堿礦渣膠凝材料性質研究

王 巍，劉 益，林 鮮

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津300451

2.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津300451

傳統的海底管道配重層補口材料主要為瀝青瑪蹄脂，由于使用這種材料在鋪管船上進行補口時大約需要加熱到160 ℃以上才能滿足施工要求，造成現場煙熏火燎，工作環境極為惡劣。于是幾十年來，人們一直在努力尋求新型的補口材料。例如，沿著柔性材料的發展思路，先后開發出了聚氨酯泡沫補口材料、聚脲補口材料等；沿著剛性材料的發展思路，開發出了硫磺混凝土、無機非金屬材料補口材料等。

自美國在二十世紀三十年代和前蘇聯在二十世紀五六十年代系統研究堿礦渣膠凝材料以來，堿礦渣膠凝材料的研發引起了國際上的普遍重視，各國紛紛進行大量研究和推廣應用，目前，堿礦渣膠凝材料在各個工業領域的應用發展仍然方興未艾。由于該種材料具有節能、環保、施工性能良好、常溫和高溫時凝結及硬化速度快慢靈活可調、硬化后早期和后期強度高、耐酸堿腐蝕及耐久性好等特點[1-5]，因此對該種材料進行系統研究，充分了解其性能變化規律及機理，并將其應用于海底管道配重層補口上，必將產生良好的經濟、社會及環境效益。

1 原材料和試驗方法

試驗采用天津市漁陽超細礦粉加工有限公司的比表面積為6 000 cm2/g 的超細礦渣，采用質量分數為40%的液體NaOH 和天津堿廠生產的模數為2.6～2.9、相對密度為1.38～1.45 的液體鈉水玻璃。在試驗中所使用的各種有機、無機化合物均為化學試劑。

堿礦渣膠凝材料漿體凝結時間的測定方法及堿礦渣膠凝材料試件的制作方法為：控制堿礦渣膠凝材料漿體流動度19～22 cm，在4 cm×4 cm×16 cm的試模中成型，流動度測定按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行，用維卡凝結時間測定儀測定室溫時的凝結時間。

2 試驗結果與討論

2.1 鈉水玻璃的模數及摻量的影響

試驗結果見表1～表4。

表1 NaOH 的摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養護溫度8 ℃）

表2 模數為0.5 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養護溫度6 ℃）

表3 模數為1.0 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養護溫度7 ℃）

表4 模數為1.5 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養護溫度7 ℃）

表1 表明：單用NaOH 為激發劑，在8 ℃的養護條件下，NaOH 的最佳摻量為礦渣的3%～6%，NaOH 激發礦渣膠凝材料的抗壓強度28 d 可達60 MPa。

表2、表3、表4 表明：用鈉水玻璃為激發劑，在7 ℃的養護條件下，鈉水玻璃的最佳模數為1.0，最佳摻量為7.5%～12.5%，鈉水玻璃激發礦渣的抗壓強度28 d 可達到75 MPa。

無論采用NaOH 還是鈉水玻璃為礦渣的激發劑，在最佳摻量范圍內，堿激發礦渣膠凝材料的終凝時間均在0.5～2.5 h 之間。

2.2 常見化合物的種類及摻量的影響

試驗結果見表5。

表5 表明：多數偏酸性的化合物和偏堿性的化合物明顯地降低堿激發礦渣膠凝材料的抗壓強度；而偏中性的多數化合物對堿激發礦渣膠凝材料的抗壓強度影響則較少。無論摻加上述的何種化合物，在常溫下養護，堿激發礦渣膠凝材料的終凝時間均在2.5 h 之內。

2.3 摻PbO 調凝劑的堿激發礦渣膠凝材料的基本性能

（1） PbO 摻量對模數為1.0 的鈉水玻璃激發礦渣膠凝材料性能的影響。試驗結果見表6。

表5 常見化合物的種類及摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響

表6 表明：當PbO 內摻礦渣的0%～12%時，可使模數為1.0 的鈉水玻璃激發礦渣膠凝材料的終凝時間在47 min 至5 h 之間可調，而膠凝材料的抗壓強度基本保持在100 MPa 不變；當PbO 為內摻礦渣的12%～24%時，可使膠凝材料的終凝時間在5～8 h 之間可調，但膠凝材料的抗壓強度則由約100 MPa 降至約70 MPa。

（2） PbO 摻量對NaOH 激發礦渣膠凝材料性能的影響。試驗結果見表7。

表7 表明：當PbO 調凝劑內摻礦渣的0%～8%時，可使NaOH 激發礦渣膠凝材料強度保持在50MPa以上，當調凝劑內摻8%～10%時，膠凝材料的抗壓強度略下降至約40 MPa。

表6 PbO 摻量對模數為1.0 的鈉水玻璃激發礦渣膠凝材料性能的影響

表7 PbO 型緩凝劑摻量對NaOH 激發礦渣膠凝材料性能的影響

（3） 鈉水玻璃模數對摻PbO 調凝劑的堿激發礦渣膠凝材料性能的影響。試驗結果見表8。

表8 鈉水玻璃模數對摻PbO 調凝劑的堿激發礦渣膠凝材料性能的影響

表8 表明：鈉水玻璃模數對摻PbO 調凝劑的水玻璃激發礦渣膠凝材料的凝結時間和抗壓強度影響極大，當水玻璃模數由0 增加到0.5 時，水泥的終凝時間由23 h 34 min 縮短到2 h 6 min，而抗壓強度由49.4 MPa 增加到84.0 MPa。

（4） PbO 調凝劑和NaOH 摻量等比例增加時對堿激發礦渣膠凝材料性能的影響。試驗結果如表9 所示。

表9 PbO 調凝劑和NaOH 摻量等比例增加時對堿激發礦渣膠凝材料性能的影響

表9 表明：PbO 調凝劑和NaOH 摻量等比例增加，使得NaOH 激發礦渣水泥的終凝時間由11 h 54 min 縮短到3 h 34 min，抗壓強度也由58.8 MPa下降到40.7 MPa。（5） PbO 調凝劑的膠凝性研究。試驗結果見表10。

3 結論

以上試驗研究僅僅是試圖將堿礦渣膠凝材料應用于海底管道配重層補口上的初探，更為詳盡的研究工作尚需進一步開展。通過上述研究，初步得到如下結論：

（1） 當采用模數為1.0 的液體鈉水玻璃作為堿激發劑，礦渣內摻調凝劑PbO 0.5%～10%時，堿礦渣膠凝材料抗壓強度保持基本不下降（約90 MPa），而堿礦渣膠凝材料在室溫為5～8 ℃的環境下，終凝時間由30 min 延長至6 h；若礦渣內摻調凝劑PbO 10%～24%，則終凝時間可延長至8 h，但抗壓強度下降至約70 MPa。

（2） 當采用工業液體NaOH 為堿激發劑，礦渣內摻調凝劑PbO 0.5%～10%時，堿礦渣膠凝材料的抗壓強度由約65 MPa 略下降至約50 MPa，而終凝時間在室溫10 ℃情況下，由3 h 延長至28 h。

（3） 調凝劑PbO 與Ca（OH）2的混合物不具有膠凝性。

（4） 應用堿礦渣膠凝材料進行海底管道配重層補口是可能的。