摘 要：近幾年來，堿礦渣膠凝材料成為一種令人廣泛關注的新型膠凝材料，它具有強度高,特別是早期強度高、水化熱低、抗?jié)B性好、抗凍性強、耐熱性好、抗化學侵蝕性能優(yōu)良和工作性及耐久性好等優(yōu)點，符合我國建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標。但目前的研究表明，該種材料砂漿塑性收縮很大，限制了它的廣泛應用。因此有必要從不同角度對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、氧化鈉當量和水玻璃模數(shù)對堿礦渣砂漿塑性收縮的影響。
關鍵詞：堿礦渣；膠凝材料；塑性收縮；水分蒸發(fā)速率
中圖分類號: TU5 文獻標識碼:A
0引言
混凝土材料是人類社會發(fā)展中不可缺少的物質基礎。1998年全世界混凝土的生產(chǎn)量約為28億立方米，中國混凝土產(chǎn)量(港澳臺未計入在內)約占世界總產(chǎn)量的45%，約13億立方米。2000年我國水泥混凝土的用量達到了20億立方米。這需要耗費水泥5億多噸，砂石30多億噸。而每生產(chǎn)1噸水泥又要耗費1.10噸石灰石，0.25噸黏土，115公斤煤和108千瓦時電，還有其它輔助原料[1][2]?？梢娝嗷炷凉I(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，使硅酸鹽水泥的應用面臨可持續(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以上缺陷。
堿礦渣膠凝材料是以磨細的高爐礦渣、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特的水化機理和水化礦物結構,因而具有許多優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景。堿礦渣膠凝材料最早于1957 年由前蘇聯(lián)烏克蘭共和國基輔建筑工程學院的Глуховский發(fā)明。此后他們進行了多年的持續(xù)研究,由此帶動了國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試驗原材料
1.1水泥：重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)的42.5R級普通硅酸鹽水泥（P.O42.5R），化學成分見表1。
1.2礦渣：采用重慶鋼鐵集團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，化學成分見表1?；钚灾笜酥狄姳?礦渣堿性系數(shù)Mo＞1.0；活性系數(shù) Ma＞0.12;質量系數(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,水玻璃主要指標見表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試驗方案及結果分析
2.1試驗儀器及方法
本試驗采用激光位移傳感器測量砂漿試件塑性變形，其特點在于：完全的非接觸式測量，傳感器對被測體無作用力；較高的穩(wěn)定性和精度，適應惡劣環(huán)境條件下的測量，環(huán)境波動影響小；可實現(xiàn)在線實時測量，數(shù)據(jù)信息通過專門的數(shù)據(jù)傳輸線即可與數(shù)顯表連接，也可與計算機的RS232接口連接，配以相應的計算軟件（設備制造商提供），
就能實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的自動采集。激光位移傳感器常用于機械制造、電子等行業(yè)中，其精度大小與量程有關，量程越小，精度和靈敏度越高，本文試驗采用德國米依（Micro-epsilon）公司產(chǎn)5mm量程的激光位移傳感器（圖1）。
用于測量收縮變形的砂漿鋼模具尺寸為40mm×40mm×160mm，在模具長度方向側面的中心處開一直徑為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預埋件連接，為加強該輕質預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要求（不宜選擇過于光滑的鏡面材料，而影響到漫反射效果）。另外，為減小底面和側面與混凝土試件之間的約束，在側面和底面鋪上塑料薄膜。砂漿分二層澆注入模，振動密實。調整試模位置使傳感器的激光束垂直打在兩端反射靶上，并留有足夠的測量范圍。反射靶的軸向位移將由當前間距和初始間距之差反映出來。砂漿塑性收縮定量測定是在空氣溫度和相對濕度分別為20±2℃和60±4%的室內環(huán)境條件下進行的。試驗進行時間為24h，由計算機自動采集數(shù)據(jù)，并用電子稱稱量砂漿24h的水分蒸發(fā)量。
2.2試驗結果及分析
2.2.1激發(fā)劑種類對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當量定為4.4%，膠砂比為：1：3，按照國標試驗方法攪拌砂漿和作砂漿跳桌流動度試驗。試驗結果見表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，試件強度發(fā)展高，尤其是后期強度值大，但其也表現(xiàn)出試件的水分蒸發(fā)率過大，早期塑性收縮表現(xiàn)為偏高，且收縮性下降緩慢。在24h內表現(xiàn)出有一直收縮的趨勢，收縮的加大易于導致塑性裂縫的產(chǎn)生，從而引起混凝土的早期開裂，影響混凝土的長期的耐久性。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)為微波動狀態(tài)。開始成型2h內，由于受塑性沉降或早期泌水作用，收縮值為負值，
2.2.2不同模數(shù)水玻璃對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的三種水玻璃對堿礦渣膠凝材料進行堿激發(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表4和圖3。
由表4和圖3可以看出：Na2O當量為4.4%，不同模數(shù)的水玻璃對堿礦渣的激發(fā)效果均較好，早期抗壓強度和抗折強度都很高，并且后期強度穩(wěn)定增長，且攪拌后的砂漿跳桌流動度和水分蒸發(fā)速率也有一定的相關性。由收縮曲線可以看出：模數(shù)為1.0時，試件成型后的前4h內，試件呈現(xiàn)出極其微小的收縮，也就是說試件在這段時間內基本不收縮。爾后在4h---16h時間內，試件的收縮值急劇變大，收縮率呈幾何級數(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內試件收縮值就變化不大，呈微波動狀態(tài)變化。模數(shù)為1.5時，試件成型后整個曲線的收縮值呈緩慢增大的趨勢，收縮率也相對很小，但在后期還是有一定的收縮趨勢。模數(shù)為2.0時，攪拌后的砂漿跳桌流動度相對較小，但水分蒸發(fā)速率很小，這將有利于緩解由水分蒸發(fā)速率過大而引起的塑性開裂。試件成型后的前5h內，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。這是因為：砂漿拌和是固體顆粒，水和空氣交混而成的三項體系。澆灌成型后，絕大部分空氣逸出，固體粒子
互相接觸形成一個孔隙中充滿水的空間構架。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，不過收縮值和收縮率都很小，并且在以后的時間內，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氧化納當量對堿礦渣膠凝材料塑性收縮的影響
堿組分的摻量以Na2O當量為計算標準，分別以NaOH和不同細度模數(shù)的水玻璃作為激發(fā)劑，對堿礦渣膠凝材料進行堿激發(fā)，Na2O當量分別取2.4%，4.4%，6.4%。NaOH為激發(fā)劑時，取溶礦比為0.50，膠砂比為1：3；水玻璃為激發(fā)劑時，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當量為2.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動度小，且成型后的試件水分蒸發(fā)速率大，早期抗壓抗折強度都很低，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個小時，呈膨脹狀態(tài)，而后，收縮值開始增大，并且在24小時后收縮值還有增大的趨勢。Na2O當量為4.4%的氫氧化鈉激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動度大，而試件成型后的水分蒸發(fā)速率很小，早期抗壓強度和抗折強度都很高，并且后期強度穩(wěn)定增長。由收縮曲線也可以看出：試件成型后的第一個小時內，收縮值急劇增大，這可能是由于試件成型時振搗導致的泌水所致。而后收縮保持穩(wěn)定，整個收縮曲線呈微波動狀態(tài)，收縮變形小，體積穩(wěn)定性好。Na2O當量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，攪拌后的砂漿跳桌流動度很大，但試件成型后的水分蒸發(fā)速率也相應很大。早期抗壓抗折強度都很高，并且后期穩(wěn)定增長。由收縮曲線可以看出：試件成型后的10小時內，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上開始收縮，并在14h試件又恢復到原有尺寸，此后又呈現(xiàn)出微膨脹性。對于摻Na2O當量為6.4%的氫氧化鈉溶液激發(fā)劑，激發(fā)后試件為什么會呈現(xiàn)出膨脹性，目前還沒有找到合適的膨脹源，又不能通過早期塑性沉降或毛細管壓力學說給人以合理的解釋。
不同Na2O當量的水玻璃激發(fā)劑的激發(fā)效果均較好，攪拌后的砂漿跳桌流動度大，但同時水分蒸發(fā)速率也很大，由收縮曲線可以看出：Na2O當量為2.4%的水玻璃時，試件成型后的前4h內，可能由于成型時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。如此大的收縮趨勢必將導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當量為4.4%的水玻璃，整個收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率很小，收縮值也很小，并且后期的收縮趨勢增長緩慢。Na2O當量為6.4%的水玻璃，整個收縮曲線呈現(xiàn)出收縮率小，收縮值也小，但要比Na2O當量為4.4%的水玻璃激發(fā)的堿礦渣砂漿試件的相應收縮值偏大，且后期的收縮值也一直大于Na2O當量為4.4%的水玻璃。
2.2.4礦砂比對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表5和圖6、7。
兩種激發(fā)劑對不同膠砂比的激發(fā)效果都較好，攪拌后的砂漿跳桌流動度相對較好，且水分蒸發(fā)速率穩(wěn)定，試件早期強度大，后期強度發(fā)展穩(wěn)定。由收縮曲線可以看出：膠砂比為1：2時，兩種激發(fā)劑下試件的收縮值在24h后都有的增大趨勢；膠砂比為1：3時，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，而NaOH激發(fā)的試件的收縮值在2h后就基本保持穩(wěn)定。
3結論
綜合上述試驗研究得到以下結論：
（1）對于采用不同Na2O當量的堿激發(fā)劑而言，存在一個相對好的當量值，能在一定程度上降低堿礦渣砂漿的塑性收縮。
?。?）水玻璃的模數(shù)對堿礦渣砂漿的強度發(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當量為4.4%，模數(shù)為1.5的水玻璃激發(fā)劑時，可以得到強度相對較高和早期塑性收縮較小的堿礦渣砂漿。
參考文獻
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