多因素对碱激发水泥-矿渣复合粉料强度影响的研究

概述

碱激发硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料。然而硅酸盐水泥的生产会产生诸多缺点:一方面能源消耗量大，这些的矿物资源的持续性大量消耗将对人类社会产生重大的影响；另一方面，在水泥生产过程中，因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的CO2，以及SO2，NOx等有毒气体，导致严重的环境污染，其中尤以巨大的CO2排放量给地球的温室效应不断添加沉重的砝码。因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用研究，是一项既具有科学意义，又具有实际意义的工作。[1]碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料，它的抗压、抗折强度、抗酸碱侵蚀性、抗冻融性、抗碳化等性能均优于普通硅酸盐水泥。另外，碱激发胶凝材料制备工艺简单、无需烧制、能耗低、成本低、市场广，是21世纪发展潜力的一种胶凝材料。[2]这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料。许多工业固体废弃物如: 矿渣、钢渣、粉煤灰和煤矸石等，主要矿物成分均为硅酸盐或铝硅酸盐类。因此，这些工业固体废弃物均可作为制备碱激发胶凝材料的主要原材料，这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。碱激发胶凝材料研究开发正是基于上述原因而兴起。[3]作者前期作了大量实验，试验结果表明碱激发胶凝材料凝结时间较短。不同的碱及含量、水胶比均对凝结时间有较大的影响。掺入缓凝剂的可以有效解决凝结时间问题。当掺量在4%以上时，碱激发胶凝材料的凝结时间可达到水泥标准的要求；NaOH和水玻璃都是矿渣的有效激发剂，NaOH的掺量在10%；水玻璃效果优于NaOH，且水玻璃模数控制在1.2时效果。本文主要研究石膏、温度、水泥掺量对碱激发水泥-矿渣复合粉料强度的影响。

1  原材料、试验器材

采用的实验器材主要有：XJ202-A行星水泥胶砂搅拌机、KJZ-500型电动抗折试验机、WAY-300电子液压式压力试验机。

原材料主要有：矿渣（鞍钢，质量系数:K=1.62，碱度系数Mo=1.33>l，活度系数Mn= 0.292）、氢氧化钠（分析纯）、二水石膏。

2  试验结果和讨论

2.1  石膏对水泥-矿渣复合胶凝材料强度的影响

称量水泥50g，矿渣450g，以NaOH为激发剂，掺量为10%，加入4%、6%、8%、10%，即分别为20g、30g、40g、50g石膏，测胶砂3d、7d抗折抗压强度。

由表1可以看出，适量增加石膏掺量对强度有利，当石膏掺量超过6%以后，随着掺量增加，抗压、抗折强度均有降低的趋势。这一现象表明，掺入石膏对矿渣粉起到了得硫酸盐活性激发作用，但过多的石膏掺量抑制了水泥的快速水化，因此，对3d和7d强度发展并没有达到较好的状态。

2.2  温度对水泥-矿渣复合胶凝材料强度的影响

称量水泥50g，矿渣450g，以NaOH为激发剂，固定掺量为10%，石膏为10%，按照胶砂试块作好几组试模后，分别在标准条件下养护和80℃养护箱中养护，测24h抗折抗压强度。

从表2中可以看出，养护温度80℃时，试样的抗压强度增长很快，24h强度达到了22.26MPa，而在常温下，强度只有14.2MPa，7d强度也只有20.9MPa，可见热激发促进强度的快速增长。这是因为温度的升高，分子的运动速度加快，加速了激发反应进程，从而较高养护温度的试样具有较高的机械强度。

2.3  水泥的掺量对水泥-矿渣复合胶凝材料的影响

改变水泥的掺量，0%，10%，20%，30%，40%，即改变水泥和矿渣的配比，以NaOH为激发剂，掺量为10%，石膏作缓凝剂为10%，测3d、7d的抗折、抗压强度。

由表3可以看出，无论是在标准还是非标准湿度条件下，在矿渣中加入少量的水泥，强度随水泥掺量的增多而降低。在水泥组分增加到20%时,强度有增高的趋势。作为一类重要的多组分碱激发胶凝材料,碱激发水泥矿渣体系具有许多潜在的优势。碱激发胶凝材料的开发是建材行业可持续发展和构建循环经济体系的一个重要内容和必然选择。

2.4  水泥-矿渣配比分析

通过上述对比性实验结果，选取配比方案如下：石膏掺量6%，NaOH作激发剂掺量为10%，采用80℃养护箱进行热激发，测其24h胶砂强度，进一步分析水泥掺量对水泥-矿渣复合粉料力学性能的影响，得出水泥-矿渣配比。

试验结果表明，随着矿渣掺加比例的加大，水泥强度下降。掺加比例大于80%时，强度下降幅度明显。所以矿渣的掺加量以小于等于80%为宜。也就是说，在高炉矿渣水泥中矿渣的比例可达到80%，在用硅酸盐水泥配制混凝土时矿渣粉的掺加量也可以达到80%。

3  结论

掺入石膏对强度有利，当石膏掺量6%时强度高。养护温度越高，试件的强度越高。在矿渣中加入少量的水泥，强度随水泥掺量的增多而降低。在水泥组分增加到20%时,强度有增高的趋势，并且矿渣的掺量应控制在80%以下。