復摻激發劑對無水泥砂漿性能的影響

張海龍 裴長春*

(延邊大學工學院，吉林延吉 133002)

0 引言

近年來，為了降低水泥生產帶來的資源浪費及環境污染，國內外對大摻量礦物摻合料混凝土的研究較多，集中研究礦物摻合料對水泥混凝土性能的影響。而對礦物摻合料全部取代水泥作為膠凝材料的混凝土性能研究較少。粉煤灰、礦渣等工業廢棄物作為膠凝材料拌制混凝土，因其處于弱堿(或無堿)環境，礦渣表面的鈍化薄膜無法打碎，水化速度緩慢，而粉煤灰無法進行火山灰反應，繼而造成混凝土強度較低［1-3］。本文利用粉煤灰、高爐礦渣及生石灰作為膠凝材料配制無水泥砂漿，通過復摻堿性激發劑，并改變激發劑組合中各組分的摻量比例來為砂漿水化提供堿性環境，優化激發劑組合，為今后對無水泥混凝土的進一步研究提供技術參考。

1 試驗方案設計及方法

1.1 試驗方案設計

試驗采用水膠比為0.4，膠砂比為1∶3。以膠凝材料中所占百分比計，粉狀高效減水劑摻量為0.9%，作為砂漿膠凝材料的粉煤灰、高爐礦渣及生石灰分別占47.5%，47.5%和5%，堿性激發劑總摻量為7.5%。通過改變激發劑的組合類型配制11組無水泥砂漿，并配制1組普通硅酸鹽水泥砂漿作為對照組。砂漿配合比設計詳見表1。

表1 砂漿配合比設計 kg

1.2 材料來源

本試驗采用的水泥為強度等級42.5的廟嶺牌普通硅酸鹽水泥(密度為3 115 kg/m3)，礦渣為山東省濟南市歷城區榮興達有限公司生產(密度為2 890 kg/m3)，粉煤灰為吉林省延吉市電力公司生產(密度為2 200 kg/m3)，堿性激發劑NaOH，KOH和 Na2SiO3(質量分數依次為 96.0%，82.0%和95.0%)為普通實驗室使用的化學藥品，減水劑為淡黃色固體聚羧酸高效減水劑(密度為550 kg/m3)，實驗用細骨料為中砂(密度為2 650 kg/m3)。

1.3 試驗方法

試驗選用UJZ-15型砂漿攪拌機拌制砂漿。首先將稱量好的三種堿性激發劑(總質量占膠凝材料的7.5%)倒入稱量好的水中(容器為塑料桶)，并且緩慢攪拌均勻，待用。將稱量好的膠凝材料、砂、減水劑于砂漿攪拌機中干拌2 min，再將待用的激發劑溶液倒入攪拌機內，攪拌3 min。砂漿的表觀密度按照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程測定。砂漿試塊成型以后，放入HWX-L型電熱鼓風干燥箱內60℃恒溫養護24 h，拆模后放進SHBY-90B型標準養護箱內養護。不同齡期的砂漿抗折強度及抗壓強度均按照GB/T 17671—2005水泥膠砂強度檢測方法來測定。

2 試驗結果與分析

2.1 砂漿表觀密度

圖1為不同激發劑組合的砂漿表觀密度。由圖可知，完全采用粉煤灰、高爐礦渣及生石灰作為膠凝材料的無水泥砂漿的表觀密度值均大于OPC，且不受激發劑組合類型的改變而發生變化。這主要是因為粉煤灰中含有未燃盡的炭粒，其具有較高的吸水性，在漿體硬化過程中，這些炭粒充分提高了漿體的保水性，防止水分在漿體界面過渡區形成水囊，致使砂漿整體結構密實，表觀密度較大［4］。

2.2 砂漿抗折強度

圖2為不同激發劑組合的砂漿抗折強度。從圖中可以看出，在不同齡期，N0S0K0(未摻入激發劑的無水泥砂漿)的抗折強度均明顯低于OPC。這是因為其水化硬化所處的環境堿性低，導致水化過程緩慢，強度增長遲緩。而摻入堿性激發劑的無水泥砂漿抗折強度發展均較快，尤其是 N7.5S0K0，N5S0K2.5及 N2.5S0K5三種組合的無水泥砂漿在不同齡期抗折強度均明顯高于OPC，且N7.5S0K0效果突出。齡期56 d時，OPC的抗折強度為6.45 MPa。未摻激發劑的 N0S0K0組為3.85 MPa，比 OPC降低40.3%，而N7.5S0K0的抗折強度為8.48 MPa，比OPC提高31.5%。這主要是因為在無水泥砂漿中加入堿性激發劑后，尤其是NaOH，KOH等強堿為砂漿水化硬化提供了較強的堿性環境，激發了粉煤灰及高爐礦渣的活性，水化反應加快。在3 d齡期內基本完成，后期增長緩慢。

圖1 不同激發劑組合的砂漿表觀密度

2.3 砂漿抗壓強度

圖3為不同激發劑組合的砂漿抗壓強度。從圖中可以看出，在不同齡期，N0S0K0的抗壓強度值均明顯低于OPC，且在齡期為28 d時，僅為OPC的45.5%。主要因為在低堿性環境中，粉煤灰的火山灰反應與高爐礦渣潛在的水硬性反應受阻［5］，使水泥漿體強度增長緩慢。而摻入堿性激發劑后，由于NaOH和KOH均屬于強堿，而 Na2SiO3屬弱堿鹽，堿性較弱，所以 N7.5S0K0，N5S0K2.5及N2.5S0K5三種組合的無水泥砂漿抗壓強度值均與OPC相當，甚至高于OPC。此外，在齡期28 d之前，隨著齡期的增長，以上三種組合的砂漿強度值基本維持在40 MPa左右，增長緩慢。因為激發劑的強堿性使砂漿早期強度發展較快，在7 d之前基本完成。齡期為56 d時，OPC的抗壓強度值為61.9 MPa。摻入 NaOH 7.5%的 N7.5S0K0 組為64.3 MPa，比 OPC 提高 3.9%，N5S0K2.5為 64.4 MPa，N2.5S0K5 為 59.4 MPa，比 OPC 降低4.0%。通過分析可知，以上三種組合激發劑對砂漿的抗壓強度影響效果均與OPC相當。

3 結語

本文采用工業垃圾粉煤灰、高爐礦渣及少量生石灰全部取代水泥作為砂漿的膠凝材料，通過調整三種堿性激發劑(NaOH，KOH及Na2SiO3)的摻入比例，并控制總摻量，研究堿性激發劑的復摻對無水泥砂漿的表觀密度及力學性能的影響，得到以下結論:

1)完全采用粉煤灰、高爐礦渣及生石灰作為膠凝材料的無水泥砂漿的表觀密度值均大于OPC。

圖3 不同激發劑組合的砂漿抗壓強度

2)不同齡期的 N0S0K0抗折強度均明顯低于 OPC，而N7.5S0K0，N5S0K2.5及 N2.5S0K5三種組合的無水泥砂漿均明顯高于OPC，且N7.5S0K0效果最為明顯。齡期56 d時，N7.5 S0K0的抗折強度比OPC提高31.5%。

3)不同齡期的N0S0K0抗壓強度值均明顯低于OPC，且在齡期為28 d時，僅為 OPC 的 45.5%。而 N7.5S0K0，N5S0K2.5及N2.5S0K5三種組合的無水泥砂漿抗壓強度值均與OPC相當，甚至高于OPC。

由以上分析可以得知，綜合考慮砂漿表觀密度、抗折強度以及抗壓強度，在本試驗范圍內，N7.5S0K0砂漿組合得到比較良好的性能。

［1］李尚洙.使用堿性激發劑無水泥環保無機復合體流動性及強度性能研究［J］.韓國建筑學會報，2010，26(5):67-74.

［2］張海龍，左展毓，方永青，等.粉煤灰和礦渣不同配合比對無水泥砂漿性能的影響［J］.延邊大學學報(自然科學版)，2012，38(2):163-167.

［3］王曉博，裴長春.膨脹劑對無熟料混凝土力學收縮性能試驗研究［J］.山西建筑，2015，41(4):110-112.

［4］施惠生，孫振平，鄧 愷，等.混凝土外加劑技術大全［M］.北京:化學工業出版社，2013:221-224.

［5］李潤城，李江弼，李尚洙，等.使用高爐礦渣及赤泥無水泥復合體流動性及強度性能研究［A］.2010年韓國建筑學會會議論文集［C］.2010.