑的鏡面材料，而影響到漫反射效果）。另外，為減小底面和側(cè)面與混凝土試件之間的約束，在側(cè)面和底面鋪上塑料薄膜。砂漿分二層澆注入模，振動(dòng)密實(shí)。調(diào)整試模位置使傳感器的激光束垂直打在兩端反射靶上，并留有足夠的測(cè)量范圍。反射靶的軸向位移將由當(dāng)前間距和初始間距之差反映出來(lái)。砂漿塑性收縮定量測(cè)定是在空氣溫度和相對(duì)濕度分別為20±2℃和60±4%的室內(nèi)環(huán)境條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為24h，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并用電子稱稱量砂漿24h的水分蒸發(fā)量。
2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.2.1激發(fā)劑種類對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響
分別以氫氧化鈉和水玻璃為激發(fā)劑，Na2O當(dāng)量定為4.4%，膠砂比為：1：3，按照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法攪拌砂漿和作砂漿跳桌流動(dòng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖2。
用水玻璃作為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，其激發(fā)性能優(yōu)異，試件強(qiáng)度發(fā)展高，尤其是后期強(qiáng)度值大，但其也表現(xiàn)出試件的水分蒸發(fā)率過(guò)大，早期塑性收縮表現(xiàn)為偏高，且收縮性下降緩慢。在24h內(nèi)表現(xiàn)出有一直收縮的趨勢(shì)，收縮的加大易于導(dǎo)致塑性裂縫的產(chǎn)生，從而引起混凝土的早期開(kāi)裂，影響混凝土的長(zhǎng)期的耐久性。氫氧化鈉作激發(fā)劑，10h后收縮率基本為0，收縮值大小表現(xiàn)為微波動(dòng)狀態(tài)。開(kāi)始成型2h內(nèi)，由于受塑性沉降或早期泌水作用，收縮值為負(fù)值，呈微膨脹狀態(tài)。
2.2.2不同模數(shù)水玻璃對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響 以水玻璃為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，其中Na2O當(dāng)量固定為4.4%，取模數(shù)分別為1.0，1.5，2.0的三種水玻璃對(duì)堿礦渣膠凝材料進(jìn)行堿激發(fā)，溶礦比為：0.55，膠砂比為：1：3。試件經(jīng)攪拌均勻后成型，其部分性能和收縮曲線見(jiàn)表4和圖3。
由表4和圖3可以看出：Na2O當(dāng)量為4.4%，不同模數(shù)的水玻璃對(duì)堿礦渣的激發(fā)效果均較好，早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都很高，并且后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，且攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度和水分蒸發(fā)速率也有一定的相關(guān)性。由收縮曲線可以看出：模數(shù)為1.0時(shí)，試件成型后的前4h內(nèi)，試件呈現(xiàn)出極其微小的收縮，也就是說(shuō)試件在這段時(shí)間內(nèi)基本不收縮。爾后在4h---16h時(shí)間內(nèi)，試件的收縮值急劇變大，收縮率呈幾何級(jí)數(shù)上升，從33um急劇飆升到3220um，收縮變化之大可想而知。此后在16h---24h內(nèi)試件收縮值就變化不大，呈微波動(dòng)狀態(tài)變化。模數(shù)為1.5時(shí)，試件成型后整個(gè)曲線的收縮值呈緩慢增大的趨勢(shì)，收縮率也相對(duì)很小，但在后期還是有一定的收縮趨勢(shì)。模數(shù)為2.0時(shí)，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度相對(duì)較小，但水分蒸發(fā)速率很小，這將有利于緩解由水分蒸發(fā)速率過(guò)大而引起的塑性開(kāi)裂。試件成型后的前5h內(nèi)，試件呈現(xiàn)出一定的微膨脹，這可能是由于塑性沉降造成的。這是因?yàn)椋荷皾{拌和是固體顆粒，水和空氣交混而成的三項(xiàng)體系。澆灌成型后，絕大部分空氣逸出，固體粒子互相接觸形成一個(gè)孔隙中充滿水的空間構(gòu)架。由于粒子間僅有微弱的摩擦力，不足以阻止相互的滑移，它們將繼續(xù)憑借重力在上下方向上沉降，在水平方向上線性增大，從而在水平方向上呈現(xiàn)出一定的微膨脹。爾后，在5h----8h之間試件表現(xiàn)出一定收縮，不過(guò)收縮值和收縮率都很小，并且在以后的時(shí)間內(nèi)，收縮曲線趨于平穩(wěn)，收縮值基本不再變化，收縮性能穩(wěn)定。
2.2.3氧化納當(dāng)量對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響
堿組分的摻量以Na2O當(dāng)量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，分別以NaOH和不同細(xì)度模數(shù)的水玻璃作為激發(fā)劑，對(duì)堿礦渣膠凝材料進(jìn)行堿激發(fā)，Na2O當(dāng)量分別取2.4%，4.4%，6.4%。NaOH為激發(fā)劑時(shí)，取溶礦比為0.50，膠砂比為1：3；水玻璃為激發(fā)劑時(shí)，取溶礦比為0.55，膠砂比為1：3。成型后堿礦渣砂漿配比及部分性能如表4和圖4、5所示。由圖中曲線可以看出：Na2O當(dāng)量為2.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度小，且成型后的試件水分蒸發(fā)速率大，早期抗壓抗折強(qiáng)度都很低，并且發(fā)展緩慢。由收縮曲線也可以看出：試件成型后的前2個(gè)小時(shí)，呈膨脹狀態(tài)，而后，收縮值開(kāi)始增大，并且在24小時(shí)后收縮值還有增大的趨勢(shì)。
Na2O當(dāng)量為4.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度大，而試件成型后的水分蒸發(fā)速率很小，早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都很高，并且后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。由收縮曲線也可以看出：試件成型后的第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，收縮值急劇增大，這可能是由于試件成型時(shí)振搗導(dǎo)致的泌水所致。而后收縮保持穩(wěn)定，整個(gè)收縮曲線呈微波動(dòng)狀態(tài)，收縮變形小，體積穩(wěn)定性好。Na2O當(dāng)量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度很大，但試件成型后的水分蒸發(fā)速率也相應(yīng)很大。早期抗壓抗折強(qiáng)度都很高，并且后期穩(wěn)定增長(zhǎng)。由收縮曲線可以看出：試件成型后的10小時(shí)內(nèi)，試件一直呈膨脹狀態(tài)，且膨脹值是一直增大的， 10h后試件在原膨脹的基礎(chǔ)上開(kāi)始收縮，并在14h試件又恢復(fù)到原有尺寸，此后又呈現(xiàn)出微膨脹性。對(duì)于摻Na2O當(dāng)量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，激發(fā)后試件為什么會(huì)呈現(xiàn)出膨脹性，目前還沒(méi)有找到合適的膨脹源，又不能通過(guò)早期塑性沉降或毛細(xì)管壓力學(xué)說(shuō)給人以合理的解釋。 不同Na2O當(dāng)量的水玻璃激發(fā)劑的激發(fā)效果均較好，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度大，但同時(shí)水分蒸發(fā)速率也很大，由收縮曲線可以看出：Na2O當(dāng)量為2.4%的水玻璃時(shí)，試件成型后的前4h內(nèi)，可能由于成型時(shí)搗振造成的泌水作用，試件呈現(xiàn)出微小的膨脹，其后在6h----24h之間，試件收縮值急劇增大，并且在24h后，已有很大的收縮趨勢(shì)。如此大的收縮趨勢(shì)必將導(dǎo)致早期塑性裂縫的產(chǎn)生，從而破壞了試件體積的穩(wěn)定。Na2O當(dāng)量為4.4%的水玻璃，整個(gè)收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率很小，收縮值也很小，并且后期的收縮趨勢(shì)增長(zhǎng)緩慢。Na2O當(dāng)量為6.4%的水玻璃，整個(gè)收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率小，收縮值也小，但要比Na2O當(dāng)量為4.4%的水玻璃激發(fā)的堿礦渣砂漿試件的相應(yīng)收縮值偏大，且后期的收縮值也一直大于Na2O當(dāng)量為4.4%的水玻璃。 2.2.4礦砂比對(duì)堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響
以NaOH和模數(shù)為1.5的水玻璃為堿礦渣膠凝材料的激發(fā)劑，Na2O當(dāng)量固定為4.4%，溶礦比為：0.55，膠砂比分別取為：1：3和1：2。試件經(jīng)攪拌均勻后成型，其部分性能和收縮曲線見(jiàn)表5和圖6、7。
兩種激發(fā)劑對(duì)不同膠砂比的激發(fā)效果都較好，攪拌后的砂漿跳桌流動(dòng)度相對(duì)較好，且水分蒸發(fā)速率穩(wěn)定，試件早期強(qiáng)度大，后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定。由收縮曲線可以看出：膠砂比為1：2時(shí)，兩種激發(fā)劑下試件的收縮值在24h后都有的增大趨勢(shì)；膠砂比為1：3時(shí)，水玻璃激發(fā)的試件的收縮值在24h后還有一定的增大趨勢(shì)，而NaOH激發(fā)的試件的收縮值在2h后就基本保持穩(wěn)定。
3結(jié)論 綜合上述試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：
（1）對(duì)于采用不同Na2O當(dāng)量的堿激發(fā)劑而言，存在一個(gè)相對(duì)好的當(dāng)量值，能在一定程度上降低堿礦渣砂漿的塑性收縮。
（2）水玻璃的模數(shù)對(duì)堿礦渣砂漿的強(qiáng)度發(fā)展和早期塑性收縮都有一定的影響。綜合考慮可以得出：Na2O當(dāng)量為4.4%，模數(shù)為1.5的水玻璃激發(fā)劑時(shí)，可以得到強(qiáng)度相對(duì)較高和早期塑性收縮較小的堿礦渣砂漿。
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| 原作者： 張守治 劉加平 |
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