摘 要：本文研究了氯化鋇、硝酸鋇、硫酸鐵、鉻酸鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硫酸鋁等無機(jī)鹽以及酒石酸、草酸等有機(jī)酸對水玻璃-礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，氯化鋇、硝酸鋇、氯化鎂、硫酸鋁、酒石酸有良好的緩凝作用，硫酸鐵、鉻酸鈉、硫酸鎂、草酸不產(chǎn)生緩凝作用。通過強(qiáng)度測試發(fā)現(xiàn)，氯化鋇、硝酸鋇、氯化鎂、硫酸鋁、酒石酸均對堿礦渣水泥的強(qiáng)度有一定的不良影響。
關(guān)鍵詞：堿；礦渣；緩凝；凝結(jié)；強(qiáng)度
堿礦渣水泥就是由堿金屬化合物和粒化高爐礦渣共同粉磨，或是將磨細(xì)礦渣用堿金屬化合物的溶液來調(diào)制所得的水硬性膠凝材料。堿礦渣水泥具有快硬、高強(qiáng)、低熱、高抗?jié)B、高抗凍和高抗蝕等優(yōu)異性能[1]，而且這種水泥生產(chǎn)工藝簡單、節(jié)約能源、成本較低，可以說堿礦渣水泥是一種環(huán)保型“綠色水泥”。盡管堿礦渣水泥具有優(yōu)異的水硬性能，但由于堿礦渣水泥存在凝結(jié)過快的缺點(diǎn)因此在應(yīng)用上受到了很大的限制。
針對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間過快這一問題，國內(nèi)外水泥專家進(jìn)行了大量的研究工作。獨(dú)聯(lián)體采用有機(jī)硅表面活性劑，試圖在堿礦渣粒子表面建立起有機(jī)硅物質(zhì)薄膜，以阻止和延緩礦渣粒子和堿組分之間的快速反應(yīng)，雖有效果，但始終未能達(dá)到獨(dú)聯(lián)體標(biāo)準(zhǔn)對硅酸鹽水泥初凝時(shí)間（不小于45 min）的要求。國內(nèi)也有堿礦渣水泥緩凝劑研究相關(guān)的報(bào)道，但是摻量大，對水泥的強(qiáng)度影響較大，價(jià)格貴，配制工藝復(fù)雜，只能局限在實(shí)驗(yàn)室中研究，在實(shí)際工程中難以推廣[1]。
堿礦渣水泥作為一種新體系的水泥與硅酸鹽水泥礦物組成完全不同，其水化過程有其自身的特點(diǎn)，凝結(jié)機(jī)理也必然與硅酸鹽水泥不同。常用的硅酸鹽水泥緩凝劑對堿礦渣水泥的緩凝作用甚微或完全無作用。因此，分析其中原因，進(jìn)一步研究適用于堿礦渣水泥的緩凝劑十分必要。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
礦渣粉：為安徽朱家橋水泥有限公司磨細(xì)礦渣粉，比表面積445 ㎡/㎏，細(xì)度：45μm 方孔篩篩余1.2%。礦渣粉的化學(xué)成分見表1。
表1 礦渣粉的化學(xué)成分（%）
水玻璃(WG)：為市售商品水玻璃，其主要成分為SiO2 31.17%，Na2O 12.89%，模數(shù)為2.5。使用時(shí)用化學(xué)純NaOH 調(diào)配至適當(dāng)模數(shù)。
無機(jī)鹽外加劑：BaCl2、Ba(NO3)2、Fe2(SO4)3、Na2CrO4、MgCl2、Al2(SO4)3、MgSO4 均為分析純試劑。
有機(jī)酸外加劑：酒石酸、草酸(H2C2O4)。
1.2 試驗(yàn)方法：
堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間測定：將礦渣粉、水玻璃、水以及外加劑按一定的比例加入到水泥凈漿攪拌鍋中，低速攪拌2 min，再高速攪拌2 min，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346-2001 規(guī)定的方法用維卡儀測定水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間測定時(shí)水泥凈漿的水灰比控制為0.21。
堿礦渣水泥強(qiáng)度試塊的制備和強(qiáng)度測定：按W/C=0.21 調(diào)制凈漿，水玻璃摻量為礦渣質(zhì)量的6%（以Na2O 計(jì)），20mm ×20mm ×20mm 試模成型，在潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)1d 脫模，并在水中養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期，用WHY-5 型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)測定試塊抗壓強(qiáng)度。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 無機(jī)鹽外加劑對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
表2 是氯化鋇、硝酸鋇、硫酸鐵、鉻酸鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硫酸鋁等物質(zhì)的添加對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。
表2 無機(jī)鹽外加物對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
從表2 可知，在研究的幾種外加物質(zhì)中，以氯化鋇和硝酸鋇的添加對水泥的緩凝效果最明顯。在研究的摻量范圍內(nèi)隨著氯化鋇和硝酸鋇摻量的增加，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間明顯延長。氯化鋇摻量為3%時(shí)水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別由原來的21min 和30min 延長至120min 和145min，摻量繼續(xù)增加至5%時(shí)又分別延長至157min 和217min。硝酸鋇摻量為3%時(shí)水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別由原來的21min 和30min 延長至78min 和96min，摻量繼續(xù)增加至5%時(shí)又分別延長至112min 和189min。這個(gè)凝結(jié)時(shí)間的長短基本上與硅酸鹽水泥通常的凝結(jié)時(shí)間相當(dāng)。
在研究的摻量范圍內(nèi)氯化鎂在摻量為2%到3%時(shí)產(chǎn)生明顯的緩凝作用，但是在其他摻量時(shí)緩凝作用不很明顯。硫酸鋁在摻量為1%時(shí)產(chǎn)生明顯的緩凝作用，但是在其他摻量時(shí)緩凝作用不很明顯。硫酸鐵作為緩凝劑時(shí)在各摻量條件下幾乎沒有任何緩凝作用。鉻酸鈉作為緩凝劑時(shí)沒有緩凝作用，在摻量超過1%后甚至產(chǎn)生明顯的促凝作用。硫酸鎂在3%以下的摻量時(shí)沒有緩凝作用，在5%摻量時(shí)反而產(chǎn)生了促凝作用。
2.2 有機(jī)酸外加劑對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
表3 是酒石酸、草酸作為緩凝劑時(shí)對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。
表3 酒石酸、草酸摻量對堿礦渣水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
從表3 可知，在研究的摻量范圍內(nèi)，酒石酸在摻量為1%時(shí)開始產(chǎn)生明顯的緩凝作用，摻量從1%到3%增大時(shí)凝結(jié)時(shí)間也在相應(yīng)的延長，3%時(shí)初凝時(shí)間達(dá)到50min。但是摻量在5%時(shí)酒石酸的緩凝作用卻沒有像1%，3%時(shí)那樣明顯。H2C2O4 在3%以下的摻量時(shí)緩凝作用不明顯，在5%摻量時(shí)反而產(chǎn)生了促凝作用。
2.3 緩凝性外加物質(zhì)對堿礦渣水泥凈漿強(qiáng)度的影響
將緩凝效果較好的外加物質(zhì)摻入堿礦渣水泥進(jìn)行凈漿強(qiáng)度測試，通過強(qiáng)度測試最終確定它們對堿礦渣水泥強(qiáng)度的影響。緩凝性外加物質(zhì)對堿礦渣水泥強(qiáng)度的影響如表4 所示：
表4 緩凝性外加物質(zhì)對堿礦渣水泥凈漿強(qiáng)度的影響
注：表中分子為強(qiáng)度值。分母為摻加緩凝物質(zhì)的水泥的強(qiáng)度與空白水泥的強(qiáng)度之比。
由表4 可知，采用各種有緩凝作用的物質(zhì)后，堿礦渣水泥的凈漿強(qiáng)度與空白樣相比有所降低，而且隨著緩凝劑摻量的增加水泥強(qiáng)度的下降趨勢愈明顯。從表4 可以看出緩凝劑的加入使堿礦渣水泥的早期強(qiáng)度（3 天強(qiáng)度）的下降趨勢最為明顯。這說明，緩凝劑的加入對堿礦渣水泥的早期水化、硬化產(chǎn)生了一定的抑制作用。
2.4 緩凝性物質(zhì)的作用機(jī)理分析
堿礦渣水泥中液相為激發(fā)劑的載體，沒有激發(fā)劑或激發(fā)劑濃度較小時(shí)，其系統(tǒng)便不能水化或水化很慢，激發(fā)劑濃度較高時(shí)，其系統(tǒng)水化很快。激發(fā)劑是堿礦渣水泥不可缺少的組成部分。因此，有效地控制堿礦渣水泥的凝結(jié)相對較難，緩凝劑的作用過程比較復(fù)雜[2]。
堿礦渣水泥快凝的實(shí)質(zhì)在于：水泥中的堿性組分在水泥漿體中迅速離解，形成具有強(qiáng)大離子力的OH-離子，它們對礦渣玻璃體有強(qiáng)烈的破壞作用，使礦渣結(jié)構(gòu)迅速解體與水化，短時(shí)間內(nèi)形成大量的C-S-H 凝膠，從而導(dǎo)致漿體的迅速凝結(jié)與快速硬化[3]。因此緩凝劑的選取主要針對防止礦渣結(jié)構(gòu)迅速解體與水化，防止在短時(shí)間內(nèi)形成大量的C-S-H 凝膠。無機(jī)鹽外加劑中氯化鋇和硝酸鋇表現(xiàn)出很好的緩凝作用，原因可能是氯化鋇或硝酸鋇與水玻璃激發(fā)體系發(fā)生反應(yīng)在系統(tǒng)中快速形成一種在堿性環(huán)境中相對穩(wěn)定的水化產(chǎn)物膜，該膜能包覆在未水化的礦渣顆粒表面，從而削弱堿組分中氫氧根離子對礦渣劇烈的結(jié)構(gòu)解體作用；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物包覆層膜能逐漸被破壞，堿礦渣水泥的水化硬化得以繼續(xù)進(jìn)行。
3 結(jié)論
?。?）氯化鋇和硝酸鋇作為堿礦渣水泥緩凝劑時(shí)有很好的緩凝作用，且隨著摻量的增加緩凝作用愈加明顯。氯化鋇和硝酸鋇作緩凝劑對堿礦渣水泥的強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的副作用。
（2）酒石酸作堿礦渣水泥緩凝劑時(shí)有較好的緩凝作用，但其對堿礦渣水泥的強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的副作用。
?。?）在研究的摻量范圍內(nèi)，氯化鎂在2%到3%的摻量時(shí)產(chǎn)生明顯的緩凝作用。硫酸鋁在摻量為1%時(shí)產(chǎn)生明顯的緩凝作用。氯化鎂，硫酸鋁作緩凝劑時(shí)對堿礦渣水泥的強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的副作用。
?。?）在研究的摻量范圍內(nèi)，硫酸鐵幾乎沒有任何緩凝作用。鉻酸鈉沒有緩凝作用，在摻量超過1%后卻產(chǎn)生了明顯的促凝作用。硫酸鎂和草酸在3%以下?lián)搅繒r(shí)緩凝作用不明顯，在5%摻量時(shí)產(chǎn)生促凝作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱效榮，宋東升等．堿-礦渣水泥高效緩凝劑的研究及應(yīng)用 [J]．水泥，2001,（7）：1~3．
[2] 焦寶祥．水玻璃-礦渣水泥的緩凝劑研究 [J]．化學(xué)建材，2002, (11)：12~15．
[3] 蒲心誠等．高強(qiáng)堿-礦渣水泥與混凝土緩凝問題研究 [J]．水泥，1992,（1）：32~36．
Abstract：This paper studies the influence of barium chloride, barium nitrate, ferric sulfate, sodium chromate,
magnesium chloride, magnesium sulfate, aluminum sulfate, tartaric acid and oxalic acid on the setting time of
alkali activated slag cement. The test results showed that barium chloride, barium nitrate, magnesium chloride,
aluminum sulfate and tartaric acid produces good retarding effect for the alkali activated slag cement. But ferric
sulfate, sodium chromate, magnesium sulfate, oxalic acid did not produce retarding effect for the alkali activated
slag cement. The strength test results showed that barium chloride, barium nitrate, magnesium chloride, aluminum
sulfate and tartaric acid produced bad effect on the strength development of alkali activated slag cement.
Key words：alkali；slag；retarder；setting；strength
