礦粉摻量對堿激發凝灰巖膠凝材料性能的影響

2021-10-28 02:08:24崔科旺郭宛垚

建材世界 2021年5期

崔科旺，韓越，郭宛垚

(蘭州大學土木工程與力學學院，蘭州 730000)

傳統的硅酸鹽水泥在生產和使用過程中有很多的問題，如大量消耗自然資源、排放大量的二氧化碳和粉塵，污染環境。隨著我國工業的高速發展，粉煤灰、高爐礦渣和鋼渣等固體廢棄物產量激增，但利用率較低，如果處理不當會造成嚴重的環境問題[1-3]。堿激發膠凝材料的出現很好地解決了這一問題，相較于傳統硅酸鹽水泥，堿激發膠凝材料具有能耗低、原材料來源廣泛、物理和化學性能優異等優點，是近年來綠色膠凝材料研究的熱點[4,5]。堿激發膠凝材料主要可以分為高鈣體系和低鈣體系兩大類，高鈣體系以礦渣為主要原料，生成的凝膠產物主要是低鈣硅比的水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)凝膠；低鈣體系的主要原料是偏高嶺土、低鈣粉煤灰等，生成的凝膠產物主要是具有三維網絡結構的無定形鋁硅酸鈉(N-A-S-H)凝膠[6]。大量的研究表明，向堿激發低鈣體系摻入一定量的高鈣物質后，會對堿激發膠凝材料的凝結時間[7,8]、早期強度發展[9]、高溫穩定性[7，10]等性能產生影響。Yip等研究發現，堿激發偏高嶺土的強度隨礦渣摻入量的增加先增加后減少，最優摻量為20%，原因是生成的C-S-H凝膠既連接了水化產物與未反應顆粒，又填充了微觀結構中的孔隙，從而提高了材料的強度[11]。

火山灰是由火山爆發時產生的粉碎巖石和玻璃小顆粒構成，擁有較高的化學活性。從地質學角度來講，火山灰顆粒可以膠結在一起形成凝灰巖，凝灰巖通過研磨，可以保留大部分的火山灰活性，具有良好的堿激發潛能。該研究以凝灰巖石粉為基礎原料，摻入一定量的GGBS，探究GGBS摻量對堿激發凝灰巖膠凝材料的凝結時間和力學性能的影響。

1 試驗

1.1 材料

粒化高爐礦渣微粉(GGBS)，使用符合GB/T203標準的粒化高爐礦渣粉，其平均粒徑為17.3 μm；凝灰巖石粉，產自甘肅天水地區凝灰巖粉磨而成，平均粒徑為17.5 μm。采用氮氣吸附法(BET)測得凝灰巖粉末和GGBS的比表面積分別為1 164.4 m2/kg和855.7 m2/kg；采用X線熒光光譜分析(XRF)對其進行氧化物成分分析，結果見表1。堿激發劑由氫氧化鈉溶液和硅酸鈉溶液組成，其中氫氧化鈉溶液濃度為7.5 mol/L，用量為150 mL；硅酸鈉溶液的濃度為1.64 mol/L，用量為20 mL。試驗中所使用的溶液均為分析純與去離子水配制而成。

表1 凝灰巖和礦粉的化學組成

1.2 樣品制備

激發劑制備：稱取75 g NaOH固體，緩慢加入盛有200 mL去離子水的燒杯中，邊加入邊不停攪拌，攪拌至溶質完全溶解。為減少NaOH溶液吸收空氣中的CO2，用保鮮膜密封，靜置，待燒杯中的NaOH溶液冷卻后，引流定容到250 mL容量瓶中，搖晃均勻后倒入一干凈燒杯中用保鮮膜密封備用；同理，配置Na2SiO3溶液。

試樣制備：用GGBS以不同摻量(0、5%、10%、20%、30%)等量取代凝灰巖粉，制作試樣，見表2。稱取凝灰巖粉和GGBS共500 g，把凝灰巖粉和GGBS放入NJ-160A水泥凈漿攪拌機中攪拌，用量筒稱取150 mL NaOH溶液，待凝灰巖粉和GGBS攪拌均勻后，將量筒中的NaOH溶液加入攪拌機，攪拌均勻后靜置5 min，加入20 mL Na2SiO3溶液，攪拌均勻，制成漿體。隨后將制成的漿體倒入邊長20 mm的立方體硅膠試模中，經過振動臺振實，而后用刮刀抹平試模表面，放入電熱鼓風干燥箱內高溫養護，在60 ℃條件下養護2 h，脫模，然后，把脫模后的試樣放入培養皿中密封，然后再放入烘箱內繼續養護至規定齡期。

表2 膠凝材料配合比設計

1.3 測試及分析方法

凝結時間測試：依據GB/T 1346—2011，采用維卡儀測試堿激發凝灰巖膠凝材料的凝結時間。試件放入電熱鼓風干燥箱內高溫養護，每隔5 min測定一次，當試針沉至距底板3～5 mm時，為達到初凝狀態，重復測定一次，當兩次測定結論相同時確定為達到初凝狀態。初凝時間測定后，立即將試模翻轉180°，直徑大端朝上放在底板上，再放入電熱鼓風干燥箱內繼續養護，每隔5 min測定一次，當試針沉入試件0.5 mm時，即環形附件開始不能在試件上留下痕跡時為達到了終凝狀態，重復測定一次，當兩次測定結論相同時確定為達到終凝狀態。

抗壓強度測試：將加入不同摻量礦粉制備的試樣養護3 d、7 d、14 d、28 d后，依據GB/T 50081—2002進行抗壓強度測試，每組三個試樣，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 凝結時間

圖1為不同GGBS摻量條件下堿激發凝灰巖膠凝材料漿體凝結時間的變化情況。由圖1可見，摻入GGBS對縮短堿激發凝灰巖膠凝材料漿體的凝結時間有很顯著的效果，相比于純凝灰巖，GGBS摻量為5%時初凝時間和終凝時間均有大幅度下降，且隨著GGBS摻量的增大，凝結時間也在不斷降低，最終在20%和30%替代比時達到最低并保持不變。

摻入GGBS后凝結時間明顯縮短的原因主要與Ca2+有關，Ca2+作為電荷平衡離子，相比于Na+，Ca2+擁有更強的靜電引力和電荷中和作用，Ca2+作用下硅鋁酸鹽聚合體凝膠會形成的更快，所以凝結時間會縮短[12]。

2.2 強度分析

圖2為堿激發凝灰巖膠凝材料試樣的抗壓強度隨GGBS摻量和養護齡期的變化規律。結果顯示，當養護齡期一定時，抗壓強度隨GGBS摻量的增加，先提高后降低，也就是說，在每個齡期都存在最佳GGBS摻量。7 d時最佳GGBS摻量為30%，其余齡期最佳GGBS摻量都為20%。由表3可知，凝灰巖-礦粉試樣3 d與28 d抗壓強度之比隨GGBS摻量的增大先升高再降低，在GGBS摻量為20%時達到最大值。結果表明，摻入GGBS顯著提高了堿激發凝灰巖膠凝材料的抗壓強度，且對于提高堿激發凝灰巖膠凝材料的早期強度也有顯著效果。GGBS摻量從20%增加到30%，除7 d外，其余齡期的抗壓強度均有所下降。所以，為提高堿激發凝灰巖膠凝材料的抗壓強度，最佳的GGBS摻量為20%，隨著礦粉摻量的繼續增大，試樣的抗壓強度會有所降低。