碱激发剂对碱矿渣砂浆抗压强度的影响

郑登登，季 韬，王灿强，郑文元，程可佳，林旭健

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

碱激发剂对碱矿渣砂浆抗压强度的影响

郑登登，季 韬，王灿强，郑文元，程可佳，林旭健

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

研究了碱激发剂(Na2SO4、Na2SO4+NaOH、Na2SO4+Na2SiO3)对碱矿渣砂浆抗压强度的影响.研究表明，与单独采用Na2SO4作为激发剂时的碱矿渣砂浆抗压强度相比，采用Na2SO4和NaOH作为复合激发剂，碱矿渣砂浆抗压强度略低；采用Na2SO4和 Na2SiO3作为复合激发剂，碱矿渣砂浆抗压强度有明显的提高，但 Na2SiO3掺量不宜超过2.5%.通过试验结果对比得出碱矿渣水泥最佳配方：普通硅酸盐水泥 ∶Na2SO4∶矿渣 ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%，所配制砂浆(最佳碱矿渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗压强度达到53.7 MPa.

碱激发剂；碱矿渣砂浆；抗压强度

0 引言

矿渣是钢铁厂冶炼生铁时产生的副产物，随着社会的发展，其产量日益增大，我国钢铁厂的年矿渣排放量高达6 000万t以上.由于其具有较好的潜在活性，从有效利用资源、节约能源、保护环境的角度出发，许多国家对矿渣在胶凝材料上的应用开展了大量的研究，矿渣的活性激发是研究矿渣综合利用所必须解决的一个重要课题[1-2].

楼国权等[3]通过将NaOH、Ca(OH)2和Na2SO4分别进行单掺和复掺，研究了激发剂对粉煤灰-水泥-水胶凝体系pH值的影响，得出当激发剂复掺时初始pH值都高于它们各自单掺时的pH值的结论.当两种或两种以上的激发剂复合使用时，随着碱激发剂种类和掺量的变化，碱矿渣水泥和混凝土的凝结特性也会随之改变[4].杨凡[5]通过试验得出：将NaCl、Na2SO4、Ca (OH)2作为复合激发剂能够明显提高矿渣水泥的早期强度，后期强度也能有一定程度的提高.王培铭等[6]研究发现“水玻璃-碳酸钾-氢氧化钠”复合激发剂，在使矿渣胶凝材料具有合理凝结时间的同时，其力学性能也得到提高.NaOH和Na2CO3复合后，会比以其中任何一种单一激发剂制备的碱激发矿渣砂浆的强度高[7].可见，采用两种或两种以上激发剂对矿渣进行复合激发，可能获得比以其中任何一种单一类型激发剂更好的效果.

目前，对Na2SO4和NaOH复掺以及Na2SO4和Na2SiO3复掺作为复合激发剂来激发矿渣的研究较少.因此，分别研究Na2SO4和NaOH复掺以及Na2SO4和Na2SiO3复掺对碱矿渣砂浆抗压强度的影响，并与单掺Na2SO4时的碱矿渣砂浆抗压强度进行比较，得出一种较理想的复合激发剂碱矿渣水泥配方.

1 试验

1.1 试验原料

1.1.1 水泥

采用福建炼石水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(42.5R).水泥的主要矿物组成见表1，主要物理、力学性能指标见表2.

表1 水泥的主要矿物质量分数

Tab.1 Main mineral compositions of portland cement

矿物C3SC2SC3ASO3C4AFw/%55.619.67.52.19.3

表2 水泥的主要物理、力学性能指标Tab.2 Main physical and mechanical properties of portland cement

1.1.2 细骨料

采用闽江河砂.根据标准《建设用砂(GB/T 14684-2011)》[8]测得细骨料的各项技术指标如表3所示，颗粒的级配如表4所示.

表3 细骨料的各项技术指标Tab.3 Property of fine aggregate

表4 细骨料的级配(分计筛余)Tab.4 Gradation of fine aggregate (residue on each sieve)

1.1.3 矿渣

采用的矿渣为泰宇混凝土厂提供，其主要矿物质量分数如表5所示.

表5 矿渣的主要矿物组成 Tab.5 Main mineral compositions of slag

1.1.4 碱激发剂

NaOH、Ca(OH)2均由北京康普汇维科技有限公司生产，为颗粒状，纯度为99%.Na2SO4为上海埃彼化学试剂有限公司生产的无水硫酸钠，为颗粒状，纯度为99%.Na2SiO3为液体水玻璃，Na2SiO3固体含量为33.7%，模数为3.3.模数按文献[9]所述方法用NaOH调整为1.2，调整后Na2SiO3固体含量为39.1%.

1.1.5 拌合用水

本试验所用水为福州地区的自来水, 加热至60 ℃.

1.2 配合比

本试验碱矿渣砂浆配合比及碱矿渣水泥各组分的质量分数如表6所示.其中，碱矿渣水泥由普通硅酸盐水泥、Na2SO4、NaOH、Na2SiO3和矿渣组成.表6中的Na2SiO3是指模数为1.2的液体水玻璃.

表6 碱矿渣砂浆配合比及碱矿渣水泥各组分质量百分比Tab.6 Mix proportions of AASM and mass fractions of each component of AASC

1.3 试验方法

1.3.1 砂浆的搅拌制度

砂浆的搅拌制度主要参照《水泥胶砂强度检验方法(GB/T 17671-1999)》[10]，具体步骤如下：

将胶凝材料的干料(水泥和矿渣)倒入搅拌锅低速搅拌180 s.由于Na2SO4在冷水中的溶解度较低，所以把化学药品(Na2SO4、NaOH、Na2SiO3)溶入60 ℃的水中；将溶有化学药品的溶液加入搅拌锅中与胶凝材料的干料混合并低速搅拌30 s；在第二个30 s开始的同时均匀地将砂子加入，把砂浆搅拌机转至高速再拌30 s；停拌90 s，在第1个15 s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中间，在高速下继续搅拌60 s.

砂浆流动度测定方法参照《水泥胶砂流动度测定方法(GB/T 2419-2005)》[11].模具采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体型模具.试验中所有试件均采用自然养护，即在温度为(20±2)℃，相对湿度70%以下的条件下养护.砂浆抗压强度检验方法参照《水泥胶砂强度检验方法(GB/T 17671-1999)》[10].分别检验砂浆3、7、14、28 d的抗压强度.

2 试验结果

图1 Na2SO4掺量对碱矿渣砂浆抗压强度影响Fig.1 Effect of Na2SO4 content on the compression strength of AASM

2.1 单掺Na2SO4对碱矿渣砂浆抗压强度的影响

不同Na2SO4掺量对碱矿渣砂浆抗压强度影响的试验结果如图1所示.

由图1可知，在相同龄期时，碱矿渣砂浆的抗压强度随Na2SO4掺量的增加而增大.当Na2SO4掺量为10%时(NS4)，7、28 d抗压强度分别为30.0和46.0 MPa，较Na2SO4掺量为5%时(JZ)分别提高了28%和38%.此外，随着Na2SO4掺量的增加，流动度仅有略微的增加，测得的各组砂浆流动度均在260～280 mm之间.

2.2 复掺Na2SO4和NaOH对碱矿渣砂浆抗压强度的影响

当Na2SO4掺量为5%时，复掺不同掺量的NaOH对碱矿渣砂浆抗压强度影响的试验结果如图2所示.从图2可以看出，将Na2SO4掺量固定为5%.当NaOH的掺量为0%～1.5%时，碱矿渣砂浆的抗压强度随着NaOH的掺量增大而降低.当NaOH的掺量为1.5%时(NH3)，各龄期抗压强度均达到最低，其中28 d抗压强度仅25.1 MPa.当NaOH的掺量为1.5%～5%时，其抗压强度随着NaOH的掺量增大而提高.当NaOH的掺量为5%时(NH10)，28 d抗压强度为44.0 MPa.此外，随着NaOH掺量的增加，流动度仅有略微的增加，测得的各组砂浆流动度均在260～280 mm之间.

2.3 复掺Na2SO4和Na2SiO3对碱矿渣砂浆抗压强度的影响

当Na2SO4掺量为5%时，复掺不同掺量的Na2SiO3对碱矿渣砂浆抗压强度影响的试验结果如图3所示.从图3可以看出，将Na2SO4掺量固定为5%.随着Na2SiO3掺量的增加，碱矿渣砂浆的抗压强度逐渐提高.与不掺Na2SiO3的基准组(JZ)相比，Na2SiO3掺量为2.5%时(NSI1)，砂浆28 d抗压强度提高了62%，而流动度仅降低2%.但是，当Na2SiO3的掺量从2.5%增大到7.5%时(NSI3)，其28 d抗压强度仅提高约8%，而流动度降低约30%.

图2 NaOH掺量对碱矿渣砂浆抗压强度影响 Fig.2 Effect of NaOH content on the compression strength of AASM

图3 Na2SiO3掺量对碱矿渣砂浆抗压强度影响Fig.3 Effect of Na2SiO3 content on the compression strength of AASM

3 分析与讨论

3.1 最佳配方

根据上述试验结果，可以得到一种较理想的碱矿渣水泥配方，即普通硅酸盐水泥 ∶Na2SO4∶矿渣∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.所配制砂浆(最佳碱矿渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗压强度达到53.7 MPa(NSI1组).

3.2 激发剂的影响机理

3.2.1 单掺Na2SO4对碱矿渣砂浆抗压强度的影响机理

(1)

随着Na2SO4掺量的增加，生成的NaOH量增加，使得矿渣反应更加充分，水化产物增加，从而提高了碱矿渣砂浆的抗压强度(见图1).

3.2.2 复掺Na2SO4和NaOH对碱矿渣砂浆抗压强度的影响机理

水泥水化生成Ca(OH)2.60℃时，Ca(OH)2的溶解度仅为每100 g水溶解0.116 g[13].加入NaOH后，由于高碱环境，抑制Ca(OH)2的生成，从而抑制了水泥的水化，减少了C-S-H等水化产物，故降低了其抗压强度.当NaOH掺量继续增大，超过1.5%后，在抑制普通硅酸盐水泥水化反应的同时，NaOH自身提供的碱环境足够矿渣进行水化反应.普通硅酸盐水泥水化反应产生的碱环境已经不再处于主导地位，矿渣主要由掺入的NaOH进行激发，水化产物增多，砂浆的抗压强度提高.但是，当激发剂为5%Na2SO4+5%NaOH时(NH10)(激发剂总掺量为10%)，28 d抗压强度也仅达到44.0 MPa(见图2)，略低于单掺10% Na2SO4时(NS4)的28 d抗压强度46.0 MPa(见图1).因此，采用Na2SO4和NaOH作为复合激发剂，与单独采用Na2SO4作为激发剂相比，碱矿渣砂浆抗压强度略低.

3.2.3 复掺Na2SO4和Na2SiO3对碱矿渣砂浆抗压强度的影响机理

当激发剂为5%Na2SO4+2.5%Na2SiO3时(NSI1)(激发剂总掺量为7.5%)，碱矿渣砂浆的28 d抗压强度达到53.7 MPa(见图3)，高于单掺10% Na2SO4时(NS4)碱矿渣砂浆的28 d抗压强度46.0 MPa(见图1)，也高于激发剂为5%Na2SO4+5%NaOH时(NH10)碱矿渣砂浆的28 d抗压强度44.0 MPa(见图2).因此，5%Na2SO4+2.5%Na2SiO3时(NSI1)为最优配合比.

4 结论

1) 与单独采用Na2SO4作为激发剂时的碱矿渣砂浆抗压强度相比，采用NaOH和Na2SO4作为复合激发剂，碱矿渣砂浆抗压强度略低；采用Na2SiO3和Na2SO4作为复合激发剂，碱矿渣砂浆抗压强度有明显的提高.但 Na2SiO3掺量不宜超过2.5%.

2) 发现一种较理想的碱矿渣水泥配方，即普通硅酸盐水泥 ∶Na2SO4∶矿渣 ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.所配制砂浆(最佳碱矿渣水泥 ∶砂 ∶水=492 ∶522 ∶168)的28 d抗压强度达到53.7MPa.

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[2] 张西玲，姚爱玲.石灰对矿渣胶凝材料强度的影响[J].硅酸盐通报，2007，26(1):87-91.

[3] 楼国权，王莉.化学激发剂对水泥胶凝体系 pH 值的影响[J].道路工程，2012，86 (2):78-81.

[4] 史才军，克里文科，罗伊，等.碱-激发水泥和混凝土[M].北京:化学工业出版社，2008:100-101.

[5] 杨凡.不同激发剂对矿渣水泥强度的影响[J].铁道技术监督，2010，38(10):18-21.

[6] 王培铭，金左培，张永明.碱矿渣胶凝材料复合激发剂的研究[J].新型建筑材料，2005(8):32-34.

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[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.建设用砂:GB/T 14684-2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

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[11] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.水泥胶砂流动度测定方法：GB/T 2419-2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

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[13] 时钧，霍子莹，李海鹰.化学基础[M].2版.北京：化学工业出版社，2008：623.

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(责任编辑：林晓)

Effect of alkali-activator on compression strength of alkali-activated slag cement mortar

ZHENG Dengdeng，JI Tao，WANG Canqiang，ZHENG Wenyuan，CHENG Kejia，LIN Xujian

(College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

The effect of alkali-activators(Na2SO4、Na2SO4+NaOH、Na2SO4+Na2SiO3)on the compression strength of alkali-activated slag cement mortar(AASM) was investigated.The study shows that，compared with the compression strength of AASM which is activated by Na2SO4, the compression strength of AASM which is activated by compound activators with Na2SO4and NaOH is a bit lower, while the compression strength of AASM which is activated by compound activators with Na2SO4and Na2SiO3is evidently increased.But the content of Na2SiO3should be less than 2.5%.The results of the comparing tests show that the optimal mix proportion of alkali-activated slag cement(AASC), is ordinary portland cement ∶Na2SO4∶slag ∶Na2SiO3=10% ∶5% ∶85% ∶2.5%.The 28 d compression strength of the AASM with the mix proportion of the optimal AASC ∶sand ∶water=492 ∶522 ∶168 can achieve 53.7 MPa.

alkali-activator；alkali-activated slag cement mortar；compression strength

2015-09-23

季韬(1972-)，教授，主要从事高性能混凝土研究，jt72@163.com

国家自然科学基金资助项目(51479036)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0593

1000-2243(2016)04-0593-05

TU502.6

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