碱激发矿渣胶凝材料膨胀性能研究

许 亮,王远辉,尹耀霄,袁晓辉

(1.湖北省交通运输厅公路管理局,武汉 430030;2.湖北省公路工程咨询监理中心,武汉 430030; 3.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点试验室,武汉 430070)

碱激发矿渣胶凝材料膨胀性能研究

许 亮1,王远辉1,尹耀霄2,袁晓辉3

(1.湖北省交通运输厅公路管理局,武汉 430030;2.湖北省公路工程咨询监理中心,武汉 430030; 3.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点试验室,武汉 430070)

以矿粉、粉煤灰为胶凝材料,水玻璃和氢氧化钠配制激发剂进行碱激发矿渣胶凝材料膨胀性能研究。研究发现以硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂和氧化镁作为外加剂掺入胶凝材料中可以大大减小碱激发矿渣胶凝材料的干缩性能,密封和水养条件要比自然养护条件下干缩率小,且以水玻璃和氢氧化钠混合的激发剂制备的碱激发胶凝材料其干缩12 d左右基本趋于稳定。

激发剂; 膨胀剂; 干缩性能; 养护条件

碱激发矿渣胶凝材料节能、环保及优越的经济效益具有取代传统波特兰水泥的巨大潜能[1-6]。但其存在的主要缺点干缩大限制了其在实际工程中的应用[7]。文献[8]的研究结果显示碱激发矿渣胶凝材料的干缩率最多比普通波特兰水泥高六倍。文献[9]研究发现碱激发矿渣胶凝材料孔隙率高是导致其干缩率大的主要原因。关于解决混凝土干缩率大的问题目前采用的主要方法是通过在材料中加膨胀剂,在其水化过程中生成钙矾石(Ettringite)来补偿混凝土的收缩。目前关于碱激发矿渣胶凝材料的膨胀性能国内外研究较少,该文主要通过试验寻求一种适用于碱激发矿渣胶凝材料的膨胀剂组分。

1 膨胀性能试验设计

碱激发矿渣胶凝材料产物目前成分尚存争议,但与硅酸盐水泥产物C-S-H凝胶组成不同,一般市售针对硅酸盐水泥而研发的钙矾石类膨胀剂并不适用。因而,在此基础之上,该试验选用天津豹鸣股份有限公司研发生产的硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂及拥有自膨胀性的氧化镁作为膨胀剂补偿无机聚合物混凝土的收缩并使其具有适度的膨胀。天津豹鸣股份有限公司研发生产的硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂早期采用膨胀剂中石灰(CaO)吸水结晶产生膨胀补偿混凝土早期收缩,后期水化产物是钙矾石相可以达到膨胀的目的,而现有资料表明,无机聚合物的最终水化产物为类沸石相,因而需在碱激发矿渣胶凝材料中添加其它自膨胀组分以补偿混凝土后期收缩。

通过前期混凝土收缩试验可以发现碱激发矿渣胶凝材料干缩多发生在早期,为使膨胀剂膨胀趋势与无机聚合物混凝土干缩发展趋势相适应,该试验最终选定硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂与氧化镁(Mg O)作为碱激发矿渣胶凝材料的膨胀源,因为氧化镁成分反应周期长,参考水泥混凝土的相关标准(MgO含量不得高于5%),最终将Mg O含量控制在2%之下。原材料矿粉选用武钢矿粉,等级S95,粉煤灰等级一级,独自研发的激发剂,市售P.O.42.5水泥。膨胀剂掺量采用内掺法。碱激发矿渣胶凝材料净浆微膨胀试验设计如表1、表2所示。

表1 100 g碱激发矿渣胶凝材料净浆微膨胀试验设计一

2 试样成型

表2 100 g碱激发矿渣胶凝材料净浆微膨胀试验设计二

因净浆试验含多种矿物粉末,为使粉末(矿粉、粉煤灰、膨胀剂及轻质氧化镁)相对混合均匀,试验先按照相应的配合比称量原料置于塑料袋中预先混合,并对应相应编号,成型时采用边搅拌边放料的方式,尽量减少由于原料混合不均匀而导致的试验误差。图1为试件实际成型过程示意图。

3 试验结果

为考虑不同环境下无机聚合物的体积变形情况,制作而成的试件分3类养护方式:暴露于空气中养护、脱模水养及薄膜养护。

1)空气中养护

图2所示为无机聚合物参照表1配合比设计而成型的暴露在空气中养护的试件相隔17 d对比图。从图中可以看出0～4号试件都有不同程度的收缩,试件表面多分布着裂纹,且肉眼可观察到试件已与模具之间脱离,尤其以0号对比试件最为严重,1～4试件随着膨胀剂掺量的增加,收缩情况逐渐好转,5号试件体积变化不明显,基本无收缩,考虑到试件在空气中养护会有一定程度的收缩,故可以认为5号试件的掺量基本能够补偿其现阶段凝期的收缩,表现出一定的膨胀性能。

2)脱模水养

脱模水养方式为成型后24 h脱模,在试件表面预先设置好两个方向垂直的测量点,以确保每次使用电子游标卡尺进行测量的位置为同一位置,通过试件直径的变化来评定膨胀效果。如图3,图4测试图。

图5所示为矿粉及水泥在激发剂及氢氧化钠(NaOH)作用下砂浆试件收缩率与时间的关系。从图中可以看出,纯矿粉在激发剂及NaOH作用下收缩多发生在早期(18 d内),后期(18～57 d)干缩趋势相对平稳,无大波动;而水泥在激发剂及NaOH作用下,1～57 d内收缩呈持续增加的趋势且收缩量远大于同条件下的矿粉(超过2倍);水泥与矿粉的混合物在激发剂作用下的收缩发展趋势则与同条件下以矿粉为原材料的试件类似,收缩总量略大于后者。氢氧化钠和水玻璃制备的激发剂激发矿渣微粉胶凝材料干缩12 d左右可达稳定,干缩性能优于氢氧化钠激发的胶凝材料。

3)薄膜养护

在空气中养护及成型后1 d脱模发现试件干缩开裂严重,为减少试件由于水分散失而造成的干缩、开裂等。在此前试验基础之上重新设置一组采用薄膜养护的试件配合比。采用薄膜养护后未见试件表面开裂,且干缩程度与在空气中养护试件相比有很大程度的减少,具体见图6所示。

4 结 语

碱激发矿渣胶凝材料净浆试验结果显示硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂和氧化镁的掺入能够改善碱激发矿渣胶凝材料干缩率大的问题,密封和水养条件下碱激发矿渣胶凝材料干缩率要明显小于自然条件下,碱激发矿渣胶凝材料中掺入水泥会增大其干缩率,氢氧化钠和水玻璃制备的激发剂激发矿渣微粉胶凝材料干缩12 d左右可达稳定,干缩性能优于氢氧化钠激发的胶凝材料。

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声 明

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本刊编辑部

Expansion Properties Analysis of Alkali-activated Slag Cementitious Material

XU Liang1,WANG Yuan-hui1,YIN Yao-xiao2,YUAN Xiao-hui3
(1.Transportation and Highway Administration of Hubei Province,Wuhan 430020,China;2.Highway Engineering Consulting Supervision Center of Hubei Province,Wuhan 430030,China;3.Key Laboratory of Roadway Bridge and Structural Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

This paper do expansion properties analysis of alkali-activated slag cementitious material by using slag, fly ash as cementitious materials,and using water glass,sodium hydroxide preparation activator.Study found that adding sulphoaluminate-calcium oxide and magnesium oxide into the alkali-activated slag cementitious material can greatly reduced its shrinkage properties.The shrinkage is smaller in the curing condition of sealing and water than that of nature,and its shrinkage reach stable at the age 12 d with the activator that preparer by water glass and sodium hydroxide.

activator; expanders; shrinkage performance; curingconditions

2014-08-05.

许 亮(1980-),工程师.E-mail:fjeff-dj@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.002