矿粉掺量对碱激发凝灰岩胶凝材料性能的影响

崔科旺，韩 越，郭宛垚

(兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000)

传统的硅酸盐水泥在生产和使用过程中有很多的问题，如大量消耗自然资源、排放大量的二氧化碳和粉尘，污染环境。随着我国工业的高速发展，粉煤灰、高炉矿渣和钢渣等固体废弃物产量激增，但利用率较低，如果处理不当会造成严重的环境问题[1-3]。碱激发胶凝材料的出现很好地解决了这一问题，相较于传统硅酸盐水泥，碱激发胶凝材料具有能耗低、原材料来源广泛、物理和化学性能优异等优点，是近年来绿色胶凝材料研究的热点[4,5]。碱激发胶凝材料主要可以分为高钙体系和低钙体系两大类，高钙体系以矿渣为主要原料，生成的凝胶产物主要是低钙硅比的水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶；低钙体系的主要原料是偏高岭土、低钙粉煤灰等，生成的凝胶产物主要是具有三维网络结构的无定形铝硅酸钠(N-A-S-H)凝胶[6]。大量的研究表明，向碱激发低钙体系掺入一定量的高钙物质后，会对碱激发胶凝材料的凝结时间[7,8]、早期强度发展[9]、高温稳定性[7，10]等性能产生影响。Yip等研究发现，碱激发偏高岭土的强度随矿渣掺入量的增加先增加后减少，最优掺量为20%，原因是生成的C-S-H凝胶既连接了水化产物与未反应颗粒，又填充了微观结构中的孔隙，从而提高了材料的强度[11]。

火山灰是由火山爆发时产生的粉碎岩石和玻璃小颗粒构成，拥有较高的化学活性。从地质学角度来讲，火山灰颗粒可以胶结在一起形成凝灰岩，凝灰岩通过研磨，可以保留大部分的火山灰活性，具有良好的碱激发潜能。该研究以凝灰岩石粉为基础原料，掺入一定量的GGBS，探究GGBS掺量对碱激发凝灰岩胶凝材料的凝结时间和力学性能的影响。

1 试 验

1.1 材料

粒化高炉矿渣微粉(GGBS)，使用符合GB/T203标准的粒化高炉矿渣粉，其平均粒径为17.3 μm；凝灰岩石粉，产自甘肃天水地区凝灰岩粉磨而成，平均粒径为17.5 μm。采用氮气吸附法(BET)测得凝灰岩粉末和GGBS的比表面积分别为1 164.4 m2/kg和855.7 m2/kg；采用X线荧光光谱分析(XRF)对其进行氧化物成分分析，结果见表1。碱激发剂由氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液组成，其中氢氧化钠溶液浓度为7.5 mol/L，用量为150 mL；硅酸钠溶液的浓度为1.64 mol/L，用量为20 mL。试验中所使用的溶液均为分析纯与去离子水配制而成。

表1 凝灰岩和矿粉的化学组成

1.2 样品制备

激发剂制备：称取75 g NaOH固体，缓慢加入盛有200 mL去离子水的烧杯中，边加入边不停搅拌，搅拌至溶质完全溶解。为减少NaOH溶液吸收空气中的CO2，用保鲜膜密封，静置，待烧杯中的NaOH溶液冷却后，引流定容到250 mL容量瓶中，摇晃均匀后倒入一干净烧杯中用保鲜膜密封备用；同理，配置Na2SiO3溶液。

试样制备：用GGBS以不同掺量(0、5%、10%、20%、30%)等量取代凝灰岩粉，制作试样，见表2。称取凝灰岩粉和GGBS共500 g，把凝灰岩粉和GGBS放入NJ-160A水泥净浆搅拌机中搅拌，用量筒称取150 mL NaOH溶液，待凝灰岩粉和GGBS搅拌均匀后，将量筒中的NaOH溶液加入搅拌机，搅拌均匀后静置5 min，加入20 mL Na2SiO3溶液，搅拌均匀，制成浆体。随后将制成的浆体倒入边长20 mm的立方体硅胶试模中，经过振动台振实，而后用刮刀抹平试模表面，放入电热鼓风干燥箱内高温养护，在60 ℃条件下养护2 h，脱模，然后，把脱模后的试样放入培养皿中密封，然后再放入烘箱内继续养护至规定龄期。

表2 胶凝材料配合比设计

1.3 测试及分析方法

凝结时间测试：依据GB/T 1346—2011，采用维卡仪测试碱激发凝灰岩胶凝材料的凝结时间。试件放入电热鼓风干燥箱内高温养护，每隔5 min测定一次，当试针沉至距底板3～5 mm时，为达到初凝状态，重复测定一次，当两次测定结论相同时确定为达到初凝状态。初凝时间测定后，立即将试模翻转180°，直径大端朝上放在底板上，再放入电热鼓风干燥箱内继续养护，每隔5 min测定一次，当试针沉入试件0.5 mm时，即环形附件开始不能在试件上留下痕迹时为达到了终凝状态，重复测定一次，当两次测定结论相同时确定为达到终凝状态。

抗压强度测试：将加入不同掺量矿粉制备的试样养护3 d、7 d、14 d、28 d后，依据GB/T 50081—2002进行抗压强度测试，每组三个试样，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

图1为不同GGBS掺量条件下碱激发凝灰岩胶凝材料浆体凝结时间的变化情况。由图1可见，掺入GGBS对缩短碱激发凝灰岩胶凝材料浆体的凝结时间有很显著的效果，相比于纯凝灰岩，GGBS掺量为5%时初凝时间和终凝时间均有大幅度下降，且随着GGBS掺量的增大，凝结时间也在不断降低，最终在20%和30%替代比时达到最低并保持不变。

掺入GGBS后凝结时间明显缩短的原因主要与Ca2+有关，Ca2+作为电荷平衡离子，相比于Na+，Ca2+拥有更强的静电引力和电荷中和作用，Ca2+作用下硅铝酸盐聚合体凝胶会形成的更快，所以凝结时间会缩短[12]。

2.2 强度分析

图2为碱激发凝灰岩胶凝材料试样的抗压强度随GGBS掺量和养护龄期的变化规律。结果显示，当养护龄期一定时，抗压强度随GGBS掺量的增加，先提高后降低，也就是说，在每个龄期都存在最佳GGBS掺量。7 d时最佳GGBS掺量为30%，其余龄期最佳GGBS掺量都为20%。由表3可知，凝灰岩-矿粉试样3 d与28 d抗压强度之比随GGBS掺量的增大先升高再降低，在GGBS掺量为20%时达到最大值。结果表明，掺入GGBS显著提高了碱激发凝灰岩胶凝材料的抗压强度，且对于提高碱激发凝灰岩胶凝材料的早期强度也有显著效果。GGBS掺量从20%增加到30%，除7 d外，其余龄期的抗压强度均有所下降。所以，为提高碱激发凝灰岩胶凝材料的抗压强度，最佳的GGBS掺量为20%，随着矿粉掺量的继续增大，试样的抗压强度会有所降低。

表3 凝灰岩-矿粉试样3 d与28 d抗压强度比值

掺入GGBS对碱激发凝灰岩胶凝材料强度有显著提高主要是因为GGBS含有丰富的氧化钙，Ca2+不仅可以促进地质聚合反应，还可以促进生成C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶，且生成的C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶在一定程度上可以填充微观结构的空隙，使结构更密实。

3 结 论

该研究通过在凝灰岩石粉中掺入GGBS进行碱激发，探究了GGBS掺量对碱激发凝灰岩胶凝材料凝结时间和力学性能的影响，并研究其反应机理，结论如下：

a.GGBS的掺入会缩短碱激发凝灰岩胶凝材料的凝结时间，在GGBS掺量为20%时效果最为显著。

b.随着GGBS掺量的提高，碱激发凝灰岩胶凝材料的抗压强度会先增大再减小，在GGBS掺量为20%时，制备的碱激发凝灰岩胶凝材料样品28 d抗压强度最高，达到73.33 MPa。

c.GGBS的掺入会对碱激发凝灰岩胶凝材料的凝结时间和力学性能产生显著影响，是因为GGBS中氧化钙含量较高，Ca2+不仅可以加快地质聚合反应的进行，还促进生成C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶，生成的凝胶可以填充微观结构中的空隙，提高胶凝材料的强度。