复掺激发剂对无水泥砂浆性能的影响

张海龙 裴长春*

(延边大学工学院，吉林延吉 133002)

0 引言

近年来，为了降低水泥生产带来的资源浪费及环境污染，国内外对大掺量矿物掺合料混凝土的研究较多，集中研究矿物掺合料对水泥混凝土性能的影响。而对矿物掺合料全部取代水泥作为胶凝材料的混凝土性能研究较少。粉煤灰、矿渣等工业废弃物作为胶凝材料拌制混凝土，因其处于弱碱(或无碱)环境，矿渣表面的钝化薄膜无法打碎，水化速度缓慢，而粉煤灰无法进行火山灰反应，继而造成混凝土强度较低［1-3］。本文利用粉煤灰、高炉矿渣及生石灰作为胶凝材料配制无水泥砂浆，通过复掺碱性激发剂，并改变激发剂组合中各组分的掺量比例来为砂浆水化提供碱性环境，优化激发剂组合，为今后对无水泥混凝土的进一步研究提供技术参考。

1 试验方案设计及方法

1.1 试验方案设计

试验采用水胶比为0.4，胶砂比为1∶3。以胶凝材料中所占百分比计，粉状高效减水剂掺量为0.9%，作为砂浆胶凝材料的粉煤灰、高炉矿渣及生石灰分别占47.5%，47.5%和5%，碱性激发剂总掺量为7.5%。通过改变激发剂的组合类型配制11组无水泥砂浆，并配制1组普通硅酸盐水泥砂浆作为对照组。砂浆配合比设计详见表1。

表1 砂浆配合比设计 kg

1.2 材料来源

本试验采用的水泥为强度等级42.5的庙岭牌普通硅酸盐水泥(密度为3 115 kg/m3)，矿渣为山东省济南市历城区荣兴达有限公司生产(密度为2 890 kg/m3)，粉煤灰为吉林省延吉市电力公司生产(密度为2 200 kg/m3)，碱性激发剂NaOH，KOH和 Na2SiO3(质量分数依次为 96.0%，82.0%和95.0%)为普通实验室使用的化学药品，减水剂为淡黄色固体聚羧酸高效减水剂(密度为550 kg/m3)，实验用细骨料为中砂(密度为2 650 kg/m3)。

1.3 试验方法

试验选用UJZ-15型砂浆搅拌机拌制砂浆。首先将称量好的三种碱性激发剂(总质量占胶凝材料的7.5%)倒入称量好的水中(容器为塑料桶)，并且缓慢搅拌均匀，待用。将称量好的胶凝材料、砂、减水剂于砂浆搅拌机中干拌2 min，再将待用的激发剂溶液倒入搅拌机内，搅拌3 min。砂浆的表观密度按照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程测定。砂浆试块成型以后，放入HWX-L型电热鼓风干燥箱内60℃恒温养护24 h，拆模后放进SHBY-90B型标准养护箱内养护。不同龄期的砂浆抗折强度及抗压强度均按照GB/T 17671—2005水泥胶砂强度检测方法来测定。

2 试验结果与分析

2.1 砂浆表观密度

图1为不同激发剂组合的砂浆表观密度。由图可知，完全采用粉煤灰、高炉矿渣及生石灰作为胶凝材料的无水泥砂浆的表观密度值均大于OPC，且不受激发剂组合类型的改变而发生变化。这主要是因为粉煤灰中含有未燃尽的炭粒，其具有较高的吸水性，在浆体硬化过程中，这些炭粒充分提高了浆体的保水性，防止水分在浆体界面过渡区形成水囊，致使砂浆整体结构密实，表观密度较大［4］。

2.2 砂浆抗折强度

图2为不同激发剂组合的砂浆抗折强度。从图中可以看出，在不同龄期，N0S0K0(未掺入激发剂的无水泥砂浆)的抗折强度均明显低于OPC。这是因为其水化硬化所处的环境碱性低，导致水化过程缓慢，强度增长迟缓。而掺入碱性激发剂的无水泥砂浆抗折强度发展均较快，尤其是 N7.5S0K0，N5S0K2.5及 N2.5S0K5三种组合的无水泥砂浆在不同龄期抗折强度均明显高于OPC，且N7.5S0K0效果突出。龄期56 d时，OPC的抗折强度为6.45 MPa。未掺激发剂的 N0S0K0组为3.85 MPa，比 OPC降低40.3%，而N7.5S0K0的抗折强度为8.48 MPa，比OPC提高31.5%。这主要是因为在无水泥砂浆中加入碱性激发剂后，尤其是NaOH，KOH等强碱为砂浆水化硬化提供了较强的碱性环境，激发了粉煤灰及高炉矿渣的活性，水化反应加快。在3 d龄期内基本完成，后期增长缓慢。

图1 不同激发剂组合的砂浆表观密度

2.3 砂浆抗压强度

图3为不同激发剂组合的砂浆抗压强度。从图中可以看出，在不同龄期，N0S0K0的抗压强度值均明显低于OPC，且在龄期为28 d时，仅为OPC的45.5%。主要因为在低碱性环境中，粉煤灰的火山灰反应与高炉矿渣潜在的水硬性反应受阻［5］，使水泥浆体强度增长缓慢。而掺入碱性激发剂后，由于NaOH和KOH均属于强碱，而 Na2SiO3属弱碱盐，碱性较弱，所以 N7.5S0K0，N5S0K2.5及N2.5S0K5三种组合的无水泥砂浆抗压强度值均与OPC相当，甚至高于OPC。此外，在龄期28 d之前，随着龄期的增长，以上三种组合的砂浆强度值基本维持在40 MPa左右，增长缓慢。因为激发剂的强碱性使砂浆早期强度发展较快，在7 d之前基本完成。龄期为56 d时，OPC的抗压强度值为61.9 MPa。掺入 NaOH 7.5%的 N7.5S0K0 组为64.3 MPa，比 OPC 提高 3.9%，N5S0K2.5为 64.4 MPa，N2.5S0K5 为 59.4 MPa，比 OPC 降低4.0%。通过分析可知，以上三种组合激发剂对砂浆的抗压强度影响效果均与OPC相当。

3 结语

本文采用工业垃圾粉煤灰、高炉矿渣及少量生石灰全部取代水泥作为砂浆的胶凝材料，通过调整三种碱性激发剂(NaOH，KOH及Na2SiO3)的掺入比例，并控制总掺量，研究碱性激发剂的复掺对无水泥砂浆的表观密度及力学性能的影响，得到以下结论:

1)完全采用粉煤灰、高炉矿渣及生石灰作为胶凝材料的无水泥砂浆的表观密度值均大于OPC。

图3 不同激发剂组合的砂浆抗压强度

2)不同龄期的 N0S0K0抗折强度均明显低于 OPC，而N7.5S0K0，N5S0K2.5及 N2.5S0K5三种组合的无水泥砂浆均明显高于OPC，且N7.5S0K0效果最为明显。龄期56 d时，N7.5 S0K0的抗折强度比OPC提高31.5%。

3)不同龄期的N0S0K0抗压强度值均明显低于OPC，且在龄期为28 d时，仅为 OPC 的 45.5%。而 N7.5S0K0，N5S0K2.5及N2.5S0K5三种组合的无水泥砂浆抗压强度值均与OPC相当，甚至高于OPC。

由以上分析可以得知，综合考虑砂浆表观密度、抗折强度以及抗压强度，在本试验范围内，N7.5S0K0砂浆组合得到比较良好的性能。

［1］李尚洙.使用碱性激发剂无水泥环保无机复合体流动性及强度性能研究［J］.韩国建筑学会报，2010，26(5):67-74.

［2］张海龙，左展毓，方永青，等.粉煤灰和矿渣不同配合比对无水泥砂浆性能的影响［J］.延边大学学报(自然科学版)，2012，38(2):163-167.

［3］王晓博，裴长春.膨胀剂对无熟料混凝土力学收缩性能试验研究［J］.山西建筑，2015，41(4):110-112.

［4］施惠生，孙振平，邓 恺，等.混凝土外加剂技术大全［M］.北京:化学工业出版社，2013:221-224.

［5］李润城，李江弼，李尚洙，等.使用高炉矿渣及赤泥无水泥复合体流动性及强度性能研究［A］.2010年韩国建筑学会会议论文集［C］.2010.