堿激發礦渣混凝土制備與性能研究

張冬原，丁麗芳，張思雨

（河北建設集團股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景

礦渣是在高爐煉鐵過程中產生的副產品，主要化學成分有 SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO 等氧化物及少量硫化物，基本上與水泥的化學成分相同，尤其在 CaO含量較多的堿性礦渣中還含有硅酸二鈣等成分，這使得礦渣本身就具有微弱的水硬性。堿激發礦渣混凝土具有比普通硅酸鹽混凝土更快的凝結時間，能加快工程實施的進度。礦渣作為混凝土的主要原料，來源廣泛、價格便宜，能降低生產成本。使用堿激發劑對礦渣活性進行激發，大大提高了對礦渣價值的利用程度，并且省去了普通硅酸鹽水泥生產過程中的熟料處理步驟，節省了大量的能源，契合當今世界綠色環保節能生產的主題。因此本文對堿激發礦渣膠凝材料的制備及其性能進行了研究。

2 試驗方法及原材料

2.1 試驗方法

激發劑種類眾多，通過查閱相關文獻資料并考慮實際情況，選擇水玻璃溶液作為激發劑。

（1）以礦粉代替水泥進行膠砂試驗，采用模數為2.0、1.5、1.2、1.0、0.8 的水玻璃分別以 10%、12%、14% 的比例摻入其中，之后進行無水養護，并對各組膠砂試塊進行 7d、28d 抗壓、抗折強度測試，通過強度對比確定水玻璃模數及最佳摻量。

（2）選用上述膠砂試驗確定的水玻璃模數及最佳摻量設計配合比，進行混凝土試配及試驗，并測試其性能，分析數據，進行驗證。

2.2 原材料

（1）礦渣：選用保定乾華建材 S95 級礦粉，主要性能指標見表1。

（2）水玻璃：模數 3.3，玻美度為 40，氧化鈉含量 8.8%，SiO2含量為 28.15%。

（3）NaOH：選用的 NaOH 試劑含量不少于96.0%。

（4）砂子：選用滿城河砂，屬于Ⅱ區，級配良好，其各項指標性能見表2。

表1 礦粉基本性能

表2 砂子的性能指標

（5）石子：使用 2.5～25mm 連續級配碎石。

（6）水：飲用水。

3 試驗數據及分析

3.1 不同模數及摻量的水玻璃對礦渣膠砂試塊抗壓、抗折強度的影響

以不同模數的水玻璃進行 5 組膠砂試驗，保持其他條件不變，對各組膠砂試塊進行 7d、28d 抗壓、抗折強度測試。試驗數據見表3。

由表3 可以看出：在同組試驗中，隨著水玻璃摻量的提高，膠砂試塊的 7d、28d 強度均增高；模數為 2.0時，水玻璃摻量的提升對膠砂試塊強度的增長作用不大；水玻璃模數為 1.5、1.2、1.0、0.8 時，膠砂的 7d、28d 強度普遍較高；水玻璃模數為 1.0、摻量 14% 時，試塊的 7d 抗折強度最高；水玻璃模數為 1.5、摻量 14%時，試塊的 28d 抗折強度最高；0 組試塊不摻入水玻璃，養護后試塊松散幾乎無強度。

選取摻量 14% 時的各組抗壓數據進行對比見圖1。

由圖1 看出：當摻量為 14% 時，模數 1.5、1.2、1.0、0.8 的水玻璃對膠砂試塊 7d、28d 抗壓強度的提升作用差別不大；模數為 1.5、1.2、1.0 時激發效果較好，但根據已有條件并不能確定哪種模數更合適，考慮試塊強度是否還會繼續隨著水玻璃摻量的提升而大幅增高，增設一組試驗，將這四種模數的摻量提高到 16%，其他條件不變，進行試驗，測試性能，試驗數據見表4。

表3 水玻璃模數及摻量對膠砂試塊強度的影響

圖1 水玻璃模數對膠砂試塊抗壓強度的影響

由表4 可以看出：提升摻量到 16% 時，各模數膠砂試塊 7d、28d 抗壓抗折強度總體有所提升，但是模數為 0.8 的 19 號膠砂試塊強度無明顯提高。

綜合表3 和表4 數據，對比不同摻量水玻璃對膠砂試塊抗壓強度的影響并作圖，詳見圖2 和圖3。

表4 16% 摻量的水玻璃對膠砂試塊強度的影響

圖2 水玻璃摻量對膠砂試塊 7d 抗壓強度的影響

圖3 水玻璃摻量對膠砂試塊 28d 抗壓強度的影響

由圖2 和圖3 不難看出，將水玻璃摻量從 14% 增加到 16% 對于各模數膠砂試塊的 7d 抗壓強度的提升作用顯著，而對 28d 抗壓強度的影響不明顯。

3.2 堿激發礦渣混凝土的配制及數據分析

結合上述數據并綜合考慮決定：選用模數為 1.5、1.2、1.0 的水玻璃，以表5 配合比，分別以 8%、10%、12%、14%、16%、18%、20% 的水玻璃摻量進行堿激發礦渣混凝土試配及試驗。其 7d 抗壓試驗數據見表6。

表5 堿激發礦渣混凝土配合比 kg/m3

表6 不同摻量各模數水玻璃的礦渣試塊 7d 強度

圖4 水玻璃摻量對混凝土試塊 7d 抗壓強度的影響

由圖4 可看出：隨著水玻璃摻量的增加，各模數的試塊 7d 抗壓強度總體呈現上升趨勢；模數為 1.0 和 1.5的各摻量水玻璃混凝土的強度均呈上升曲線，通過比較可以得出，模數為 1.0 時，水玻璃對礦粉激發效果較好；模數為 1.0 的水玻璃在摻量 10% 時激發效果突變明顯；而模數為 1.2 的曲線呈曲折上升趨勢，考慮試塊制備環節及試驗環節，可能是制作時稱量物料不準確、人工操作不規范或者存在偶然因素所致，后續需要安排試驗進行驗證。

4 結論

堿激發膠凝材料的強度受水玻璃模數及摻量的影響，水玻璃模數從 1.5 減少至 1.0，加入量為 12%、14%、16%、18%、20% 的混凝土 7d 強度分別增加為19.1%、35.8%、46.3%、31.6%、9.3%，這說明低模數高摻量的水玻璃對礦粉的激發效果比較好，但是要控制在一定范圍內。

堿激發礦渣材料混凝土具有硬化快、早期強度高、后期強度穩步增長、水化熱低、耐久性強等優點，是“綠色建材”的重要內容之一，具有十分重要的意義和價值。