摘要：本文研究了礦渣的種類、細(xì)度以及堿組分種類、堿溶液濃度等對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮的影響。結(jié)果表明：當(dāng)堿組分為NaOH 時(shí)，堿礦渣水泥28d 齡期的化學(xué)收縮約為6~10ml/100g，與硅酸鹽水泥(7~9ml/100g) 的相當(dāng)；當(dāng)堿組分為水玻璃時(shí)，其收縮量約為3~6ml/100g，比硅酸鹽水泥的小。
關(guān)鍵詞：堿礦渣水泥 化學(xué)收縮
1 引言
堿礦渣水泥是以磨細(xì)的水淬高爐礦渣和其它冶金渣為固態(tài)分散相，配以一定的堿組分而組成的一類新型的膠凝材料。目前，有關(guān)該膠凝材料系統(tǒng)的化學(xué)收縮研究較少，而收縮問題是制約其應(yīng)用發(fā)展有重要技術(shù)屬性之一。加強(qiáng)化學(xué)收縮研究，對(duì)確定不同類型收縮在堿礦渣水泥砂漿及混凝土總收縮中的比例、明確提高其體積穩(wěn)定性的技術(shù)途徑具有重要意義。
雖然礦渣在化學(xué)成分和硅酸鹽水泥相近，但是由于礦渣在水淬過程中，冷卻速度極快，來不及成核結(jié)晶，90%以上為玻璃相。因此，不存在單礦物水化減縮的差異。堿礦渣水泥化學(xué)收縮的特殊性在于，堿礦渣水泥由礦渣和堿組分組成，其水化過程比硅酸鹽水泥更復(fù)雜，水化產(chǎn)物的組成與數(shù)量隨堿組分變化而改變。堿組分種類不同，堿礦渣水泥化學(xué)收縮可能不同；堿組分種類相同，堿溶液濃度不同，堿礦渣水泥化學(xué)收縮也可能不同。本文試驗(yàn)研究了礦渣種類、細(xì)度和堿組分種類、堿含量對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮的影響。
2 原材料及試驗(yàn)方法
2.1 原材料
(1) 礦渣：重慶鋼鐵集團(tuán)水淬高爐礦渣，化學(xué)成分見表1，礦渣A 的堿性系數(shù)Mo＝1.114、活性
系數(shù)Ma＝0.304，屬堿性渣；礦渣B 的堿性系數(shù)＝0.964、活性系數(shù)＝0.470，屬酸性渣。礦渣的密度為2.91~2.92 g/cm3。礦渣與1.0%緩凝劑混磨，堿性渣的細(xì)度分別為390 m2/kg、485 m2/kg、590 m2/kg；酸性渣的細(xì)度分別為：379 m2/kg、514 m2/kg、615m2/kg。
表1 礦渣、粉煤灰的化學(xué)成分/%
(2)堿組分：分別采用水玻璃和氫氧化鈉作堿組分。前者為重慶北碚東風(fēng)化工廠生產(chǎn)的水玻璃，
其玻美度為52、模數(shù)為2.31、Na2O 和SiO2 含量分別為13.57%和30.33%；后者NaOH 含量為99％。
2.2 試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，由125 毫升廣口玻璃瓶1，中心穿孔膠塞2 及10ml 的刻度吸管3 作為量
管組成，刻度分度值為0.1cm3。實(shí)驗(yàn)前配制好堿溶液，提前將堿溶液、礦渣放入溫度為20±◦C 室內(nèi)，待原材料溫度與環(huán)境相同后開始做實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)步驟如下：
A、稱取干燥過并冷卻的礦渣/水泥裝入廣口瓶。
B、將量管插入膠塞中，量管與膠塞接觸處用502 膠密封。
C、向廣口瓶中加適量堿溶液/水，用玻璃棒攪拌使試樣分散，并排氣泡。
D、用膠塞塞緊瓶口，并把膠塞與瓶口接觸處用502 膠密封。
E、用滴管通過量管向瓶內(nèi)補(bǔ)充加水，使液面上升至接近量管的最大刻度。
F、向量管中加一滴機(jī)油，用以封蓋水面，防止水分蒸發(fā)。
G、將裝置放于溫度為20±1◦C 室內(nèi)，待液面穩(wěn)定后，即可讀取液面起始讀數(shù)。
每組實(shí)驗(yàn)做三個(gè)試樣的測(cè)定(每個(gè)試樣為50g)，按預(yù)定水化齡期測(cè)讀瓶中的液面下降值，取其平均值的2 倍作為最終結(jié)果 (ml/100g)。
3 試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 礦渣種類對(duì)AASC 化學(xué)收縮的影響
一共進(jìn)行兩個(gè)系列，共12 組實(shí)驗(yàn)，研究了堿性渣(礦渣A，比表面積為485 m2/kg)和酸性渣(礦渣B，比表面積為514m2/kg)為固態(tài)分析相的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮，其中NH 系列實(shí)驗(yàn)的堿組分為NaOH，WG 系列實(shí)驗(yàn)堿組分是模數(shù)(M)為1.5 的水玻璃(WG)。堿礦渣水泥化學(xué)收縮實(shí)驗(yàn)配比見表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2 和圖3。
表2 礦渣堿度對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響實(shí)驗(yàn)配比
圖2 礦渣種類不同的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮(堿組分為NaOH)
圖3 礦渣種類不同的堿礦渣水泥化學(xué)收縮(堿組分為WG,M=1.5)
由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)堿組分為NaOH 且堿溶液濃度相同時(shí)，酸性渣制備的堿礦渣水泥
各個(gè)齡期的化學(xué)收縮比堿性礦渣制備的堿性渣堿礦渣水泥的略大；當(dāng)堿組分為水玻璃時(shí)，堿性渣和
酸性渣制備的堿礦渣水泥各齡期的化學(xué)收縮相當(dāng)。說明礦渣堿度不是影響堿礦渣水泥化學(xué)收縮的主
要因素。
無論是堿性渣還是酸性渣，NaOH 為堿組分的堿礦渣水泥28d 齡期的化學(xué)收縮量比水玻璃(M=1.5)為堿組分的堿礦渣水泥化學(xué)收縮量大。
3.2 礦渣細(xì)度對(duì)化學(xué)收縮的影響
一共進(jìn)行兩個(gè)系列，共6 組實(shí)驗(yàn)，NH 和WG 系列分別表示堿組分為NaOH 和模數(shù)1.5 的水玻
璃。實(shí)驗(yàn)中礦渣的比表面積分別為390、485、590 m2/kg。堿組分為NaOH 時(shí)，堿濃度(以Na2O 當(dāng)量計(jì))為4/35；堿組分為水玻璃的時(shí)，堿濃度(以Na2O 當(dāng)量計(jì))為4/45。實(shí)驗(yàn)配比見表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。
表3 礦渣細(xì)度對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響實(shí)驗(yàn)配比
圖4 礦渣細(xì)度對(duì)堿礦渣化學(xué)收縮的影響
試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)實(shí)，同等條件下，堿礦渣水泥28d 齡期內(nèi)的化學(xué)收縮隨齡期延長而提高，NaOH 作
堿組分的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮大于水玻璃作堿組分的堿礦渣水泥。礦渣比表面積在390~590m2/kg范圍時(shí)，NaOH 作堿組分的堿礦渣水泥化學(xué)收縮隨礦渣比表面積增大呈增長趨勢(shì)，礦渣比表面對(duì)水玻璃作堿組分的堿礦渣水泥初期（1d 齡期）化學(xué)收縮有一定影響，但此后齡期的影響不明顯。
3.3 堿組分對(duì)化學(xué)收縮的影響
堿組分是堿礦渣水泥的獨(dú)立組分，是該膠結(jié)材活性形成的動(dòng)力源。堿組分種類不同的堿礦渣水
泥的水化過程、水化產(chǎn)物組成和結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，因此其化學(xué)收縮行為也不同。與其它影響因素相比，
堿組分對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮的影響較復(fù)雜，包括堿組分的種類、堿溶液濃度(以Na2O 當(dāng)量計(jì))和堿參數(shù)(水玻璃模數(shù))等。
本文選擇水玻璃和NaOH 做堿組分，礦渣細(xì)度為485m2/kg，水玻璃的模數(shù)分別為1.0、1.5 和2.0，研究堿組分對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮的影響。實(shí)驗(yàn)配比見表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。
表4 堿對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響實(shí)驗(yàn)配比
圖5 堿組分對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響(圖a、b 為堿濃度的影響；圖c 為水玻璃模數(shù)的影響)
堿濃度對(duì)不同堿組分配制的堿礦渣水泥化學(xué)收縮的影響見圖5-(a)和圖5-(b)。結(jié)果表明：
(1) 在實(shí)驗(yàn)的堿濃度范圍內(nèi)，堿組分為NaOH 的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮比水玻璃(M=1.5)為堿組分的堿礦渣水泥大；
(2) 堿組分種類不同，堿溶液濃度對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響不同。當(dāng)堿組分為NaOH 時(shí)，堿
溶液濃度在4/55~5/35 時(shí)，堿礦渣水泥各個(gè)齡期的化學(xué)收縮隨堿濃度提高呈逐漸增大趨勢(shì)。當(dāng)堿組分為水玻璃且堿濃度在4/55~4/35 范圍，堿礦渣水泥各個(gè)齡期的化學(xué)收縮隨堿濃度變化曲線先增大后減小，出現(xiàn)“化學(xué)收縮最大”堿濃度點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)的堿濃度約為4/45。
研究表明，堿礦渣早期水化產(chǎn)物為無定形的水化硅酸鈣(C-S-H)，堿組分為水玻璃時(shí)，由于水玻
璃早期水解，形成的活性SiO2 能快速與礦渣玻璃相解體產(chǎn)生的Ca2+反應(yīng)，形成穩(wěn)定的水化硅酸鈣，使一定齡期內(nèi)體系中形成的水化產(chǎn)物比堿組分為NaOH 的體系多，形成的C-S-H 凝膠之C/S 比亦更低，因此堿組分為水玻璃的堿礦渣水泥活性高于堿組分為NaOH 的堿礦渣水泥。但堿組分為水玻璃的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮卻比堿組分為NaOH 的小，說明堿礦渣水泥的化學(xué)收縮大小不但與堿礦渣水泥活性有關(guān)，還與水化產(chǎn)物類型有關(guān)。筆者認(rèn)為可能是由于Ca/Si 低的水化硅酸鈣的密度比Ca/Si高的小，因此其化學(xué)收縮較小。
圖5-(c)為水玻璃模數(shù)對(duì)堿礦渣水泥化學(xué)收縮影響，結(jié)果表明，水玻璃模數(shù)在1.0~2.0 范圍內(nèi)，
堿礦渣水泥測(cè)試齡期的化學(xué)收縮隨水玻璃模數(shù)提高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，出現(xiàn)“化學(xué)收縮最大
點(diǎn)”。當(dāng)水玻璃模數(shù)為1.5 時(shí)，堿礦渣水泥測(cè)試齡期的化學(xué)收縮最大。
4 結(jié)論
(1)堿礦渣水泥28d 齡期的化學(xué)收縮，當(dāng)堿組分為NaOH 時(shí)，其收縮量約為6~10ml/100g，與硅酸鹽水泥的(7~9ml/100g)相當(dāng)；當(dāng)堿組分為水玻璃時(shí)，其收縮量約為3~6ml/100g，比硅酸鹽水泥的略小。堿組分為NaOH 的堿礦渣水泥的化學(xué)收縮比堿組分為水玻璃的大。
(2)礦渣堿度對(duì)堿礦渣水泥的化學(xué)收縮影響不大。
(3)堿組分不同，堿礦渣水泥化學(xué)收縮不同：當(dāng)堿組分為NaOH 時(shí)，堿溶液濃度((以Na2O 當(dāng)量計(jì)))在4/55~5/35 范圍內(nèi)，礦渣水泥的化學(xué)收縮隨濃度增加呈增大趨勢(shì)；當(dāng)堿組分為水玻璃時(shí)，堿濃度在4/55~4/35，堿礦渣水泥化學(xué)收縮隨堿濃度提高先增大后減小變化，出現(xiàn)“化學(xué)收縮最大”堿濃度點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)條件下該濃度約為4/45。其它條件一定、模數(shù)在1.0~2.0 區(qū)間內(nèi)時(shí)，模數(shù)為1.5 的水玻璃所配堿礦渣水泥的化學(xué)收縮最大。
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會(huì)論文集[M]2004 年p210-215。
Research on the chemical shrinkage of Alkali Activated Slag
Cement(AASC)
Liao Jia-qing1 Yang Chang-hui2
1. Fujian academy of building research 350025,
2. College of Materials Science ＆Engineering, Chongqing University, 400045
Abstract: The influence of kind and specific surface area of slag, type and concentration of alkali activators on the
chemical shrinkage of AASC were studied. The results show that the chemical shrinkage value of AASC activated by NaOH
is about 6~10 ml/100g which equivalent to that of ordinary portland cement(about 7~10 ml/100g), and it is about 3~6
ml/100g which lower than that of ordinary portland cement when activated by water glass.
Keywords: Alkali activated slag cement (ASC), Chemical shrinkage
