堿激發礦渣混凝土干縮特性研究

盧光位，余政兵，傅博

（重慶建工第四建設有限責任公司，重慶400020）

堿激發礦渣混凝土干縮特性研究

盧光位，余政兵，傅博

（重慶建工第四建設有限責任公司，重慶400020）

該文研究了水膠比、激發劑種類、堿當量不同情況下的堿激發礦渣混凝土的干縮性能，并與普通硅酸鹽水泥混凝土的干縮性能進行對比。結果表明：堿激發礦渣混凝土比普通硅酸鹽水泥混凝土干縮大，其干縮率隨水灰比的增大而減小；水玻璃激發的堿激發礦渣混凝土干縮率最大；隨堿當量增大，堿激發礦渣混凝土的干縮逐漸增大；采用水玻璃作為激發劑，堿激發礦渣混凝土的干縮率隨水玻璃模數的增大而增大。

堿激發礦渣混凝土；干燥收縮；干縮性能；激發劑；水玻璃模數；水灰比；強度；膠凝材料

堿激發礦渣水泥是以磨細的水淬高爐礦渣為固態分散相，配以一定的激發劑而組成的一類新型的膠凝材料[1]。堿激發礦渣水泥混凝土具有節能、利廢、環保、高強以及良好的耐久性等優良性能[2]。目前，堿激發礦渣混凝土已經在多個國家得到應用[1]，但堿激發礦渣混凝土比普通混凝土大的收縮變形問題制約了堿激發礦渣混凝土的大范圍推廣和應用[3，4]。基于此，本文針對堿激發礦渣混凝土的早期收縮影響因素展開研究，并與普通硅酸鹽水泥混凝土的干縮性能進行對比，探討了不同配制參數對堿激發礦渣混凝土性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

（1）礦渣：重慶某鋼鐵集團生產的水淬高爐礦渣，比表面積為445m2/kg，密度為2.70g/cm3，堿性系數Mo=1.234，活性系數Ma=0.325。主要化學成分見表1。

表1 礦渣和水泥的化學成分（%）

（2）激發劑：采用重慶某化工廠生產的水玻璃作為激發劑，試驗中水玻璃模數（以Na2O計）通過加入NaOH調至要求模數。其主要物理化學指標見表2。

表2 水玻璃物理化學指標

NaOH：四川德陽產工業用片堿，純度為99%。

（3）水泥：拉法基P·O42.5R水泥。化學成分見表1。

（4）骨料：粗集料為5～20mm連續級配碎石，含泥量為0.8%，壓碎值9.0%。細集料為河砂，細度模數為2.62，含泥量為1.3%。

（5）水：飲用水。

1.2 試驗方法

干縮試驗按國家標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》GBT50082-2009進行。力學性能試驗按國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002進行。

干縮試驗過程為：常溫條件下養護24h后將試件放置于相對濕度大于95%、溫度為20±2℃的標養室進行標準養護，3d后測量試件長度，然后移入相對濕度為60±5%、溫度20±2℃的干縮室內，測定固定齡期時試件長度。其中，干燥收縮性能實驗采用尺寸為10.0cm× 10.0cm×51.5cm的棱柱體試件，力學性能實驗采用10.0cm× 10.0cm×10.0cm的立方體試件。

1.3 配合比

試驗針對堿激發礦渣混凝土配制特點，考慮了激發劑、水玻璃模數、水灰比三個配制參數對堿激發礦渣混凝土的干縮性能進行研究，試驗配合比及強度見表3、表4。

表3 堿激發礦渣混凝土配合比及強度

表4 普通混凝土配合比及強度

2 試驗結果及討論

2.1 水膠比對堿激發礦渣混凝土干燥收縮性能的影響

水膠比對混凝土干燥收縮的影響顯著。水膠比越低，混凝土中自由水分越少，水泥石產生的收縮也就越小，反之，干縮也就越大。試驗中采用了0.35、0.40、0.45三組不同的水膠比來研究水膠比對堿激發礦渣混凝土干燥收縮性能的影響。其干縮性能見圖1。

圖1 水膠比對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響（S2-0.35，S8-0.4，S9-0.45）

圖1顯示，堿激發礦渣混凝土早期干縮隨著水膠比的不斷增大而減小，后期干縮明顯增大，甚至超過了相同時期水膠比較小的混凝土。堿激發礦渣混凝土干縮在120d后趨于穩定。這一行為與普通硅酸鹽水泥混凝土的干燥收縮隨水膠比的變化規律相同。通常情況下，普通硅酸鹽水泥水化有效用水量僅為拌合水量的23%，對于堿激發礦渣水泥來說，這一數字更低。由于水分蒸發引起的混凝土內部的毛細管壓力對干縮性能影響顯著。且水膠比增大，混凝土中自由水增多，這樣形成大的毛細孔的幾率增大，其干燥收縮的增長速度也會加快。因此堿激發礦渣混凝土水化中期的干燥收縮繼續較快增長。高水灰比條件下，更多的自由水使得混凝土的孔隙增多，這也會導致混凝土干縮增大。試驗中所測得的堿激發礦渣混凝土密度證明了堿激發礦渣混凝土的密度隨著混凝土水灰比的增大而增大。試驗結果表明當水灰比在0.35～0.45的范圍內變化，混凝土的工作性能隨著水灰比的增大而增大，而力學性能和干縮性能則隨著水灰比的增大而下降。

2.2 激發劑對堿激發礦渣混凝土干燥收縮性能的影響

礦渣屬于火山灰材料，單獨使用的情況下強度很低。堿性激發劑是堿激發礦渣混凝土產生活性的動力源，通過加入堿性激發劑，可以促使礦渣中的活性成分水化并產生強度。激發劑的種類很多，采用不同的激發劑，所得到的堿激發礦渣水泥的水化過程、水化產物結構和組成存在較大差異，最終導致其干縮程度也不盡相同。由于激發劑種類繁多，不同激發劑有不同的配置參數，各種配置參數都會對最終的激發效果產生影響，因此激發劑對堿激發礦渣水泥干縮性能的影響十分復雜。一般情況下，激發劑的種類和堿當量的影響比較顯著，如果采用水玻璃為激發劑的情況下，水玻璃模數對堿激發礦渣混凝土干燥收縮性能的影響也比較明顯。

2.2.1 激發劑種類的影響

圖2 激發劑種類對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響（S2-水玻璃，S8-氫氧化鈉，S9-碳酸鈉）

從圖2中可以看出，水玻璃為激發劑的混凝土在60d前干縮值都要高于其他兩種激發劑激發的混凝土。0～28d齡期，氫氧化鈉激發的混凝土干縮最低，在28～60d，碳酸鈉激發的混凝土干縮則最低。60d后，各類激發劑激發的混凝土干縮增速變緩，直到180d，干縮值從大到小依次為氫氧化鈉為激發劑、水玻璃為激發劑和碳酸鈉為激發劑的堿激發礦渣混凝土。

堿激發礦渣水泥中堿的濃度對堿激發礦渣水泥的水化反應速度影響顯著。馬保國等[5]研究認為，堿激發劑的主要作用是為堿激發礦渣水泥系統提供大量的OH-離子，這些離子能夠破壞礦渣并發生水化反應，生成C-S-H凝膠。激發劑為碳酸鈉的堿激發礦渣水泥堿度較低，產生的OH-離子數量較少，相應水化產生的水化產物C-S-H凝膠的數量也就較少。因此，堿激發劑為氫氧化鈉的堿激發礦渣水泥各齡期強度要高于激發劑為碳酸鈉和硫酸鈉的。水玻璃溶液與其他堿性激發劑有所不同，除了為系統提供大量OH-離子以外，還能夠為系統引入大量的活性(SiO4)4-離子，這些離子降低了C-S-H凝膠的Ca/Si比，提高凝膠的數量和聚合度，導致水玻璃為激發劑的堿激發礦渣水泥強度高于其他激發劑激發的堿礦渣水泥。

Karen等人研究發現[6-7]，堿激發礦渣水泥水化產物主要是無定形的C-S-H(I)型凝膠，氫氧化鈉為激發劑的堿激發礦渣水泥水化產物的結晶度高于激發劑為水玻璃的。水化硅酸鈣在干縮過程中，晶格間距會有所減小。氫氧化鈉為激發劑的堿激發礦渣水泥水化產物的結晶度較高，其水泥石失水時引起晶格間距變化幅度較大，導致其干縮變形也相對會大些。

2.2.2 水玻璃模數的影響

水玻璃模數對堿激發礦渣混凝土的干縮具有非常顯著的影響。

圖3 水玻璃模數對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響（S1-1.0，S2-1.5，S3-2）

從圖3中可以看出，堿激發礦渣混凝土的干縮率隨水玻璃模數增大而增大，水玻璃模數為1.0、1.5、2.0的混凝土試件180d干縮率分別為556.3、651.8、904.9(×10-6)。堿摻量相同的條件下，采用不同模數的水玻璃作為堿性激發劑所引入的硅酸根以及氫氧根離子的數量也有所不同。水玻璃模數越大，溶液中Na2O與SiO2的比值也就越小，引入的硅酸根離子的數量也就越多[8]。C-S-H凝膠的數量和聚合度增加，堿激發礦渣水泥的抗壓強度增加，但由于C-S-H凝膠聚合度增加導致工作性能下降，最終導致混凝土硬化過程中內部缺陷增加，干縮也隨之增大。

2.2.3 堿當量的影響

堿當量對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響如圖4所示。

圖4 堿當量對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響（S2-4%，S8-5%，S9-6%）

結果表明堿當量從4%增大到5%，干縮增幅明顯；當堿當量從5%增大到6%隨堿當量增大，堿激發礦渣混凝土的干縮略有增加，這可能是由于堿當量從4%增大到5%時，反應速度快速增大，因此生成的凝膠孔以及其中產生的水化產物缺陷增大，進而導致干縮顯著增加，而當堿當量從5%增大到6%，系統反應速度增加的并不明顯，由此導致的缺陷也就相對較少，宏觀表現就是強度增速放緩，干縮值增加的也并不明顯。Cai等人[9]的研究表明：混凝土的干縮與其中孔徑≤30nm的孔隙數量有關，小于30nm的孔隙越多，則干縮也就越大。A.A. Melo Neto通過對堿激發礦渣混凝土中的孔隙進行研究，發現堿激發礦渣混凝土中中孔所占的比例達到90～95%。激發劑堿當量的增大，恰恰使得堿激發礦渣水泥系統中中孔數量增加。因此隨著堿當量的增大，堿激發礦渣混凝土的干縮也有所增大。

2.3 膠凝材料種類對混凝土干縮性能的影響

圖5 膠凝材料種類對混凝土干縮性能的影響

從圖5中可以看出，堿激發礦渣混凝土各齡期干縮率是普通硅酸鹽水泥混凝土的1.5～1.8倍。堿激發礦渣混凝土與普通混凝土干縮方面的差異主要是由孔結構和凝膠體含量的不同引起的。堿激發礦渣混凝土的孔隙率通常要低于普通混凝土，堿激發礦渣混凝土內絕大多數為中孔，而普通硅酸鹽水泥混凝土中中孔所占的比例僅為1/4～1/3，堿激發礦渣混凝土的這種孔結構特點導致其干燥收縮較大。隨時間而變化的這種變形主要是凝膠中的固相和液相移動的結果。堿激發礦渣混凝土比普通混凝土含更多的凝膠體，所以堿激發礦渣混凝土的干縮比普通混凝土要大。

3 結論

（1）堿激發礦渣混凝土中孔所占比例大于普通混凝土，且堿激發礦渣混凝土凝膠體數量多于普通混凝土。這種孔結構以及凝膠體含量的差異導致堿激發礦渣混凝土的干燥收縮大于普通混凝土。（2）與普通混凝土相似，水灰比對堿激發礦渣混凝土干縮性能的影響顯著，其干縮率隨著水灰比的增大而持續增大。（3）不同激發劑激發的堿激發礦渣混凝土干縮性能影響不同。水玻璃激發的堿激發礦渣混凝土干縮率最大，其次為氫氧化鈉，碳酸鈉激發的堿激發礦渣混凝土干縮率最小；水玻璃模數在1～2范圍內，堿激發礦渣混凝土的干縮隨著模數、堿當量的增大而增大。

[1]蒲心誠.堿礦渣水泥與混凝土[M].北京：科學出版社，2010.

[2]史才軍.堿-激發水泥和混凝土[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]T.Bakhareva，J.G.Sanjayana，Y.-B.Chengb Effect of elevated temperature curing on properties of alkali-activated slag concrete，Cement and Concrete Research[J].29 (1999):1619–1625.

[4]Frank Collins，Jay G.Sanjayan.Strength and shrinkage properties of alkali-activated slag concrete containing porous coarse aggregate Cement and Concrete Research [J].No.4，1999:607-610.

[5]馬保國，朱洪波，董榮珍.AAS水泥性能及混凝土應用研究[J].武漢理工大學學報，2004，26(3):33-36.

[6]S.D.Wang，Karen L.Scrivener，Hydration Products of Alkali Activated Slag Cement，Cement and Concrete Research[J].3(1995):561-571.

[7]S.D.Wang，Karen L.Scrivener，Hydration 29Si and 27Al NMR study of alkali-activated slag，Cement and Concrete Research[J].33(2003):769-774.

[8]H.格里戈利耶夫.水玻璃[M].黃虹，譯.北京：中國工業出版社，1965.

[9]CAI An-lan，HUANG Ying-xing et al.，Relationship Between the Microstructure，Composition and Drying Shrinkage of Cement Pastes，Journal of Materials Science &Engineering[J].8(2005)，574-577.

責任編輯：孫蘇，李紅

Study on Drying Shrinkage Characteristics of Alkali Activated Slag Concrete

The drying shrinkage characteristics of alkaliactivated slag concrete(AASC)is studied under differentwater cementratios,activators and alkaliequivalents and compared with thatof ordinary portland cementconcrete.The results show that AASC has better drying shrinkage performance than ordinary portland cementconcrete and its drying shrinkage ratio reduces with water cementratio increases,the drying shrinkage ratio of AASC activated by sodium silicate is the largest,the drying shrinkage steadily increases with the increase of alkali equivalentand the ratio increases with the increase of sodium silicate module if sodium silicate is used as the activator.

alkali activated slag concrete;drying shrinkage;drying shrinkage performance;activator;sodium silicate module;water cement ratio; strength;binding material

TU528.52

A

1671-9107（2013）05-0049-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.049

2013-04-11

盧光位（1962-），男，重慶人，本科，高級工程師，從事建筑施工技術及管理工作。

余政兵（1971-），男，重慶人，大專，高級工程師，一級建造師，總工程師，從事建筑施工技術研究。

傅博（1984-），男，陜西安康人，博士，從事新型水泥基材料研究。