碱激发矿渣砂浆性能试验研究

万莹莹，王西安，李金萍(山东高速工程检测有限公司，山东济南　250001)



碱激发矿渣砂浆性能试验研究

万莹莹，王西安，李金萍
(山东高速工程检测有限公司，山东济南250001)

摘要:用水淬粒化高炉矿渣替代天然砂制备碱激发砂浆，研究碱激发砂浆的抗压性能、塑性开裂性能和抗碳化性能。研究结果表明:高炉矿渣替代天然砂制备碱激发砂浆的抗压强度较硅酸盐水泥砂浆低，但提高了抗塑性开裂能力，受碱激发材料的自身性质所限，对抗碳化能力并无显著影响。

关键词:碱激发矿渣;粒化高炉矿渣;砂;抗压强度;塑性开裂;碳化

硅酸盐水泥在生产过程中需要消耗大量的矿物资源和能源、排放大量二氧化碳，还带来粉尘和噪声污染，已经不符合节能减排、绿色可持续发展的要求。碱激发胶凝材料取自工业废渣，经碱性物质激发就能获得较好的胶凝效果，具有广泛的发展前景［1－3］。碱激发矿渣胶凝材料具有较好的力学性能、抗酸碱性能、抗硫酸盐侵蚀、抗冻融性能以及低水化热、孔隙率较小等特性，在前苏联、德国等国家得到了较广泛的应用。但是碱激发矿渣胶凝材料也存在一些缺点，如凝结时间过快、干燥收缩过大、抗塑性开裂能力差、碳化速率较快等，限制了碱激发矿渣的应用［4－5］。

国内对水淬粒化高炉矿渣代替砂制备混凝土的研究表明矿渣代砂降低了混凝土的工作性能，而抗压强度、抗折强度、弹性模量和抗硫酸盐侵蚀等性能有所提高［6－8］。本试验尝试将矿渣颗粒取代砂制备碱激发砂浆，研究该砂浆的抗压性能、塑性开裂性能和抗碳化性能，以扩大粒化高炉矿渣颗粒的应用范围。

1原材料和配合比

水淬粒化高炉矿渣由济南钢铁厂提供，矿粉为该矿渣经实验室小型球磨机磨细制得，粒化高炉矿渣和自磨矿粉的物理性能见表1、2，自磨矿粉与水泥的化学性能见表3;对照试验组采用P·O 52．5水泥;碱激发剂原料为液体工业级水玻璃(模数2．7，质量浓度为50%)，通过固体工业级NaOH来调节水玻璃的模数［9］;拌合水为自来水。试验选取碱激发砂浆( Alkali-Activated Slag Mortar，AASM)和普通硅酸盐水泥砂浆( Ordinary Portland Cement Mortar，OPCM)两种材料体系，分别测试了矿渣取代砂前后砂浆的性能，试验配合比见表4。

2试件制备及测试方法

矿渣代砂碱激发砂浆的力学性能依文献［10］进行测试，试件尺寸为70．7 mm×70．7 mm×70．7 mm，测试3、28、90、180 d的抗压强度。抗塑性开裂性能测试按照文献［11］测试，试件尺寸为910 mm×600 mm× 20 mm，试件浇筑后立即置于温度为20±3℃、相对湿度为60%±5%环境内，同时对试件电扇吹风及1 000 W碘钨灯照射，吹风时间24 h并保持试件横向中心线5 m/s风速，碘钨灯照射4 h后关闭，评定指标包含最大裂缝宽度与裂缝指数。抗碳化性能试验依照文献［12］测试，试件尺寸为70．7 mm×70．7 mm×70．7mm，测试条件为温度20±2℃，相对湿度70%±5%，二氧化碳体积分数为20%±3%，测试3、14、28 d的碳化深度。

表1粒化高炉矿渣颗粒物理性能

表2自磨矿粉物理性能

表3自磨矿粉与水泥化学成分的质量分数

表4试验组配合比

3试验结果

3．1抗压强度

矿渣代砂AASM的抗压强度见图1。

图1 AASM与OPCM试验组抗压强度随龄期变化

试验结果表明，在早龄期时矿渣代砂AASM的抗压强度与天然砂AASM较为接近，且AASM的抗压强度与OPCM也较为接近。随着龄期的增长，AASM和OPCM的抗压强度均随着矿渣颗粒的掺入而降低。

试验组A1的28 d抗压强度比A2组降低了11．3%，180 d则降低了16．8%。试验组B1的28 d抗压强度比B2组降低了7．1%，180 d降低了18．4%。试验组P1的28 d抗压强度比P2组降低了14．8%，180 d降低幅度最大，达到了22．5%。

对于AASM，模数的升高有助于强度的发展，尤其在后期表现较为明显，试验组B1与B2的28 d抗压强度分别比A1与A2组增加了42．3%和34．5%。相比较OPCM试验组，模数为0．6的矿渣代砂AASM试验组B1的抗压强度未表现出显著降低，说明在该模数条件下，矿渣能够取代天然砂制备砂浆。

3．2塑性开裂

AASM与OPCM试验组塑性开裂试验结果见表5。由表5中可以看出，A组开裂指数最小，A1组没

有发现开裂，A2组有微小的裂纹，最大的裂缝宽度仅为0．2 mm，试验发现A相对其他组凝结时间较快，说明凝结时间快，产生的早期强度能够抑制由于表面水分蒸发造成的应力破坏，进而抑制裂缝的产生。开裂指数是评定试件产生不同宽度和长度裂缝的指标，指数越大说明裂缝越宽且越长。在所有试验组中，B2组的开裂指数最大，说明0．6模数天然砂制备AASM的抗塑性开裂能力最差。对比各组试件，1组砂浆试件均比2组开裂指数小，说明矿渣代砂能够减少开裂指数，减少开裂的可能性。

表5 AASM与OPCM试验组塑性开裂试验结果

3．3抗碳化试验

文献［13］研究表明，AASM的抗碳化能力远低于OPCM且碳化形式也不同于硅酸盐水泥浆，AASM的碳化更多的是凝胶体的脱钙碳化。本试验的各试验组碳化深度见图2。随着碳化时间的延长，碳化深度不断加深。碳化深度最大的是A组，试验组A2在28 d已全部碳化，说明抵抗碳化能力最弱。

6组抗碳化能力大小为P＞B＞A。试验组A与B两组中1组碳化深度比2组小，这在试验组B中尤为明显，B1组28 d的碳化深度是B2组的67%，说明B1组的抗碳化能力较好。P组碳化深度最低，原因是砂胶比较小，体系较为密实。此外，硅酸盐水泥水化生成的Ca( OH)2抵御了碳化进行，碳化形成的CaCO3产物进一步密实砂浆，导致碳化较难进行。

3．4结果讨论

粒化高炉矿渣替代天然砂制备碱激发砂浆的抗压强度较硅酸盐水泥砂浆低，这与其自身性质有关。粒化高炉矿渣由水淬急冷制得，矿渣颗粒形貌的不规整使得矿渣颗粒受力不均，矿渣表面较多孔隙的存在则使得较多的水分在拌制过程中进入颗粒内部，造成局部水灰比过大。此外，矿渣的弹性模量低于天然砂也是砂浆抗压强度降低的原因之一。

图2 AASM与OPCM试验组碳化深度随龄期变化

试验结果表明，抗塑性开裂能力随着矿渣代砂得到了提高。这是因为矿渣颗粒存在较多孔隙而具有一定的吸水作用，在浆体硬化阶段此部分的水能够稳定浆体的内部湿度、降低湿度梯度从而减少水分散失引起的收缩应力。

由于碱激发矿渣材料自身具有极低的抗碳化能力，所以矿渣代砂并不能有效地提高其抗碳化的能力。对于碱激发矿渣材料，还需要从其水化产物的结构等方面进行深一步研究以提高抗碳化能力。

4　结论

1)粒化高炉矿渣替代天然砂制备碱激发砂浆的抗压强度较硅酸盐水泥砂浆低，但模数为0．6、激发剂掺量为3%的碱激发砂浆中，矿渣代砂对抗压强度无明显影响。在碱激发材料中矿渣代砂引起的强度降低可以通过优化模数与激发剂掺量弥补。

2)矿渣代砂能够降低碱激发砂浆的塑性开裂，但对于抗碳化能力无明显提高，说明碳化与碱激发矿渣自身水化产物的性质有密切关系。

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［12］中国建筑科学研究院．GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］．北京:中国建材工业出版社，2010．

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(责任编辑:郎伟锋)

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

作者简介:万莹莹( 1981—)，女，山东高唐人，工程师，主要研究方向为工程材料试验检测．

收稿日期:2014－02－01

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

文章编号:1672－0032( 2015) 01－0058－04

文献标志码:A

中图分类号:TU57+8．1