堿激發礦渣砂漿性能試驗研究

萬瑩瑩，王西安，李金萍(山東高速工程檢測有限公司，山東濟南　250001)

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堿激發礦渣砂漿性能試驗研究

萬瑩瑩，王西安，李金萍
(山東高速工程檢測有限公司，山東濟南250001)

摘要:用水淬粒化高爐礦渣替代天然砂制備堿激發砂漿，研究堿激發砂漿的抗壓性能、塑性開裂性能和抗碳化性能。研究結果表明:高爐礦渣替代天然砂制備堿激發砂漿的抗壓強度較硅酸鹽水泥砂漿低，但提高了抗塑性開裂能力，受堿激發材料的自身性質所限，對抗碳化能力并無顯著影響。

關鍵詞:堿激發礦渣;粒化高爐礦渣;砂;抗壓強度;塑性開裂;碳化

硅酸鹽水泥在生產過程中需要消耗大量的礦物資源和能源、排放大量二氧化碳，還帶來粉塵和噪聲污染，已經不符合節能減排、綠色可持續發展的要求。堿激發膠凝材料取自工業廢渣，經堿性物質激發就能獲得較好的膠凝效果，具有廣泛的發展前景［1－3］。堿激發礦渣膠凝材料具有較好的力學性能、抗酸堿性能、抗硫酸鹽侵蝕、抗凍融性能以及低水化熱、孔隙率較小等特性，在前蘇聯、德國等國家得到了較廣泛的應用。但是堿激發礦渣膠凝材料也存在一些缺點，如凝結時間過快、干燥收縮過大、抗塑性開裂能力差、碳化速率較快等，限制了堿激發礦渣的應用［4－5］。

國內對水淬粒化高爐礦渣代替砂制備混凝土的研究表明礦渣代砂降低了混凝土的工作性能，而抗壓強度、抗折強度、彈性模量和抗硫酸鹽侵蝕等性能有所提高［6－8］。本試驗嘗試將礦渣顆粒取代砂制備堿激發砂漿，研究該砂漿的抗壓性能、塑性開裂性能和抗碳化性能，以擴大粒化高爐礦渣顆粒的應用范圍。

1原材料和配合比

水淬粒化高爐礦渣由濟南鋼鐵廠提供，礦粉為該礦渣經實驗室小型球磨機磨細制得，粒化高爐礦渣和自磨礦粉的物理性能見表1、2，自磨礦粉與水泥的化學性能見表3;對照試驗組采用P·O 52．5水泥;堿激發劑原料為液體工業級水玻璃(模數2．7，質量濃度為50%)，通過固體工業級NaOH來調節水玻璃的模數［9］;拌合水為自來水。試驗選取堿激發砂漿( Alkali-Activated Slag Mortar，AASM)和普通硅酸鹽水泥砂漿( Ordinary Portland Cement Mortar，OPCM)兩種材料體系，分別測試了礦渣取代砂前后砂漿的性能，試驗配合比見表4。

2試件制備及測試方法

礦渣代砂堿激發砂漿的力學性能依文獻［10］進行測試，試件尺寸為70．7 mm×70．7 mm×70．7 mm，測試3、28、90、180 d的抗壓強度。抗塑性開裂性能測試按照文獻［11］測試，試件尺寸為910 mm×600 mm× 20 mm，試件澆筑后立即置于溫度為20±3℃、相對濕度為60%±5%環境內，同時對試件電扇吹風及1 000 W碘鎢燈照射，吹風時間24 h并保持試件橫向中心線5 m/s風速，碘鎢燈照射4 h后關閉，評定指標包含最大裂縫寬度與裂縫指數。抗碳化性能試驗依照文獻［12］測試，試件尺寸為70．7 mm×70．7 mm×70．7mm，測試條件為溫度20±2℃，相對濕度70%±5%，二氧化碳體積分數為20%±3%，測試3、14、28 d的碳化深度。

表1粒化高爐礦渣顆粒物理性能

表2自磨礦粉物理性能

表3自磨礦粉與水泥化學成分的質量分數

表4試驗組配合比

3試驗結果

3．1抗壓強度

礦渣代砂AASM的抗壓強度見圖1。

圖1 AASM與OPCM試驗組抗壓強度隨齡期變化

試驗結果表明，在早齡期時礦渣代砂AASM的抗壓強度與天然砂AASM較為接近，且AASM的抗壓強度與OPCM也較為接近。隨著齡期的增長，AASM和OPCM的抗壓強度均隨著礦渣顆粒的摻入而降低。

試驗組A1的28 d抗壓強度比A2組降低了11．3%，180 d則降低了16．8%。試驗組B1的28 d抗壓強度比B2組降低了7．1%，180 d降低了18．4%。試驗組P1的28 d抗壓強度比P2組降低了14．8%，180 d降低幅度最大，達到了22．5%。

對于AASM，模數的升高有助于強度的發展，尤其在后期表現較為明顯，試驗組B1與B2的28 d抗壓強度分別比A1與A2組增加了42．3%和34．5%。相比較OPCM試驗組，模數為0．6的礦渣代砂AASM試驗組B1的抗壓強度未表現出顯著降低，說明在該模數條件下，礦渣能夠取代天然砂制備砂漿。

3．2塑性開裂

AASM與OPCM試驗組塑性開裂試驗結果見表5。由表5中可以看出，A組開裂指數最小，A1組沒

有發現開裂，A2組有微小的裂紋，最大的裂縫寬度僅為0．2 mm，試驗發現A相對其他組凝結時間較快，說明凝結時間快，產生的早期強度能夠抑制由于表面水分蒸發造成的應力破壞，進而抑制裂縫的產生。開裂指數是評定試件產生不同寬度和長度裂縫的指標，指數越大說明裂縫越寬且越長。在所有試驗組中，B2組的開裂指數最大，說明0．6模數天然砂制備AASM的抗塑性開裂能力最差。對比各組試件，1組砂漿試件均比2組開裂指數小，說明礦渣代砂能夠減少開裂指數，減少開裂的可能性。

表5 AASM與OPCM試驗組塑性開裂試驗結果

3．3抗碳化試驗

文獻［13］研究表明，AASM的抗碳化能力遠低于OPCM且碳化形式也不同于硅酸鹽水泥漿，AASM的碳化更多的是凝膠體的脫鈣碳化。本試驗的各試驗組碳化深度見圖2。隨著碳化時間的延長，碳化深度不斷加深。碳化深度最大的是A組，試驗組A2在28 d已全部碳化，說明抵抗碳化能力最弱。

6組抗碳化能力大小為P＞B＞A。試驗組A與B兩組中1組碳化深度比2組小，這在試驗組B中尤為明顯，B1組28 d的碳化深度是B2組的67%，說明B1組的抗碳化能力較好。P組碳化深度最低，原因是砂膠比較小，體系較為密實。此外，硅酸鹽水泥水化生成的Ca( OH)2抵御了碳化進行，碳化形成的CaCO3產物進一步密實砂漿，導致碳化較難進行。

3．4結果討論

粒化高爐礦渣替代天然砂制備堿激發砂漿的抗壓強度較硅酸鹽水泥砂漿低，這與其自身性質有關。粒化高爐礦渣由水淬急冷制得，礦渣顆粒形貌的不規整使得礦渣顆粒受力不均，礦渣表面較多孔隙的存在則使得較多的水分在拌制過程中進入顆粒內部，造成局部水灰比過大。此外，礦渣的彈性模量低于天然砂也是砂漿抗壓強度降低的原因之一。

圖2 AASM與OPCM試驗組碳化深度隨齡期變化

試驗結果表明，抗塑性開裂能力隨著礦渣代砂得到了提高。這是因為礦渣顆粒存在較多孔隙而具有一定的吸水作用，在漿體硬化階段此部分的水能夠穩定漿體的內部濕度、降低濕度梯度從而減少水分散失引起的收縮應力。

由于堿激發礦渣材料自身具有極低的抗碳化能力，所以礦渣代砂并不能有效地提高其抗碳化的能力。對于堿激發礦渣材料，還需要從其水化產物的結構等方面進行深一步研究以提高抗碳化能力。

4　結論

1)粒化高爐礦渣替代天然砂制備堿激發砂漿的抗壓強度較硅酸鹽水泥砂漿低，但模數為0．6、激發劑摻量為3%的堿激發砂漿中，礦渣代砂對抗壓強度無明顯影響。在堿激發材料中礦渣代砂引起的強度降低可以通過優化模數與激發劑摻量彌補。

2)礦渣代砂能夠降低堿激發砂漿的塑性開裂，但對于抗碳化能力無明顯提高，說明碳化與堿激發礦渣自身水化產物的性質有密切關系。

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(責任編輯:郎偉鋒)

Research on Properties of Alkali-Activated Slag Mortar

WAN Yingying，WANG Xi'an，LI Jinping
( Shandong Superhighway Engineering Testing Co，．Ltd．，Jinan 250001，China)

Abstract:For the preparation of the alkali-activated slag mortar by the granulated blast furnace slag instead of the natural sand，this paper studies the properties of its compressive strength，plastic shrinkage and carbonation resistance．The researching result shows that when the natural sand is replaced by the blast furnace slag to prepare the alkali-activated slag mortar which is better than the Portland cement mortar，the alkali-activated slag mortar reduces the compressive strength but increases the plastic shrinkage resistance，and limited by the nature of alkali-activated material itself，it almost has no influence on the carbonation resistance．

Key words:alkali-activated slag; granulated blast furnace slag; sand; compressive strength; plastic shrinkage; carbonation

作者簡介:萬瑩瑩( 1981—)，女，山東高唐人，工程師，主要研究方向為工程材料試驗檢測．

收稿日期:2014－02－01

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．011

文章編號:1672－0032( 2015) 01－0058－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TU57+8．1