修补用碱矿渣胶凝材料的性能研究

王 戈

(重庆交通大学 材料科学与工程学院 重庆 400000)

修补用碱矿渣胶凝材料的性能研究

王 戈

(重庆交通大学 材料科学与工程学院 重庆 400000)

根据快速修补材料的技术指标，对比分析了碱矿渣胶凝材料的优缺点，对碱矿渣胶凝材料应用于快速修补材料提出分析。根据历年来各个专家学者的研究成果针对碱矿渣胶凝材料的激发剂、缓凝剂及干缩性能进行研究，使得碱矿渣胶凝材料的性能得到了改善，但这些外加剂对其强度仍然存在一定的影响，因此，要想把碱矿渣胶凝材料在快速修补材料上进行广泛的运用，还需要做进一步的研究。

修补；碱矿渣胶凝；性能研究

引言

随着随着经济的发展，近年来道路上交通量也在迅速增长,车速也在不断提高，这些都对现今的道路桥梁建筑材料提出了更高的要求，而我国许多省市修建了大量的水泥混凝土路面和大跨径桥梁，以适应交通运输业的发展。但是随着水泥混凝土材料使用量的逐年增加,问题也随之出现。这就对修补材料提出了高要求，而路面和桥梁修补材料需具备快硬高早强、收缩小、耐久性好、施工和易性好、具有一定粘性等要求。

碱激发胶凝材料是指，具有火山灰活性或潜在水硬性的材料与碱性激发剂反应而生成的水硬性材料，与普通水泥混凝土相比，具有水化热低、强度高、耐久性能优异等优势。20世纪80年代，国内开始对碱激发胶凝材料的研究，主要研究的是碱矿渣水泥，并且已经成功的制备出了碱矿渣、碱—矿渣—赤泥等胶凝材料[1]。

一、碱矿渣胶凝材料的优缺点

碱矿渣胶凝材料具有十分优异的物理力学性能和耐久性能。

(一)高强度

该材料28天抗压强度可达120MPa，而普通硅酸盐水泥很难达到。

(二)硬化快，早期强度高

碱矿渣胶凝材料根据激发剂的不同，1天的抗压强度可达20～50MPa，因此碱矿渣胶凝材料硬化速度较快和早期强度较高[2]。

(三)低水胶比

碱矿渣胶凝材料的标准稠度用水量比普通硅酸盐水泥标准稠度用水量要低8%左右[3]。而较低的水胶比能够大大提高材料内部结构致密度，从而增强混凝土材料的抗渗性能，保护材料的整体性。

这些特点和路面及桥梁修补材料的要求是相符合的。但通过大量的研究发现碱矿渣胶凝材料还存在凝结时间过快干缩较大等问题[4]，而这些缺陷使得碱矿渣胶凝材料在快速修补材料上的应用受到了限制。针对这些问题，国内外的专家学者也展开了一系列的研究。

二、碱矿渣胶凝材料激发剂的研究

夏婧[5]通过对比NaOH，Na2CO3，水玻璃三种碱对于碱矿渣胶凝材料激发效果的影响，水玻璃作碱激发剂时碱矿渣胶凝材料的强度最高，其次是氢氧化钠，而碳酸钠的强度最低。由于OH-离子数量的会在一定程度上影响到碱矿渣水泥水化反应的速度，而不同激发剂水解产生的OH-离子数量不同，所以说在碱矿渣水泥中，激发剂溶液pH值的提高会有助于提高矿渣的水化速度；但是在水玻璃作激发剂时，会有大量(SiO4)4-的引入，而这些离子能够迅速参与碱矿渣的水化反应，这样便能增加C-S-H凝胶的数量和聚合度。因此，激发剂为水玻璃的各龄期的碱矿渣水泥强度要高于碱组分为NaOH的。

姜奉华[6]通过研究对固体碱激发剂做了研究，他选用Na2CO3和长石粉混合制成玻璃态物质作为碱激发剂，但是通过实验发现它的早期强度偏低。

三、碱矿渣胶凝材料缓凝剂的研究

杨南如[7]等的实验结果表明氯化钡和硝酸钡作为碱-矿渣水泥缓凝物质时有很好的缓凝作用，且随着掺量的增加缓凝作用愈加明显。但氯化钡、硝酸钡作碱矿渣水泥缓凝物质对碱矿渣水泥的早期强度产生了一定的副作用。

焦宝祥[8]研究了磷酸盐、含钙材料对水玻璃激发矿渣水泥的凝结时间的影响。试验结果表明，在常规水玻璃掺量时，磷酸盐不产生缓凝作用，其原因是磷酸盐阴离子易与硅酸根离子产生氢键缔合作用，从而产生凝聚；而含钙材料与水玻璃快速反应生成的凝胶在矿渣表面形成一层凝胶体保护膜，阻止了系统中 OH-对矿渣活性的进一步激发，从而延缓了水化产物的大量产生，使系统的初凝时间延长。

Chang[7]的研究说明，磷酸的掺入对水玻璃激发的矿渣体系有好的缓凝作用。磷酸和 Ca2+ 反应生成低溶解性的 Ca3(PO4)2，降低了溶液中 Ca2+ 的浓度，则生成 C-S-H 凝胶的速度减慢。

四、碱矿渣胶凝材料干缩性能的研究

姜奉华[6]认为碱矿渣胶凝材料化学收缩要比硅酸盐水泥大，这是因为碱矿渣胶凝材料与水反应后，产物主要是C-S-H凝胶和沸石类，没有钙矾石和Ca(OH)2。

梅琳[8]发现以碱矿渣及硅酸盐水泥作为胶凝材料时，碱矿渣混凝土各龄期干缩值是硅酸盐混凝土的1.5～1.8倍。他们分别对ZY膨胀剂、明矾石和偏高岭土改善碱矿渣胶凝材料的干缩性能进行了研究，结果发现三种材料加入碱矿渣胶凝材料后均对其干缩性能有明显的改善，其中明矾石改善效果较为理想，偏高岭土次之，ZY膨胀剂效果最差。

五、有待进一步研究的问题

虽然之前的专家学者对碱矿渣胶凝材料做了一系列研究，但要想将其应用于混凝土修补材料方面，还有一些问题尚待解决。

(1)对于碱激发剂的研究大都只停留在液体激发剂的研究，对于固体激发剂来还需做进一步研究。因为使用固体激发剂，可将固体激发剂和矿渣共同粉磨，避免液体激发剂只能在施工现场调制，强碱对混凝土施工人员与设备有强烈的侵蚀作用等缺点[20]。

(2)对于碱矿渣胶凝材料缓凝的问题，目前的缓凝剂都对其强度发展存在影响。

(3)对于碱矿渣胶凝材料干缩的研究，目前的外加剂基本都能很好的改善其干缩性能，但大都存在对其强度发展产生不利影响的问题，因此对于碱矿渣胶凝材料膨胀剂成分的改善还需做进一步研究。

[1]蒲心成.碱矿渣水泥与混凝土[M]科学出版社,2010.

[2]吴其胜.碱矿渣水泥的研究与发展[J].中国建材科技,1999(l):1-4

[3]陈友治.碱矿渣水泥的理论基础[J].新世纪水泥导报,2000(5):10-12

[4]蒲心诚.高强混凝土与高强碱矿渣混凝土[J].粉煤灰.1994(06).

[5]夏婧.碱矿渣混凝土配合比设计研究[D].重庆大学.2013.5.

[6]姜奉华，碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究[D].西安：西安建筑科技大学，2008.

[7]杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础[J].硅酸盐学报,1996,24(2):209-215.

[8]焦宝祥.水玻璃-矿渣水泥的缓凝物质研究[J].化学建材,2002,(11):12-15.

[9]Chang J J.Effects of gypsum and phosphoric acid on the properties of sodium silicate-based alkali-activated slag pastes[J].Cement and Concrete Composites,2005,27(1):85-91.

[10]梅琳.碱矿渣混凝土干缩性能及改善措施研究[D].重庆大学,2010.4.9.

[11]李健康.新型碱矿渣水泥的研制[J].大连理工大学学报,2000,31(3):261-262.

王戈(1989.08-)，男，汉族，四川宜宾人，在读硕士就读于重庆交通大学材料科学与工程学院，研究方向：结构工程材料。