激發劑對水泥基材料力學性能的影響研究

楊穎志（中國鐵路總公司廣州鐵路（集團）公司職工住房建設指揮部，湖南　長沙　410001）

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·建筑材料及應用·

激發劑對水泥基材料力學性能的影響研究

楊穎志
（中國鐵路總公司廣州鐵路（集團）公司職工住房建設指揮部，湖南長沙410001）

摘要：以強度作為評價指標，選取硫酸鈉、氯化鈣、二水石膏三種激發劑進行了試驗，分析了不同激發劑及其摻量對水泥基材料力學性能的影響，并得到了摻入激發劑水泥基材料的強度發展規律，結果表明：氯化鈣的后期激發效果最好。

關鍵詞：激發劑，水泥基材料，抗壓強度

0　引言

生產1 t水泥熟料，將向大氣排放1 t二氧化碳，嚴重污染了大氣環境。隨著人類對環境保護愈加重視，建材工業也提出了發展生態型、綠色環保材料的目標。如何減少水泥基材料中的水泥用量，同時又能達到材料的使用強度要求，已成為建筑材料研究中的一個熱點問題［1］。目前，粉煤灰作為一種工業廢渣，在建筑材料方面得到了較為廣泛的應用［2］。

粉煤灰活性激發較為有效的方法主要有3種：

1）物理活化，在機械粉磨破壞作用下，粉煤灰的玻璃體將更加分散，比表面積大幅增加，從而分子熱運動加速，促進粉煤灰的水化；

2）化學活化，即通過堿（石灰、水玻璃等）、硫酸鹽（CaSO4，Na2SO4等）、氯鹽等化學激發劑來激發粉煤灰的活性；

3）熱力激發方法，熱力激發是指粉煤灰在蒸汽養護的水熱條件下，使其硅氧四面體聚合體解聚成單聚體和雙聚體［3，4］。相比其他激發方式，化學激發受場地和工藝條件制約影響小，是較為常用的激發方式。到目前為止，許多學者采用不同化學激發劑，進行了一些水泥砂漿和混凝土的化學激發試驗，取得了許多成果。藺喜強等認為單摻氯化鈣對粉煤灰水泥砂漿的激發效果優于氯化鈉等化學分析［4］。劉妍等認為硫酸鈉對鈦石膏—粉煤灰復合膠凝材料的激發效果較好，并根據其具體試驗條件得到了最佳摻量［5］。從許多研究可以看出，對于同種化學激發劑的激發效果存在一些矛盾的結論。事實上，化學激發的效果和具體試驗條件密切相關，一些文獻中的矛盾應歸因于不同的實驗條件［6］。通常，最佳的激發措施和激發劑的摻量都要通過試驗得到。

本文擬通過選取不同激發劑，替代部分水泥用量，以強度作為評價指標，研究不同化學激發劑對水泥基材料力學性能的影響，為水泥基材料綠色環保化提供一定的試驗依據。

1　原材料與配合比

水泥：寧波市售海螺32.5級復合硅酸鹽水泥（P.C32.5），其物理力學性能指標見表1，化學成分指標見表2；粉煤灰為浙江寧波北侖港電廠生產的Ⅰ級粉煤灰（FA），化學成分指標和物理性質見表2和表3；水：自來水；砂：普通河砂，細度模數為2.7，Ⅱ區級配合格。激發劑：硫酸鈉、氯化鈣、二水石膏。試驗配合比見表4。

表1　P.C32.5水泥的物理力學性能

表2　P.C32.5和FA的化學成分

表3　粉煤灰物理性質

為研究不同激發劑對水泥砂漿性能的影響，優選出較好效果的激發劑，選取硫酸鈉、氯化鈣、二水石膏作為激發劑進行了試驗。采用標準砂，制作砂漿試件，來研究這幾種激發劑對不同試塊強度的影響。激發劑的用量按水泥用量的百分比來進行計算，分別為1%，3%，5%，試驗配合比見表4。

表4　試驗配合比　g

2　制備與測試方法

按照各配合比和規范GB/T 17671水泥砂漿強度檢驗方法進行試驗，制作160 mm×40 mm×40 mm的水泥砂漿試塊，24 h后拆模，并移入水池中進行室溫下的浸水養護，到3 d，7 d，28 d時對水泥砂漿試塊抗壓強度進行測試。

3　試驗結果與分析

3.1不同激發劑對抗壓強度的影響

圖1表示了各激發劑摻量均為1%時，3種激發劑對砂漿不同養護齡期時抗壓強度的影響規律。由圖1看出，摻加3種不同激發劑的粉煤灰水泥膠砂在3 d和7 d早期的強度均高于未摻加激發劑的空白樣，但二水石膏對早期3 d的激發效果不明顯，氯化鈣和硫酸鈉的激發效果較好，分別提高了20%和16%。在28 d時，各激發劑對強度增長的貢獻較大。氯化鈣的后期激發效果最好，比空白樣高約5.7 MPa，二水石膏的后期激發效果最小，僅比空白樣高3.9 MPa。上述3種激發劑對粉煤灰的激發作用大小為氯化鈣＞硫酸鈉＞二水石膏。這種現象應歸因于粉煤灰的化學性質為弱酸性，主要成分是SiO2，Al2O3，其在堿性環境中OH-的作用下，粉煤灰顆粒表面的硅氧鍵和鋁氧鍵斷裂形成不飽和鍵，容易與水泥體系中形成的Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣C-S-H和水化鋁酸鈣C-A-H等膠凝材料。然而粉煤灰火山灰反應所需的Ca（OH）2只有在后期才能較為充分地生成。這就是摻加激發劑試塊的強度在早齡期略高于空白樣，而水化后期強度比空白樣有了很大的提高的原因。

3.2不同激發劑摻量對抗壓強度的影響

對不同激發劑在不同摻量條件下的粉煤灰水泥膠砂強度進行了研究，根據表4的試驗配合比成型試件進行測試，試驗結果分別見圖2～圖4。

圖1　激發劑種類對抗壓強度的影響

圖2　二水石膏摻量對抗壓強度的影響

圖3　硫酸鈉摻量對抗壓強度的影響

圖4　氯化鈣摻量對抗壓強度的影響

圖2表示了二水石膏對粉煤灰水泥膠砂抗壓強度的影響。由圖2中結果可知，在本論文研究的二水石膏0%～5%范圍內，3 d齡期時，各種二水石膏摻量的水泥膠砂試塊抗壓強度差別不大，均略高于基準空白膠砂，這說明在3 d齡期時水泥膠砂的抗壓強度提高不明顯，起不到早期使水泥能夠強度變快的作用。但隨著齡期增加，摻二水石膏的膠砂強度增長較快，在28 d時，摻1%二水石膏的水泥膠砂比基準膠砂強度提高22%。

圖3表示了硫酸鈉對粉煤灰水泥膠砂抗壓強度的影響。由圖3可知，在本文研究的硫酸鈉0%～5%范圍內，3 d齡期時，各種硫酸鈉摻量的水泥膠砂試塊抗壓強度差別不大，均略高于基準空白膠砂，但可看出，隨著硫酸鈉摻量增大到5%，抗壓強度相比1%和3%摻量時更低。隨著齡期增加，摻硫酸鈉的粉煤灰水泥膠砂強度增長較快，在28 d時，摻1%硫酸鈉的水泥膠砂比基準膠砂強度提高27%。

圖4表示了氯化鈣對粉煤灰水泥膠砂抗壓強度的影響。由圖4可知，在本文研究的氯化鈣0%～5%范圍內，3 d齡期時，相比前述的硫酸鈉和二水石膏，各種氯化鈣摻量的水泥膠砂試塊抗壓強度較高，可見氯化鈣的早期激發效果更好；但亦可看出，隨著氯化鈣摻量增大到5%，28 d抗壓強度相比1%和3%摻量時更低，對于氯化鈣而言，摻量不宜過高；隨著齡期增加，摻氯化鈣的粉煤灰水泥膠砂強度增長較快，在28 d時，摻1%硫酸鈉的水泥膠砂比基準膠砂強度提高32%。

本文采用的激發劑對粉煤灰水泥膠砂的激發機理主要有以下幾個方面，試驗中所用激發劑主要成分為硅酸鹽和硫酸鹽，二水石膏的主要成分為二水硫酸鈣，含有較多的鈣離子，因此激發劑中的硫酸根離子在鈣離子的作用下，可以與溶解在液相石膏中的氧化鋁發生水化反應生成鈣礬石（AFt），與此同時，和水泥水化機理一樣，激發劑中所含有的硅酸鹽水化后也能夠形成C-S-H凝膠，這些水化生成的鈣礬石和C-S-H凝膠可以填充粉煤灰水泥砂漿中的孔隙和空隙，降低其孔隙率，使水泥砂漿更加致密，從而強度更高。

從圖2～圖4的結果可以看出，各種激發劑的摻量存在極限，在給定的實驗條件下有一個最佳摻量。這要歸因于激發劑本身的組成與性質，其主要成分是鹽，如果摻量過高，在粉煤灰水泥膠砂水化后期，激發劑會在試樣表面以薄層結晶的形態析出，即激發劑中的硫酸鹽成分會引起泛霜現象［7］。

3.3摻激發劑對粉煤灰水泥膠砂經濟性的影響

根據本文的實驗結果，在摻1%膠凝材料總量的激發劑時，以粉煤灰等量取代20%水泥配制的粉煤灰水泥砂漿，其力學性能（抗壓強度）高于不摻激發劑的空白組試件22%～30%，明顯優于空白組的抗壓強度。相比水泥的價格，粉煤灰是工業廢渣，非常廉價，本文采用的氯化鈣激發劑的摻量很小，僅為1%。所以，選擇合適的激發劑種類，摻加適量的激發劑，可以節約水泥20%，既能滿足其力學性能要求，又是環保節能的綠色建材，且降低了建材的成本。

4　結語

1）摻有激發劑的粉煤灰水泥膠砂早期強度均高于空白樣，相比氯化鈣，硫酸鈉和二水石膏激發劑對粉煤灰早期活性的激發作用不明顯；在水化28 d時，各激發劑單摻對粉煤灰的激發作用大小為氯化鈣＞硫酸鈉＞二水石膏。

2）各種激發劑在不同摻量的情況下，硫酸鈉與二水石膏對粉煤灰的激發效果隨著其摻量的增加而減弱，在1%摻量時最佳；氯化鈣對粉煤灰的激發效果在其摻量為1%和3%時均較好，在5%摻量時反而抗壓強度下降。

3）氯化鈣激發劑對粉煤灰活性的激發效果最好。這表明選擇合適的激發劑種類，摻加適量的激發劑，可以節約水泥20%，既能滿足其力學性能要求，又是環保節能的綠色建材，且降低了建材的成本。

參考文獻：

［1］張傳行.用工業廢渣生產緩凝水泥的方法探討［J］.新世紀水泥導報，2010（1）：13-16.

［2］錢覺時，肖保懷，袁江，等.粉煤灰—石灰—硫酸鹽系統［J］.新型建筑材料，1998（8）：19-21.

［3］倪坤，陳維燈，鐘世云.粉煤灰—脫硫石膏—礦渣復合膠凝材料性能初步研究［J］.粉煤灰綜合利用，2010（6）：9-11.

［4］藺喜強，王棟民，許晨陽，等.硫酸鹽類及氯鹽類激發劑對粉煤灰活性的影響［J］.粉煤灰，2012（1）：4-7.

［5］劉妍，李國忠.不同激發劑對鈦石膏—粉煤灰復合膠凝材料力學性能影響的研究［J］.粉煤灰，2015（1）：46-49.

［6］劉民榮，田穎，趙帥.堿性激發劑對鈦石膏—粉煤灰復合膠結材料性能的研究［J］.粉煤灰，2008（6）：15-17.

［7］劉研，李國忠.粉煤灰、激發劑和防水劑對石膏自保溫砌塊性能的影響［J］.磚瓦，2015（1）：46-49.

Study on the impact of excitant upon mechanical performance of cement-based materials

Yang Yingzhi
（Headquarter of Staff Housing Construction，China Railway Guangzhou Railway（Group）Co.，Ltd，Changsha 410001，China）

Abstract：Taking the strength as evaluation index，the paper carries out an experiment by selecting three kinds of excitants including sodium sulfate，calcium chloride and dihydration gypsum，analyzes the impact of different excitants and mixing amount upon mechanical performance of cement-based materials，and obtains the strength development law of mixing excitant upon cement-based material.Results show that：the post excitation effect of calcium chloride is the best.

Key words：excitant，cement-based materials，compressive strength

中圖分類號：TU502

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0103-03

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：楊穎志（1974-），男，工程師