碱激发剂种类对矿渣水泥再生混合料影响研究

杨少波

摘  要：为响应工程绿色环保的号召要求，提高固废利用率，探究碱激发剂种类对矿渣水泥的强度影响，通过研究NaOH、Na2SiO3两种碱激发剂对矿渣水泥胶凝材料与再生骨料结合成的碱激发再生混凝土的性能影响，从宏微观角度探究不同碱激发剂对混合料的影响效果，确定出最适合碱激发矿渣水泥再生混合料的最佳碱激发剂。NaOH作为碱性激发剂，用于改善矿渣水泥缺陷，缩短凝结时长，提高早期强度。Na2SiO3作碱激发剂时，水玻璃模数为1.0时，混合料试件的抗压强度和劈裂强度最高。

关键词：碱激发剂   矿渣   再生骨料   硅酸钠

中图分类号：TU528.0

Research on the Effect of the Type of Alkali Activators on the Recycled Mixture of Slag Cement

YANG Shaobo

The Bridge Engineering Co.，Ltd. of CTCE Group， Changchun， Jilin Province， 130000 China

Abstract： In order to respond to the requirements of the call for green and environmental-protection engineering， improve the utilization rate of solid waste， and explore the effect of the type of alkali activators on the strength of slag cement， this paper studies the effect of the two alkali activators of NaOH and Na2SiO3 on the performance of alkali-activated recycled concrete formed by the combination of the cementing material and recycled aggregate of slag cement， explores the influence effects of different alkali activators on the mixture from macro and micro views， and determines the best alkali activator suitable for the alkali-activated recycled mixture of slag cement. NaOH， as an alkali activator， is used to improve the defects of slag cement， shorten its setting time and increase its early strength. When Na2SiO3 is used as an alkali activator， the compressive strength and splitting strength of the mixture specimen are the highest at the sodium silicate modulus of 1.0.

Key Words： Alkali activator; Slag; Recycled aggregate; Na2SiO3

自进入改革开放后，我国调整并加快了基础建设的步伐，使现在建筑土木行业的发展不断加快，使得土木建筑行业进入黄金时代[1]。在进行城镇化的快速推进建设的同时，生态环境也受到建筑行业的影响，目前建筑垃圾的处理和堆放问题日益突出，其水泥进行应用后产生的大量CO2难以处理，对环境的污染不断增加[2-3]。由此可见，将这些建筑垃圾合理处理，在此基础上并进行回收再利用是当前高效解决垃圾和环境污染的有效手段[4]。将建筑垃圾进行回收处理后的资源化利用，是我国现在的重要战略举措。

就目前而言国内现阶段进行经过碱激发矿渣代替水泥，再生骨料代替天然骨料的水温混合料研究较少，成熟应用成果的数量不多。莫林强[5]、冯天彦[6]研究了不同胶凝材料下，碱激发胶凝材料受水以及其他材料的强度影响。史文洁、郝贵强[7-8]等人将不同比例的天然骨料被再生骨料替代，对再生混凝土混合料的基本力学性能、耐久性能和微观结构等方面进行了探索研究。赵百超[9]、胡力群[10]将不同掺量的天然骨料替代为再生骨料，测定其性能发现，再生骨料替代天然骨料的使用会降低水稳料的力学强度。杨长辉[11]在2006年提出现阶段研究碱矿渣混凝土的塑化剂的成熟度不够，而传统的塑化剂对碱矿渣混凝土用处不大等，部分关键难题未被攻克。在此研究的基础上，本文通过探究不同碱激发剂种类对碱激发矿渣水泥再生骨料混合料的影响，探索其最佳碱激发剂和配比。

1 试验材料

试验采用高炉矿渣（GGBS）和P·O 42.5水泥，其组成参数如表1所示。本研究采用的碱激发剂有NaOH和Na2SiO3溶液，NaOH溶液利用纯度98%的固体NaOH粒配制，Na2SiO3溶液利用模数为1的固体Na2SiO3配制。

2 试验方案

为探究NaOH、Na2SiO3两种碱性激发剂效果的强弱，使用水泥熟料、石膏和高炉矿渣的质量比为65%：5%：30%制备矿渣水泥，以NaOH和Na2SiO3作碱性激发剂，掺量以矿渣质量的5%加入，成型4.0% 矿渣水泥掺量、设计级配（0～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～31.5 mm=27∶21∶29∶23）的100 %再生集料取代率试件，测定试件7 d、28 d无侧向抗压强度并进行试验。

为满足交通荷载对半刚性基层要求，在抗压强度试验的基础下，探究不同碱激发剂对碱激发矿渣水泥混合料的效果影响，采用SEM电镜试验，对其微观形成物进行分析，从宏微观的角度阐释碱激发剂的作用原理。试件按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）为指导进行试件制备和养护。

3 试验结果和分析

3.1 两种碱激发剂强度影响结果

通过实验数据发现以NaOH、Na2SiO3作为激发剂激发矿渣都能提高再生水稳料的7 d、28 d抗压强度：在NaOH掺量为6%时，7 d、28 d抗压强度分别提高了21.9%、21.1%；Na2SiO3掺量为4%时，7 d、28 d抗压强度分别提高了28.1%、34.2%，并且在NaOH、Na2SiO3到达一定浓度后对激发作用不大。NaOH、Na2SiO3分别存在一个最优浓度6%、4%，通过宏观对比抗压强度的增强效果看，Na2SiO3激发效果更好一点。

3.2 SEM微观分析

分别对养护7 d、28 d的两种碱激发试件取样，扫描电镜（SEM）观察水化产物形貌。图1（a-d）是NaOH、Na2SiO3溶液激发再生骨料矿渣水泥水化的SEM照片，不难发现，在骨料表面已经发生了水化反应，其中C-S-H胶凝体比较多，也有一定数量的柱状钙矾石晶体（AFt），C-S-H凝胶体和钙矾石晶体（AFt）包裹在一起大量覆盖在再生骨料表面和骨料—骨料接触处。

根据图1（a） （b）可知：经过7 d的养护，胶凝材料已经发生了水化反应，但是图1（a）内部结构疏松，孔隙较多，化合物没有图1（b）中分布均匀，成因在于NaOH溶液碱性较强，激发矿渣速度较快，包裹在骨料表面，影响后续反应的进行；图1（b）采用的碱性激发剂是Na2SiO3溶液，Na2SiO3溶液作为一种碱性矿黏合剂，模数越大，Si含量越多，黏度越大，但是由于碱性较低，高炉矿渣的活性物质没有完全激发，生成的化合物较少，强度不高。

图1（c）、图1（d）比图1（a）、图1（b）更加致密，孔隙更少，化合物更多，分布均匀，颗粒比较紧密，这说明28 d比7 d水化反应更充分，后期强度更高。同时，仅就图1（c）、图1（d）而言，图1（c）没有图1（d）致密，这说明以NaOH为激发剂没有Na2SiO3的效果好，这是因为Na2SiO3溶液不仅能够像NaOH溶液一样提供OH-，OH-起到催化剂的作用，提供大量的SiO44-，促使Ca（OH）2+SiO44-→C-S-H反应不断地进行，水硅胶参与反应，Na2SiO3在激发过程中能够起到双重作用。水玻璃中［SiO3 （ OH） 2］2-的存在，硅酸根阴离子和矿渣一起能够提供SiO44-和AlO45-，进一步促进了水化进程。

4 结论

NaOH作为碱性激发剂，用于改善矿渣水泥缺陷，缩短凝结时长，提高早期强度。存在一个最优浓度，能最大程度地促进复合胶凝材料的水化过程。

Na2SiO3作碱激发剂时，水玻璃模数由0.8增加到1.0，混合料试件的抗压强度和劈裂强度增大；当模数为1.0时强度最高，水玻璃溶液掺量的增加，混合料试件的抗压强度和劈裂强度增大，宜取5.0 %掺量。水玻璃溶液掺量的增加有效地增加胶凝材料浆体的碱度，提供了大量的［SiO3 （ OH） 2］2-，促进高炉矿渣水解，同时与溶解的Ca2 +生成 C-S-H 凝胶，进而提高混合料的强度。

参考文献

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[6] 冯天彦，张冬冬，谭波，等.碱激发胶凝材料固化/稳定化土壤重金属研究进展[J].化工矿物与加工，2021，50（3）：52-56.

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[8] 郝贵强，冯寒非，于海丰，等.考虑取代率和砖骨料品质的再生混凝土抗压强度计算方法[J].河北工业科技， 2023，40 （3）： 202-209.

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• 杨长辉，刘先锋，刘建. 碱矿渣水泥及混凝土化学外加剂的研究进展[J]. 混凝 土， 2006 （4）： 17-18.