矿渣微粉-糊精灰浆复合胶凝材料的试验研究

张 波

(陕西理工大学土木工程与建筑学院，汉中 723000)

0 引 言

矿渣是炼铁过程中产生的废渣，目前经粉磨的矿渣微粉主要作为水泥和混凝土掺合料，提高矿渣水泥和矿渣混凝土的技术性能[1-7]，应用技术比较成熟。此外，矿渣微粉的研究应用范围不断扩大，朱雪峰等[8]在3D玻璃纤维织物增强水泥基材料中掺加矿渣微粉，降低了碱度，进一步提高了试件的抗弯强度，改善了耐久性；蒋伟丽等[9]研究了用矿渣水泥作为注浆材料的不同龄期的最佳配比；范士锦等[10]用矿渣微粉等效替代7.5%的水泥对透水混凝土进行改性，得到满足孔隙率的最优抗压强度和较好的抗折强度；李晨等[11]在土壤中加入矿渣微粉与少量激发剂，提高了土壤的液塑限，改善了土壤的压实性、强度等；易耀林等[12]采用矿渣微粉提高软土固化效果等，矿渣微粉改善了材料性能，有广阔应用前景。

古建筑中常用糯米灰浆进行结构的建造，这些结构至今固若金汤，现代研究者通过仿生制备了糯米灰浆，在古建筑加固与修复的研究和应用中取得一定进展[13-18]，但是制备的糯米灰浆短期内强度较低，一般28 d抗压强度在2 MPa以下[18-21]，糯米主要成分是支链淀粉，是树枝形大分子结构，但吸引力大的立体网络结构将石灰中氢氧化钙包裹，阻碍了氢氧化钙与CO2的反应进程[22]。为了提高传统材料的前期强度，本文用矿渣微粉代替一部分石灰，用主要成分是直链淀粉的糊精代替糯米，制备矿渣微粉-糊精灰浆胶凝材料，并对其强度和耐水性能进行试验研究，期望为该传统技术的传承和发展提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

试验采用市售材料，矿渣微粉：汉中汉钢新型建材有限公司，型号S95，具体性能见表1；石灰：Ca(OH)2含量大于99%，分析纯，天津市化学试剂研究所生产；标准砂：中国ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司生产；硅酸钠：分子式Na2SiO3·9H2O，Na2O与SiO2含量之比为1.03±0.03，天津市福晨化学试剂厂生产；糊精：生化试剂，天津市百世化工有限公司生产。

表1 矿渣微粉性能Table 1 Property of slag powder

1.2 试验设计

考虑糊精浓度、矿渣微粉替代率、激发剂和砂含量的影响，设计了12系列共36组试验，其中1、4、7和10系列为对比样。每系列中糊精浓度不同，其它材料组成相同。试验系列和编号见表2。试验编号中D代表糊精，第一个S表示用矿渣微粉替代部分石灰，第二个S表示添加硅酸钠激发剂，后面第1个数字1、2和3分别表示糊精浓度为8%、12%和16%，第二个数字-1和-2表示矿渣微粉替代率为25%和35%，第三个数字-1表示砂含量为900 g。

表2 试验设计Table 2 Experiment design

1.3 试验方法

首先将糊精和水按质量比为1∶(5.3～11.5)混合加热，并保持温度80 ℃待充分溶解糊化制备8%、12%和16%浓度的糊精乳液，再同其它材料混合。

胶凝材料抗压和抗折强度按《水泥胶砂强度检验方法》(ISO)(GB/T 17671—1999)要求，每一编号制备40 mm×40 mm×160 mm三联试样三组，分别测定28 d、90 d的强度和耐水性能。试样在温度20 ℃、相对湿度90%条件下养护后脱模，用NYL-300型压力试验机(精度等级1级)和DKZ-5000型电动抗折试验机进行力学性能试验，将试样浸泡在水里，记录试样开始崩解的时间，进行耐水试验。

2 结果与讨论

2.1 抗压和抗折强度

2.1.1 糊精浓度对强度的影响

不同糊精浓度下试样强度如图1所示，发现抗折强度均高于对比样。由图1(a)可知，无激发剂且砂含量为1 350 g时，随糊精浓度的增加，同一系列28 d和90 d抗压强度先增加后减小，糊精浓度为8%时28 d抗压强度高于对比样，其余抗压强度均小于对比试样，尤其90 d抗压强度。

由图1(b)可知，有激发剂且砂含量为1 350 g时，随糊精浓度的增加，同一系列抗压强度均持续增长，90 d抗折和抗压强度增加较多；糊精浓度为8%和12%时抗压强度低于对比样，糊精浓度为16%时90 d抗压强度大于对比试样。

如图1(c)，当无激发剂且砂含量为900 g时，随糊精浓度的增加，同一系列28 d抗压强度先增加后减小，其值高于对比样强度，当糊精浓度为12%和16%时，90 d抗压强度持续增长，强度大于对比试样，糊精浓度为16%时90 d抗压强度低于12%时试样强度。

如图1(d)，有激发剂且砂含量为900 g时，抗压强度大于对比试样，糊精浓度为12%和16%时，90 d抗压强度提高较大。综上所述，无激发剂时糊精浓度大时会包裹胶凝颗粒阻碍凝结固化，而加入激发剂加快了凝结固化，此时糊精浓度越大强度越高。

图1 不同糊精浓度时试样抗压强度(CS)和抗折强度(RS)Fig.1 Compression strength (CS) and rupture strength (RS) of specimens with different dextrin concentration

2.1.2 矿渣微粉替代率和激发剂对强度的影响

同一糊精浓度下不同矿渣微粉替代率的试样强度曲线如图2所示，发现矿渣微粉替代石灰后，抗折强度比对比试样均有提高，矿粉替代率为35%的28 d抗压强度高于25%的，当砂含量为900 g时的强度高于砂含量为1 350 g试样的，砂含量为900 g时的强度高于对比样的；加入激发剂，明显提高了抗压强度；当砂含量为900 g时，28 d抗压强度随糊精浓度的增加而增加，有激发剂时矿粉替代率为35%的90 d抗压强度比25%的低。可见，提高矿渣微粉替代率，增加了潜在活性胶凝材料的含量，强度基本增加，但随着糊精浓度提高，在激发剂下生成较多的水化产物交叉搭接，加上高浓度糊精的凝结，会形成一层膜阻碍后期凝结固化的进行，降低了90 d强度提高幅度，同时表明各个因素之间相互影响。

图2 不同矿渣微粉替代率时试样抗压强度和抗折强度Fig.2 Compression strength and rupture strength of specimens with different slag powder replacement rates

2.1.3 砂含量对强度的影响

由上述分析发现矿渣微粉替代率为35%时，整体强度较高，故只分析此时砂含量对强度的影响，见图3。由图可见砂含量为900 g时试样强度均高于砂含量为1 350 g试样的，减少试样中砂的含量，即增加了石灰和矿渣微粉总含量，故强度可明显提高，抗压强度增加幅度大于抗折强度，90 d抗压强度比28 d的增幅大，有激发剂时随着糊精浓度的增加强度进一步提高。

图3 不同砂含量时试样抗压强度和抗折强度Fig.3 Compression strength and rupture strength of specimens with different sand content

综上分析，添加激发剂，减少砂含量，提高了胶凝材料强度；有激发剂且砂含量为1 350 g，糊精浓度为16%时提高了90 d抗压强度，且矿渣微粉替代率为25%的90 d抗压强度高于35%的；有激发剂且砂含量为900 g时，均提高了抗压强度，矿渣微粉替代率为35%时28 d抗压强度较高，矿渣微粉替代率为25%时90 d抗压强度提高较多，且糊精浓度为12%的试样90 d抗压强度高于35%的。其中强度最大的是SS3-1-1组即矿渣微粉替代率为25%、糊精浓度为16%、砂含量为900 g并添加激发剂时其28 d抗折和抗压强度分别为0.62 MPa和3.95 MPa，90 d抗折和抗压强度分别为1.21 MPa和8.31 MPa。

2.2 耐水性能

每组试样耐水性能试验结果见表3。由表3可知有激发剂的复合胶凝材料耐水性能普遍比无激发剂的好，矿渣微粉替代率高的普遍比低的耐水性好，有激发时糊精浓度越高其耐水性越好，砂含量少的耐水性能较好，其中SS3-1-1组耐水性能达27 d。

表3 耐水性能试验结果Table 3 Results of water resistance

3 胶凝体系的反应机理探讨

石灰浆中的氢氧化钙从空气中吸收二氧化碳而凝结硬化，加入强度较好、渗透性强的糊精溶液，在调控碳酸钙晶核生成[22]的同时，其羟基可通过静电作用吸引Ca2+，加快了碳酸钙晶体成核与生长，但氢氧化钙的碳化过程比较缓慢故前期强度较低。用有活性的矿渣微粉替代部分石灰，并引入碱性激发剂，会得到以下结果。其一，部分石灰凝结固化；其二，矿渣微粉中含大量活性CaO、SiO2和Al2O3，在强碱和硅酸钠激发下生成水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙凝胶等；其三，加入的硅酸钠一部分与氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶，使该胶凝物质进行了多方位凝结硬化，加快了固化速度，多种水化产物在糊精参与下包裹连接，脱水缩聚，形成较致密的结构，从而提高其力学性能和耐水性能。

4 结 论

(1)添加硅酸钠激发剂和减少砂含量均可提高胶凝材料强度。

(2)有激发剂且砂含量为900 g时，均提高了抗压强度，且随糊精浓度的增加而提高，矿渣微粉替代率为35%时28 d抗压强度较高，矿渣微粉替代率为25%时90 d抗压强度提高显著，且糊精浓度为12%的试样90 d抗压强度高于35%的。

(3)糊精浓度为16%、矿粉替代率为25%、砂含量为900 g且有激发剂的复合胶凝材料强度最好，其28 d抗折和抗压强度分别为0.62 MPa和3.95 MPa，90 d抗折和抗压强度分别为1.21 MPa和8.31 MPa，该复合胶凝材料也具有较好的耐水性能。