碱激发矿渣混凝土制备与性能研究

张冬原，丁丽芳，张思雨

（河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景

矿渣是在高炉炼铁过程中产生的副产品，主要化学成分有 SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO 等氧化物及少量硫化物，基本上与水泥的化学成分相同，尤其在 CaO含量较多的碱性矿渣中还含有硅酸二钙等成分，这使得矿渣本身就具有微弱的水硬性。碱激发矿渣混凝土具有比普通硅酸盐混凝土更快的凝结时间，能加快工程实施的进度。矿渣作为混凝土的主要原料，来源广泛、价格便宜，能降低生产成本。使用碱激发剂对矿渣活性进行激发，大大提高了对矿渣价值的利用程度，并且省去了普通硅酸盐水泥生产过程中的熟料处理步骤，节省了大量的能源，契合当今世界绿色环保节能生产的主题。因此本文对碱激发矿渣胶凝材料的制备及其性能进行了研究。

2 试验方法及原材料

2.1 试验方法

激发剂种类众多，通过查阅相关文献资料并考虑实际情况，选择水玻璃溶液作为激发剂。

（1）以矿粉代替水泥进行胶砂试验，采用模数为2.0、1.5、1.2、1.0、0.8 的水玻璃分别以 10%、12%、14% 的比例掺入其中，之后进行无水养护，并对各组胶砂试块进行 7d、28d 抗压、抗折强度测试，通过强度对比确定水玻璃模数及最佳掺量。

（2）选用上述胶砂试验确定的水玻璃模数及最佳掺量设计配合比，进行混凝土试配及试验，并测试其性能，分析数据，进行验证。

2.2 原材料

（1）矿渣：选用保定乾华建材 S95 级矿粉，主要性能指标见表1。

（2）水玻璃：模数 3.3，玻美度为 40，氧化钠含量 8.8%，SiO2含量为 28.15%。

（3）NaOH：选用的 NaOH 试剂含量不少于96.0%。

（4）砂子：选用满城河砂，属于Ⅱ区，级配良好，其各项指标性能见表2。

表1 矿粉基本性能

表2 砂子的性能指标

（5）石子：使用 2.5～25mm 连续级配碎石。

（6）水：饮用水。

3 试验数据及分析

3.1 不同模数及掺量的水玻璃对矿渣胶砂试块抗压、抗折强度的影响

以不同模数的水玻璃进行 5 组胶砂试验，保持其他条件不变，对各组胶砂试块进行 7d、28d 抗压、抗折强度测试。试验数据见表3。

由表3 可以看出：在同组试验中，随着水玻璃掺量的提高，胶砂试块的 7d、28d 强度均增高；模数为 2.0时，水玻璃掺量的提升对胶砂试块强度的增长作用不大；水玻璃模数为 1.5、1.2、1.0、0.8 时，胶砂的 7d、28d 强度普遍较高；水玻璃模数为 1.0、掺量 14% 时，试块的 7d 抗折强度最高；水玻璃模数为 1.5、掺量 14%时，试块的 28d 抗折强度最高；0 组试块不掺入水玻璃，养护后试块松散几乎无强度。

选取掺量 14% 时的各组抗压数据进行对比见图1。

由图1 看出：当掺量为 14% 时，模数 1.5、1.2、1.0、0.8 的水玻璃对胶砂试块 7d、28d 抗压强度的提升作用差别不大；模数为 1.5、1.2、1.0 时激发效果较好，但根据已有条件并不能确定哪种模数更合适，考虑试块强度是否还会继续随着水玻璃掺量的提升而大幅增高，增设一组试验，将这四种模数的掺量提高到 16%，其他条件不变，进行试验，测试性能，试验数据见表4。

表3 水玻璃模数及掺量对胶砂试块强度的影响

图1 水玻璃模数对胶砂试块抗压强度的影响

由表4 可以看出：提升掺量到 16% 时，各模数胶砂试块 7d、28d 抗压抗折强度总体有所提升，但是模数为 0.8 的 19 号胶砂试块强度无明显提高。

综合表3 和表4 数据，对比不同掺量水玻璃对胶砂试块抗压强度的影响并作图，详见图2 和图3。

表4 16% 掺量的水玻璃对胶砂试块强度的影响

图2 水玻璃掺量对胶砂试块 7d 抗压强度的影响

图3 水玻璃掺量对胶砂试块 28d 抗压强度的影响

由图2 和图3 不难看出，将水玻璃掺量从 14% 增加到 16% 对于各模数胶砂试块的 7d 抗压强度的提升作用显著，而对 28d 抗压强度的影响不明显。

3.2 碱激发矿渣混凝土的配制及数据分析

结合上述数据并综合考虑决定：选用模数为 1.5、1.2、1.0 的水玻璃，以表5 配合比，分别以 8%、10%、12%、14%、16%、18%、20% 的水玻璃掺量进行碱激发矿渣混凝土试配及试验。其 7d 抗压试验数据见表6。

表5 碱激发矿渣混凝土配合比 kg/m3

表6 不同掺量各模数水玻璃的矿渣试块 7d 强度

图4 水玻璃掺量对混凝土试块 7d 抗压强度的影响

由图4 可看出：随着水玻璃掺量的增加，各模数的试块 7d 抗压强度总体呈现上升趋势；模数为 1.0 和 1.5的各掺量水玻璃混凝土的强度均呈上升曲线，通过比较可以得出，模数为 1.0 时，水玻璃对矿粉激发效果较好；模数为 1.0 的水玻璃在掺量 10% 时激发效果突变明显；而模数为 1.2 的曲线呈曲折上升趋势，考虑试块制备环节及试验环节，可能是制作时称量物料不准确、人工操作不规范或者存在偶然因素所致，后续需要安排试验进行验证。

4 结论

碱激发胶凝材料的强度受水玻璃模数及掺量的影响，水玻璃模数从 1.5 减少至 1.0，加入量为 12%、14%、16%、18%、20% 的混凝土 7d 强度分别增加为19.1%、35.8%、46.3%、31.6%、9.3%，这说明低模数高掺量的水玻璃对矿粉的激发效果比较好，但是要控制在一定范围内。

碱激发矿渣材料混凝土具有硬化快、早期强度高、后期强度稳步增长、水化热低、耐久性强等优点，是“绿色建材”的重要内容之一，具有十分重要的意义和价值。