碱激发矿渣混凝土干缩特性研究

卢光位，余政兵，傅博

（重庆建工第四建设有限责任公司，重庆400020）

碱激发矿渣混凝土干缩特性研究

卢光位，余政兵，傅博

（重庆建工第四建设有限责任公司，重庆400020）

该文研究了水胶比、激发剂种类、碱当量不同情况下的碱激发矿渣混凝土的干缩性能，并与普通硅酸盐水泥混凝土的干缩性能进行对比。结果表明：碱激发矿渣混凝土比普通硅酸盐水泥混凝土干缩大，其干缩率随水灰比的增大而减小；水玻璃激发的碱激发矿渣混凝土干缩率最大；随碱当量增大，碱激发矿渣混凝土的干缩逐渐增大；采用水玻璃作为激发剂，碱激发矿渣混凝土的干缩率随水玻璃模数的增大而增大。

碱激发矿渣混凝土；干燥收缩；干缩性能；激发剂；水玻璃模数；水灰比；强度；胶凝材料

碱激发矿渣水泥是以磨细的水淬高炉矿渣为固态分散相，配以一定的激发剂而组成的一类新型的胶凝材料[1]。碱激发矿渣水泥混凝土具有节能、利废、环保、高强以及良好的耐久性等优良性能[2]。目前，碱激发矿渣混凝土已经在多个国家得到应用[1]，但碱激发矿渣混凝土比普通混凝土大的收缩变形问题制约了碱激发矿渣混凝土的大范围推广和应用[3，4]。基于此，本文针对碱激发矿渣混凝土的早期收缩影响因素展开研究，并与普通硅酸盐水泥混凝土的干缩性能进行对比，探讨了不同配制参数对碱激发矿渣混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

（1）矿渣：重庆某钢铁集团生产的水淬高炉矿渣，比表面积为445m2/kg，密度为2.70g/cm3，碱性系数Mo=1.234，活性系数Ma=0.325。主要化学成分见表1。

表1 矿渣和水泥的化学成分（%）

（2）激发剂：采用重庆某化工厂生产的水玻璃作为激发剂，试验中水玻璃模数（以Na2O计）通过加入NaOH调至要求模数。其主要物理化学指标见表2。

表2 水玻璃物理化学指标

NaOH：四川德阳产工业用片碱，纯度为99%。

（3）水泥：拉法基P·O42.5R水泥。化学成分见表1。

（4）骨料：粗集料为5～20mm连续级配碎石，含泥量为0.8%，压碎值9.0%。细集料为河砂，细度模数为2.62，含泥量为1.3%。

（5）水：饮用水。

1.2 试验方法

干缩试验按国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GBT50082-2009进行。力学性能试验按国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002进行。

干缩试验过程为：常温条件下养护24h后将试件放置于相对湿度大于95%、温度为20±2℃的标养室进行标准养护，3d后测量试件长度，然后移入相对湿度为60±5%、温度20±2℃的干缩室内，测定固定龄期时试件长度。其中，干燥收缩性能实验采用尺寸为10.0cm× 10.0cm×51.5cm的棱柱体试件，力学性能实验采用10.0cm× 10.0cm×10.0cm的立方体试件。

1.3 配合比

试验针对碱激发矿渣混凝土配制特点，考虑了激发剂、水玻璃模数、水灰比三个配制参数对碱激发矿渣混凝土的干缩性能进行研究，试验配合比及强度见表3、表4。

表3 碱激发矿渣混凝土配合比及强度

表4 普通混凝土配合比及强度

2 试验结果及讨论

2.1 水胶比对碱激发矿渣混凝土干燥收缩性能的影响

水胶比对混凝土干燥收缩的影响显著。水胶比越低，混凝土中自由水分越少，水泥石产生的收缩也就越小，反之，干缩也就越大。试验中采用了0.35、0.40、0.45三组不同的水胶比来研究水胶比对碱激发矿渣混凝土干燥收缩性能的影响。其干缩性能见图1。

图1 水胶比对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响（S2-0.35，S8-0.4，S9-0.45）

图1显示，碱激发矿渣混凝土早期干缩随着水胶比的不断增大而减小，后期干缩明显增大，甚至超过了相同时期水胶比较小的混凝土。碱激发矿渣混凝土干缩在120d后趋于稳定。这一行为与普通硅酸盐水泥混凝土的干燥收缩随水胶比的变化规律相同。通常情况下，普通硅酸盐水泥水化有效用水量仅为拌合水量的23%，对于碱激发矿渣水泥来说，这一数字更低。由于水分蒸发引起的混凝土内部的毛细管压力对干缩性能影响显著。且水胶比增大，混凝土中自由水增多，这样形成大的毛细孔的几率增大，其干燥收缩的增长速度也会加快。因此碱激发矿渣混凝土水化中期的干燥收缩继续较快增长。高水灰比条件下，更多的自由水使得混凝土的孔隙增多，这也会导致混凝土干缩增大。试验中所测得的碱激发矿渣混凝土密度证明了碱激发矿渣混凝土的密度随着混凝土水灰比的增大而增大。试验结果表明当水灰比在0.35～0.45的范围内变化，混凝土的工作性能随着水灰比的增大而增大，而力学性能和干缩性能则随着水灰比的增大而下降。

2.2 激发剂对碱激发矿渣混凝土干燥收缩性能的影响

矿渣属于火山灰材料，单独使用的情况下强度很低。碱性激发剂是碱激发矿渣混凝土产生活性的动力源，通过加入碱性激发剂，可以促使矿渣中的活性成分水化并产生强度。激发剂的种类很多，采用不同的激发剂，所得到的碱激发矿渣水泥的水化过程、水化产物结构和组成存在较大差异，最终导致其干缩程度也不尽相同。由于激发剂种类繁多，不同激发剂有不同的配置参数，各种配置参数都会对最终的激发效果产生影响，因此激发剂对碱激发矿渣水泥干缩性能的影响十分复杂。一般情况下，激发剂的种类和碱当量的影响比较显著，如果采用水玻璃为激发剂的情况下，水玻璃模数对碱激发矿渣混凝土干燥收缩性能的影响也比较明显。

2.2.1 激发剂种类的影响

图2 激发剂种类对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响（S2-水玻璃，S8-氢氧化钠，S9-碳酸钠）

从图2中可以看出，水玻璃为激发剂的混凝土在60d前干缩值都要高于其他两种激发剂激发的混凝土。0～28d龄期，氢氧化钠激发的混凝土干缩最低，在28～60d，碳酸钠激发的混凝土干缩则最低。60d后，各类激发剂激发的混凝土干缩增速变缓，直到180d，干缩值从大到小依次为氢氧化钠为激发剂、水玻璃为激发剂和碳酸钠为激发剂的碱激发矿渣混凝土。

碱激发矿渣水泥中碱的浓度对碱激发矿渣水泥的水化反应速度影响显著。马保国等[5]研究认为，碱激发剂的主要作用是为碱激发矿渣水泥系统提供大量的OH-离子，这些离子能够破坏矿渣并发生水化反应，生成C-S-H凝胶。激发剂为碳酸钠的碱激发矿渣水泥碱度较低，产生的OH-离子数量较少，相应水化产生的水化产物C-S-H凝胶的数量也就较少。因此，碱激发剂为氢氧化钠的碱激发矿渣水泥各龄期强度要高于激发剂为碳酸钠和硫酸钠的。水玻璃溶液与其他碱性激发剂有所不同，除了为系统提供大量OH-离子以外，还能够为系统引入大量的活性(SiO4)4-离子，这些离子降低了C-S-H凝胶的Ca/Si比，提高凝胶的数量和聚合度，导致水玻璃为激发剂的碱激发矿渣水泥强度高于其他激发剂激发的碱矿渣水泥。

Karen等人研究发现[6-7]，碱激发矿渣水泥水化产物主要是无定形的C-S-H(I)型凝胶，氢氧化钠为激发剂的碱激发矿渣水泥水化产物的结晶度高于激发剂为水玻璃的。水化硅酸钙在干缩过程中，晶格间距会有所减小。氢氧化钠为激发剂的碱激发矿渣水泥水化产物的结晶度较高，其水泥石失水时引起晶格间距变化幅度较大，导致其干缩变形也相对会大些。

2.2.2 水玻璃模数的影响

水玻璃模数对碱激发矿渣混凝土的干缩具有非常显著的影响。

图3 水玻璃模数对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响（S1-1.0，S2-1.5，S3-2）

从图3中可以看出，碱激发矿渣混凝土的干缩率随水玻璃模数增大而增大，水玻璃模数为1.0、1.5、2.0的混凝土试件180d干缩率分别为556.3、651.8、904.9(×10-6)。碱掺量相同的条件下，采用不同模数的水玻璃作为碱性激发剂所引入的硅酸根以及氢氧根离子的数量也有所不同。水玻璃模数越大，溶液中Na2O与SiO2的比值也就越小，引入的硅酸根离子的数量也就越多[8]。C-S-H凝胶的数量和聚合度增加，碱激发矿渣水泥的抗压强度增加，但由于C-S-H凝胶聚合度增加导致工作性能下降，最终导致混凝土硬化过程中内部缺陷增加，干缩也随之增大。

2.2.3 碱当量的影响

碱当量对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响如图4所示。

图4 碱当量对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响（S2-4%，S8-5%，S9-6%）

结果表明碱当量从4%增大到5%，干缩增幅明显；当碱当量从5%增大到6%随碱当量增大，碱激发矿渣混凝土的干缩略有增加，这可能是由于碱当量从4%增大到5%时，反应速度快速增大，因此生成的凝胶孔以及其中产生的水化产物缺陷增大，进而导致干缩显著增加，而当碱当量从5%增大到6%，系统反应速度增加的并不明显，由此导致的缺陷也就相对较少，宏观表现就是强度增速放缓，干缩值增加的也并不明显。Cai等人[9]的研究表明：混凝土的干缩与其中孔径≤30nm的孔隙数量有关，小于30nm的孔隙越多，则干缩也就越大。A.A. Melo Neto通过对碱激发矿渣混凝土中的孔隙进行研究，发现碱激发矿渣混凝土中中孔所占的比例达到90～95%。激发剂碱当量的增大，恰恰使得碱激发矿渣水泥系统中中孔数量增加。因此随着碱当量的增大，碱激发矿渣混凝土的干缩也有所增大。

2.3 胶凝材料种类对混凝土干缩性能的影响

图5 胶凝材料种类对混凝土干缩性能的影响

从图5中可以看出，碱激发矿渣混凝土各龄期干缩率是普通硅酸盐水泥混凝土的1.5～1.8倍。碱激发矿渣混凝土与普通混凝土干缩方面的差异主要是由孔结构和凝胶体含量的不同引起的。碱激发矿渣混凝土的孔隙率通常要低于普通混凝土，碱激发矿渣混凝土内绝大多数为中孔，而普通硅酸盐水泥混凝土中中孔所占的比例仅为1/4～1/3，碱激发矿渣混凝土的这种孔结构特点导致其干燥收缩较大。随时间而变化的这种变形主要是凝胶中的固相和液相移动的结果。碱激发矿渣混凝土比普通混凝土含更多的凝胶体，所以碱激发矿渣混凝土的干缩比普通混凝土要大。

3 结论

（1）碱激发矿渣混凝土中孔所占比例大于普通混凝土，且碱激发矿渣混凝土凝胶体数量多于普通混凝土。这种孔结构以及凝胶体含量的差异导致碱激发矿渣混凝土的干燥收缩大于普通混凝土。（2）与普通混凝土相似，水灰比对碱激发矿渣混凝土干缩性能的影响显著，其干缩率随着水灰比的增大而持续增大。（3）不同激发剂激发的碱激发矿渣混凝土干缩性能影响不同。水玻璃激发的碱激发矿渣混凝土干缩率最大，其次为氢氧化钠，碳酸钠激发的碱激发矿渣混凝土干缩率最小；水玻璃模数在1～2范围内，碱激发矿渣混凝土的干缩随着模数、碱当量的增大而增大。

[1]蒲心诚.碱矿渣水泥与混凝土[M].北京：科学出版社，2010.

[2]史才军.碱-激发水泥和混凝土[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]T.Bakhareva，J.G.Sanjayana，Y.-B.Chengb Effect of elevated temperature curing on properties of alkali-activated slag concrete，Cement and Concrete Research[J].29 (1999):1619–1625.

[4]Frank Collins，Jay G.Sanjayan.Strength and shrinkage properties of alkali-activated slag concrete containing porous coarse aggregate Cement and Concrete Research [J].No.4，1999:607-610.

[5]马保国，朱洪波，董荣珍.AAS水泥性能及混凝土应用研究[J].武汉理工大学学报，2004，26(3):33-36.

[6]S.D.Wang，Karen L.Scrivener，Hydration Products of Alkali Activated Slag Cement，Cement and Concrete Research[J].3(1995):561-571.

[7]S.D.Wang，Karen L.Scrivener，Hydration 29Si and 27Al NMR study of alkali-activated slag，Cement and Concrete Research[J].33(2003):769-774.

[8]H.格里戈利耶夫.水玻璃[M].黄虹，译.北京：中国工业出版社，1965.

[9]CAI An-lan，HUANG Ying-xing et al.，Relationship Between the Microstructure，Composition and Drying Shrinkage of Cement Pastes，Journal of Materials Science &Engineering[J].8(2005)，574-577.

责任编辑：孙苏，李红

Study on Drying Shrinkage Characteristics of Alkali Activated Slag Concrete

The drying shrinkage characteristics of alkaliactivated slag concrete(AASC)is studied under differentwater cementratios,activators and alkaliequivalents and compared with thatof ordinary portland cementconcrete.The results show that AASC has better drying shrinkage performance than ordinary portland cementconcrete and its drying shrinkage ratio reduces with water cementratio increases,the drying shrinkage ratio of AASC activated by sodium silicate is the largest,the drying shrinkage steadily increases with the increase of alkali equivalentand the ratio increases with the increase of sodium silicate module if sodium silicate is used as the activator.

alkali activated slag concrete;drying shrinkage;drying shrinkage performance;activator;sodium silicate module;water cement ratio; strength;binding material

TU528.52

A

1671-9107（2013）05-0049-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.049

2013-04-11

卢光位（1962-），男，重庆人，本科，高级工程师，从事建筑施工技术及管理工作。

余政兵（1971-），男，重庆人，大专，高级工程师，一级建造师，总工程师，从事建筑施工技术研究。

傅博（1984-），男，陕西安康人，博士，从事新型水泥基材料研究。