不同碱激发剂对矿渣水泥性能的影响

■汤州龙

（福建南平路桥建设工程有限公司，南平 353000）

波特兰水泥一直以来都是建筑领域最常用的胶结料。 水泥生产是一项能源消耗性产业，同时水泥工业会释放出酸性气体及大量的二氧化碳（CO2），从而加剧温室效应。 近年来，由于人们加强了波特兰水泥生产过程对环境影响的关注，促使研究人员从良好的耐久性、环境兼容性和工业废物再利用方面寻找替代的粘合剂[1]。 而碱激发水泥和聚合物水泥被认为是波特兰水泥最合适的替代品。1940 年，Purdon[2]首次使用高炉矿渣和氢氧化钠生产碱矿渣水泥。 1978 年，Joseph Davidovits[3]将同样的技术应用于活性硅铝酸盐材料，并开发了聚合物水泥。 此后大量的学者专家开始探讨并进行碱激发水泥的研究。

碱激发水泥或聚合物水泥可通过将碱性材料如氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠和碳酸钠与合适的材料如高炉渣、偏高岭土、粉煤灰、天然火山灰及其混合物进行生产。 它们在生产过程中往往会减少能源的消耗，产生较少的温室气体（CO2），具备环境友好性，同时可以在其中添加工业废弃物，从而达到低能耗，低排放，可循环的优良生产。 然而目前市场存在的碱激发剂种类繁杂，且掺量不一，因此有必要定量研究分析常用的类型及掺量对矿渣水泥的影响规律。

本研究主要选取目前常用的NaOH、Na2CO3及水玻璃作为碱激发剂， 通过对比相同掺量下不同类型激发剂及激发剂不同掺量对矿渣净浆性能的影响， 评价3 种碱激发剂对矿渣净浆性能的影响规律。

1 原材料

碱激发矿渣水泥制备过程中不需要普通的硅酸盐水泥， 主要由碱激发剂和胶凝材料两部分组成， 其中碱激发剂为选用的3 种（NaOH、Na2CO3、水玻璃），胶凝材料为矿渣。

1.1 矿渣

试验选用的矿渣来源于河北张家口生产的矿渣， 主要成分及技术指标：SiO232.83%、Al2O317.34%、CaO 36.87%、Fe2O30.31%、K2O 0.36%、MgO 8.07%、Na2O 0.87%、SO31.58%、其他1.77%。在制备净浆过程中采用水灰比为0.45（水/矿渣）。

1.2 碱激发剂

碱激发剂分别为分析纯浓度的NaOH、Na2CO3及模数为1 的水玻璃，3 种材料均来源于天津市化工产品公司生产， 其中NaOH 为白色颗粒状，纯度≥95%；Na2CO3为粉末状，纯度为≥99.5%；水玻璃激发剂的主要成分为Na2O·nSiO2， 水玻璃模数为1.0。试验中选用的碱激发剂掺量依次为4%、6%、8%。

2 矿渣净浆性能

2.1 碱激发剂对矿渣净浆凝结时间的影响

碱激发剂的掺入能够有效缩短矿渣水泥的凝结时间， 这主要是由于碱激发剂中含有大量的OH-，在水泥水化过程中，一定的碱性环境能够为水泥水化提供足够的OH-从而快速形成C-S-H 凝胶，致使水泥快速凝结硬化形成具有一定强度的基体。碱激发剂采用内掺法，表1 为不同激发剂类型及掺量下的矿渣净浆凝结时间。 由表1 可知，尽管碱激发剂种类不同，但是凝结时间均随着掺量的增多而逐渐缩短，表明碱激发剂的添加能有效缩短矿渣净浆的凝结时间。 相同掺量下的缩短快慢存在一定的差异，3 种激发剂对凝结时间影响的顺序为水玻璃＞NaOH＞Na2O3。

表1 碱激发剂对矿渣净浆凝结时间的影响

2.2 碱激发剂对矿渣水净浆干燥收缩的影响

水泥的收缩性能主要包括化学收缩、自收缩与干燥收缩， 其中水泥在水化过程中由于会损失水分，因此会引起材料体积的干燥收缩。 之前的文献也对碱激发水泥的收缩性能进行了一定的研究。 郑娟荣等[4]发现与普通硅酸盐水泥相比，碱激发水泥的化学收缩约为其1/2。 Lee 等[5]通过研究发现碱激发水泥的自收缩与干燥收缩相对较大，28 d 时分别为普通硅酸盐水泥的3～4 倍和4～6 倍。本研究主要研究了碱激发矿渣水泥的7 d 和28 d 的干燥收缩性能，试验结果见表2。

由表2 可知，水玻璃掺量的增加会增加矿渣水泥净浆的自收缩率， 这可能是因为C-S-H 凝胶对干燥收缩性能的影响，之前的研究中表示，在一定条件下，Ca/Si（Ca 与Si 浓度比）越低，材料的自收缩越为明显。 因此水玻璃掺量的增加提高了溶液中Si的浓度，导致Ca/Si 降低，材料的自收缩更为明显[5]。氢氧化钠对干燥收缩的影响较小， 基本保持不变。而碳酸钠的增加会显著减少矿渣水泥的干燥收缩，这主要是由于CO32-的增加促进了水滑石产物的生成，这种材料有助于抑制材料的收缩[6]。

表2 碱激发矿渣水泥的7 d 和28 d 的收缩率结果

碱激发剂对矿渣净浆抗压强度的影响碱激发水泥是用于替代普通硅酸盐水泥的潜在材料，其最初优良的力学性能最为显著，因此才有了后续的研究进展。 碱激发矿渣水泥同样具备早强的特点，通常在常温下养护就能达到较高的抗压强度。 将碱激发矿渣水泥净浆成型尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的立方体试件，在标准养护条件下分别测量1、3、7、15 和28 d 的抗压强度，结果分别见图1～3。

图1 NaOH 对矿渣水泥抗压强度的影响

图2 Na2CO3 对矿渣水泥抗压强度的影响

图3 水玻璃对矿渣水泥抗压强度的影响

从图1 可知， 当NaOH 掺量为4%和6%时，其抗压强度具有显著的提升， 且在1～3 d 内快速增长， 在7 d 时的抗压强度能够达到最终的91.0%和96.9%，而在8%的掺量下抗压强度虽然增长幅度不明显，但其在1 d 时抗压强度＞100 MPa，表明了其优异的早强性能。整体来看，NaOH 掺量的增加能显著提高矿渣水泥的抗压强度，一般在3～7 d 内即可达到最终强度的90%。

图2 为Na2CO3对矿渣水泥抗压强度影响规律结果，不同于NaOH 对矿渣水泥净浆的强度影响规律，当Na2CO3掺量达到8%时，其抗压强度存在一定程度的负增长。 说明Na2CO3掺量存在一个最佳范围，当掺量大于6%之后，抗压强度会存在一定程度的降低，矿渣水泥在7 d 时强度基本为最终强度的60%～70%。 相较于NaOH 对矿渣水泥净浆的强度影响，Na2CO3激发矿渣水泥其强度相对较低，主要是因为Na2CO3激发矿渣优先进行Ca2+与CO32-的反应生成碳酸钙与单斜钠钙石，而这些产物强度较低，从而导致了Na2CO3矿渣水泥强度较低[5]。主要是由于CO32-的存在减少了OH-的存在，因此早期强度有所降低，但后期强度的增长是由于碳酸盐产物的增加。

与Na2CO3激发矿渣水泥净浆结果相似， 水玻璃的掺量同样存在一个最佳掺量约为6%， 当掺量达到8%时，抗压强度存在一定程度的降低。但水玻璃激发矿渣水泥净浆抗压强度整体较高，在7 d 时抗压强度分别能达到98.5%、96.4%、98.1%，基本水化完成具备了较高的抗压强度。 在4%掺量下抗压强度的顺序依次为水玻璃＞NaOH＞Na2CO3，6%掺量下水玻璃＞NaOH ＞Na2CO3， 而在8%掺量下，只有NaOH 能显著提高矿渣水泥的抗压强度。

3 结论

本研究通过对3 种不同碱激发剂及多种掺量下的矿渣水泥净浆试验研究了掺量和种类对凝结时间、干燥收缩性能及抗压强度的影响规律，分析了各种变量对碱激发矿渣水泥性能的影响原因，主要得到以下结论：（1）碱激发剂类型对矿渣水泥净浆凝结时间影响很大，相同掺量下水玻璃具有最短的凝结时间，其次为NaOH，最后为Na2CO3。 3 种碱激发剂掺量的增加均能显著缩短矿渣水泥净浆的凝结时间。 （2）Na2CO3的增加会显著减少矿渣水泥净浆的干燥收缩，水玻璃掺量的增加会增加矿渣水泥净浆的干缩率。 NaOH 对干燥收缩的影响较小，基本保持不变。（3）在常用碱激发剂添加量范围内（4%～8%）。碳酸钠与水玻璃掺量的提高对矿渣水泥净浆抗压强度起到积极作用， 但存在一个最佳掺量，当掺量过大时会降低抗压强度。