堿激發膠凝材料的應用研究

(重慶交通大學材料科學與工程學院 重慶 400041)

引言

膠凝材料通常是指在物理、化學作用下，能從流動漿體硬化成堅硬的固體，同時能黏結其它填充材料，制成具有一定機械強度的物質。硅酸鹽水泥(P·I)、普通硅酸鹽水泥(P·O)的主要成分是硅酸鹽礦物，作為主要的無機膠凝材料之一，在膠凝材料中占有極其重要的地位。硅酸鹽水泥的成分與生態環境相互融合，是一種生態制品，但因傳統水泥工業生產技術、工藝設備等改進不足、管理落后，傳統水泥工業給社會發展和生活環境帶來了十分不利的影響。

一、堿激發膠凝材料的提出

堿激發膠凝材料是指具有火山灰性質或潛在水硬性質的原料(如礦渣、粉煤灰、鋼渣等)與堿性激發劑(如 NaOH、水玻璃、Na2CO3、Na2SO4等)反應制成的一類膠凝材料。堿激發膠凝材料的發展可追溯到上個世紀30年代，世界各國研究者開始進行廣泛、大量的探索。許多學者已總結出具有重大意義的研究理論，指導實際工程利用此類材料。堿激發膠凝材料的發展歷程如圖2-1。

圖2-1 堿激發膠凝材料的發展歷程

堿激發膠凝材料可使用的原材料范圍廣泛，也可以實現不同材料的復合選擇。目前，更多學者致力于堿激發復合膠凝材料的研究工作，嘗試堿激發劑的復合以及摻合料的復合使用，研制復合高效激發劑可以彌補單一激發劑激發效果的不足，而摻合料的復合使用可以實現在不降低膠凝材料性能的前提下，大量利用工業、農業廢渣，起到固廢再利用的效果。同時，不同品種的廢渣粉體細顆粒結合既可以起到填充密實漿體的作用，也可以在一定程度上改善砂漿、混凝土的工作性和硬化性能。

二、堿激發膠凝材料的研究與利用

堿礦渣膠凝材料是利用堿金屬化合物作為堿組分激發粒化高爐礦渣的活性，產生水化反應，從而制得的一種水硬性膠凝材料。粒化高爐礦渣為高爐煉鐵過程中產生的工業固廢，若不進行合理的再利用，對環境承受力存在較大隱患，未經磨細的礦渣粒如圖3-1所示。常見品種的礦渣化學成分主要為 CaO、SiO2、Al2O3、MgO，磨細至一定程度的礦渣顆粒具有較大的潛在水硬活性。關于礦渣在強堿環境下的活化機理，已有眾多學者提出合理的理論及模型。目前，學術界普遍認可的理論為激發劑中的強堿能破壞礦渣顆粒表面的Si-O-Si、A-O-Al、S-O-Al等共價鍵，以Si-O-Si為例，解體過程的反應如式(3-1)式(3-2)所示：

≡Si-O-Si≡OH-→≡Si-OH-≡Si-O

(3-1)

≡Si-OH+OH-≡Si-O+H2O

(3-2)

三、響應面法的研究與應用現狀

響應面法是一種從多因素體系中找出最優因素相關參數的方法，是數學方法和統計方法協同的典型。響應面法可以在所選取因素的初選范圍內利用設計方案，模擬多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程進行方差、顯著性等分析來尋求最優工藝參數。在建筑領域，目前國內外利用響應面法來優化因素分析的研究越來越多。常用的正交試驗設計方案，可以很好地解決多因素、多水平影響下的響應問題并指出優化方向，但由于正交設計是以線性模型為基礎的，當響應達到最優點附近需要進行細致的優化時，正交設計的缺點顯現出來，而響應面法(RSM)正好可以彌補這方面的不足。

研究結果表明，復合堿(鹽)組分中，NaOH對響應值膠凝材料強度的影響最為顯著，NaOH含量在1%時，激發效果最為理想，NaOH與CaO的交互作用高于NaOH與CaSO4的交互作用。

在堿激發膠凝材料的研究過程中運用響應面法，能較好的分析各項因素及因素之間的交互作用對膠凝材料性能的影響，實現優化設計。響應面法處理問題的基本步驟為：

(1)試驗因素的選擇及單因素最優值范圍的確定。

(2)響應面試驗設計方法常用的有中心復合設計Central Composite Design(CCD)和Box Behnken Design(BBD)。

(3)構建模型及檢驗

結論

本文研究了石灰石粉對堿激發礦渣水泥力學性能的影響。在此基礎上，利用響應面分析法確定堿激發組分膠凝材料組分的含量，并進行驗證。堿激發多組分膠凝材料早期水化迅速，產生了大量的水化產物，漿體早期強度高。隨著齡期的增加，水化產物數量不斷增多，漿體結構更加密實。國內外少有將礦渣、石灰石粉、玻璃粉復摻作為膠凝材料的研究，本文對堿激發多組分膠凝材料各項性能的研究仍然較少，除了力學性能和耐腐蝕性能外，膠凝材料的收縮性能、抗高低溫性能同樣需要細致的研究。