快硬高强碱激发复合胶凝材料的制备与性能研究

王穆君

（浙江天达环保股份有限公司，浙江 杭州 310006）

快硬高强碱激发复合胶凝材料的制备与性能研究

王穆君

（浙江天达环保股份有限公司，浙江 杭州 310006）

以矿粉为原材料在碱性激发剂作用下通过溶解-单体重构-聚缩反应制备出碱激发矿粉基胶凝材料，以粉煤灰、普通硅酸盐水泥为矿物掺合料，并通过调整各影响因素以改善碱激发矿粉的凝结时间和早期强度。所制备的碱激发矿粉砂浆24 h抗折强度达到8.0 MPa，抗压强度达到53.0 MPa以上；通过加入聚丙烯纤维以改善碱激发矿粉胶砂的收缩性能，使得碱激发矿粉胶砂具有较高的抗折和抗压强度，聚丙烯纤维对碱激发矿粉胶砂的增韧效果较为明显，24 h抗折强度可达9.33 MPa。

碱激发；快硬；高强；收缩

碱激发胶凝材料是一种无熟料无机非金属胶凝材料，具有早期强度高，凝结时间短；吸水性较低；抗渗性好；抗冻性和抗化学侵蚀性好等优点。另外，碱激发胶凝材料制备工艺简单，不需要高温煅烧，避免了大量有害废气的排放，而且能耗小、成本低、市场广，是21世纪极具发展潜力的一种胶凝材料。这类胶凝材料多以硅铝酸盐矿物为主要原材料，而工业固体废弃物如矿渣、钢渣、粉煤灰和煤矸石等，其主要矿物成分均为硅酸盐或硅铝酸盐类。因此，这些工业固体废弃物均可作为制备碱激发胶凝材料的主要原材料，同时也为充分利用工业固体废弃物开辟了一条新的途径[1-7]。但在制备及性能研究方面，碱激发胶凝材料仍存在瞬凝、表面泛霜、收缩、强度波动等问题。

针对以上问题，本文以矿粉作为主要的硅铝质原料，以水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂配制碱激发矿粉胶砂。以粉煤灰为调凝剂，以解决碱激发矿粉的瞬凝问题，提高砂浆的早期流动性；以水泥为增强剂以提高该砂浆的早期强度。以力学性能为指标优化出溶胶比、粉煤灰和水泥掺量、水玻璃模数及拌合水用量。在碱激发矿粉基胶凝材料最优配合比的基础上，研究聚丙烯纤维改性碱激发矿粉胶砂的增韧和收缩情况，得到增韧和减缩后的优化碱激发矿粉-粉煤灰-水泥复合胶凝材料。

1 实验

1.1 原材料

矿粉：S95级，上海宝田新型建材有限公司提供；粉煤灰Ⅱ级，石洞口第一电厂提供；水泥：P·O42.5R，海螺水泥有限公司提供，标准稠度用水量28.4%；碱性激发剂：钠水玻璃，其中SiO2含量35.8%，Na2O含量11.2%，固含量47%，水玻璃模数3.3；氢氧化钠：采用纯度99.9%的工业烧碱；聚丙烯（PP）纤维：南京润方建筑技术工程有限公司提供，长径比231，密度0.91g/cm3，熔点165℃，抗拉强度570 MPa，断裂伸长率26.5%；拌合水：自来水；砂：天然河砂，表观密度2592 kg/m3，堆积密度1613kg/m3，含泥量6.25%，细度模数3.02。粉煤灰、矿粉、水泥的主要化学成分见表1。

表1 粉煤灰、矿粉、水泥的主要化学成分%

1.2 砂浆性能测试方法

砂浆性能参照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试。抗折、抗压强度试件尺寸为40mm×40mm×160mm。收缩采用两端带孔的三联模进行测试。

2 结果与讨论

2.1 溶胶比对碱激发矿粉胶凝材料的影响

溶胶比（即碱激发剂溶液与胶凝材料的质量比）会影响碱激发矿粉砂浆的流动性、凝结时间、抗压和抗折强度。本实验以矿粉作为硅铝质原料，其中胶砂比为0.43，先固定水玻璃掺量为60%，氢氧化钠掺量为10%，拌合水用量为30%，此时水玻璃模数为1.53，以流动度为指标确定碱激发矿粉的溶胶比，结果见表2。

表2 溶胶比对碱激发矿粉砂浆流动度的影响

根据流动度测试结果，综合选择溶胶比为0.625的碱激发胶凝材料作为实验最优配方。

2.2 粉煤灰掺量对碱激发矿粉胶凝材料强度的影响在2.1基本配合比的基础上，研究粉煤灰等量取代矿粉掺量对碱激发矿粉砂浆性能的影响，结果见表3。

表3 粉煤灰掺量对碱激发矿粉砂浆性能的影响

由表3可见：

（1）当碱激发胶凝材料为纯矿粉时，砂浆的凝结时间较短，为15 min，其流动性较差，搅拌后不宜装模、成型，这样的凝结时间亦不能满足施工要求。为适当调整胶砂的凝结时间，而又不致于影响其后期强度，选择粉煤灰作为调凝剂以改善其凝结时间和流动性。随着粉煤灰掺量的增加，碱激发矿粉砂浆的凝结时间逐渐延长。

（2）随粉煤灰掺量的增加，砂浆的抗压强度逐渐降低。当粉煤灰掺量为10%时，砂浆的4 h、8 h抗压强度与纯矿粉砂浆略有差距，但1 d抗压强度非常接近，二者仅相差1%左右，且流动性有所改善，凝结时间也比纯矿粉砂浆的要长。

（3）随粉煤灰掺量的增加，砂浆的抗折强度逐渐降低。当粉煤灰掺量为10%时，砂浆的4 h、8 h、1 d抗折强度分别较纯矿粉砂浆降低7%、2%、5%左右。

综合考虑，选择粉煤灰替代矿粉最佳掺量为10%。

2.3 水玻璃模数对碱激发矿粉胶凝材料强度的影响

在2.1基本配合比的基础上，调整水玻璃模数，研究其对碱激发矿粉砂浆强度的影响，结果分别见图1、图2。

图1 水玻璃模数对碱激发矿粉砂浆抗压强度的影响

图2 水玻璃模数对碱激发矿粉砂浆抗折强度的影响

从图1可以看出，当水玻璃模数为1.4～1.6时，碱激发矿粉砂浆的4 h、8 h、1 d抗压强度可达到实验范围内的最大值；水玻璃模数大于1.6后，各龄期的抗压强度逐步降低。同时，试验中发现，凝结时间随着模数的降低而延长，流动度随着模数的增大而变差；模数为1.4的砂浆养护后还出现泛碱的现象。

从图2可以看出，随水玻璃模数的增加，碱激发矿粉砂浆的8 h、1 d抗折强度逐渐降低，水玻璃模数在1.4～1.6时，抗折强度降低幅度较小；水玻璃模数在1.4～1.8时，对碱激发矿粉砂浆4 h抗折强度的影响较小。

综合考虑，选择水玻璃模数为1.6作为实验最优参数。

2.4 普通硅酸盐水泥对碱激发矿粉胶凝材料强度的影响

在以矿粉为主要硅铝质原料的基础上，研究普通硅酸盐水泥取代矿粉掺量对碱激发矿粉砂浆强度的影响，结果见表4。其中胶砂比0.43，溶胶比为0.625，拌合水用量为30%，水玻璃模数为1.6。

表4 普硅水泥掺量对碱激发矿粉砂浆强度的影响

从表4可以看出，当普硅水泥掺量达到20%、30%时，碱激发矿粉砂浆凝结过快，以至于在搅拌振实的过程中出现瞬凝现象，难以成型。因此，碱激发矿粉砂浆中的普硅水泥掺量应控制在20%以下。普硅水泥掺量为10%时，碱激发矿粉砂浆的4 h抗折和抗压强度均高于纯矿粉组，但是8 h和1 d的抗折、抗压强度都要低于纯矿粉组。这说明普硅水泥的掺入能够促进碱激发矿粉砂浆早期强度较快增长，但是后期的增长速度则要慢于碱激发纯矿粉砂浆。鉴于本实验要制备快凝快硬高强胶凝材料，4 h的抗折、抗压强度较为重要，故选掺10%普硅水泥来提高碱激发矿粉砂浆的早期强度。

2.5 拌合水用量对碱激发矿粉砂浆强度的影响

采用矿粉、粉煤灰作为硅铝质原料，其中粉煤灰掺量为10%，胶砂比为0.43，溶胶比为0.625，水玻璃模数为1.6，调整拌合水用量（即拌合水占激发剂的质量百分比），研究不同的拌合水用量对碱激发矿粉砂浆强度的影响，结果见图3、图4。其中碱激发剂中水玻璃和氢氧化钠含量见表5。

表5 碱激发剂中各成分含量

由图3可以看出，随着拌合水用量的增加，碱激发矿粉-粉煤灰复合砂浆的抗压强度呈现先提高后降低的趋势。当拌合水用量为10%时，碱激发矿粉-粉煤灰复合砂浆的4 h、8 h、 1 d抗压强度都达到最大（分别为20.3、33.4、55.7 MPa）。

图3 拌合水用量对碱激发矿粉砂浆抗压强度的影响

图4 拌合水用量对碱激发矿粉砂浆抗折强度的影响

由图4可以看出，随拌合水用量的增加，碱激发-粉煤灰复合砂浆各龄期的抗折强度呈下降趋势，完全不掺水时砂浆的4 h、8 h、1 d抗折强度最大（分别为4.17、5.97、8.38 MPa）但试验中发现，此时流动性较差。

综合考虑，选择拌合水用量10%作为实验最佳掺量。

2.6 聚丙烯纤维掺量对碱激发复合砂浆性能的影响

采用聚丙烯纤维来提高复合砂浆的抗折强度，降低复合砂浆的收缩[8]。其中胶砂比为0.43，胶凝材料组成为m（矿粉）∶m（粉煤灰）∶m（普硅水泥）=8∶1∶1，溶胶比为0.625，水玻璃模数为1.6，拌合水用量为10%。聚丙烯纤维掺量分别占胶凝材料体积的1%和2%。测试收缩试件的尺寸为40 mm×40 mm× 160 mm。聚丙烯掺量对碱激发矿粉-粉煤灰-普硅水泥复合砂浆性能的影响见表6。

表6 聚丙烯纤维掺量对碱激发复合砂浆性能的影响

由表6可以看出：

（1）掺入聚丙烯纤维后，碱激发矿粉-粉煤灰-普硅水泥复合砂浆的抗折和抗压强度都有所变化，其中抗折强度的变化尤为显著。随着聚丙烯纤维的掺加，碱激发矿粉砂浆的抗折强度呈现出先提高后降低的趋势。当聚丙烯纤维掺量为1%时，碱激发复合砂浆的抗折强度增幅最大。与未掺PP纤维的相比，4 h、8 h、1 d抗折强度分别提高8.5%、13.7%、16.9%，聚丙烯纤维对碱激发复合砂浆的增韧效果较明显。

（2）随着养护龄期的延长，碱激发复合砂浆的收缩值不断增大，7 d前，收缩值增长幅度较大，7 d后收缩值趋于平稳；聚丙烯纤维的掺入明显降低了碱激发复合砂浆的收缩，至14 d龄期时，未掺聚丙烯纤维的碱激发复合砂浆的收缩值接近0.6 mm，掺1%～2%聚丙烯纤维的碱激发复合砂浆收缩值在0.3 mm左右，收缩值降低达50%。

3 结论

（1）水玻璃模数是影响碱激发矿粉强度的重要因素。碱激发矿粉的抗压强度随水玻璃模数的减小而明显增大，但是当模数低于1.4时，碱激发矿粉会出现泛碱现象。

（2）碱激发矿粉的强度还受到粉煤灰、普硅水泥掺量的影响。在碱激发矿粉中掺入10%的粉煤灰后，虽然4 h和8 h的强度稍有所降低，但是凝结时间、流动度等性能则有大幅改善，而且1 d强度与碱激发纯矿粉相同。同样，在碱激发矿粉胶凝体系中掺入10%的普硅水泥后，碱激发矿粉的4 h强度得到提升，说明普硅水泥能够提高碱激发矿粉的早期强度。综合2种外加矿物的作用及比例，确定胶凝材料组成为m（矿粉）∶m（粉煤灰）∶m（普硅水泥）=8∶1∶1。

（3）影响碱激发矿粉强度的因素还有溶胶比和用水量。当溶胶比为0.625，碱激发剂中的拌合水用量为10%时，碱激发矿粉砂浆的24 h抗折强度达到7.83 MPa，抗压强度达到55.7 MPa。

（4）当聚丙烯的掺量为1%时，其增韧效果较好，抗折强度增长较大，碱激发复合砂浆的1 d抗折强度达到9.33 MPa。

[1]杨胜多.碱激发胶凝材料发展趋势[J].科技信息，2010（17）：253.

[2]刘文斌，肖雪军.碱激发胶凝材料研究进展[J].商品混凝土，2010 （9）：23-26.

[3]魏卫东，王革陈．碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料研究进展[J]．粉煤灰综合利用，2008（3）：52-54.

[4]孔德玉，张俊芝，倪彤元，等.碱激发胶凝材料及混凝土研究进展[J].硅酸盐学报，2009，37（1）：151-159.

[5]黄赟.碱激发胶凝材料的研究进展[J].水泥，2011（2）：9-12.

[6]杨猛，孙小巍，李文学.碱激发矿渣胶凝材料的试验研究[J].建材技术与应用，2010（3）：1-3.

[7]于霖.碱激发矿渣胶凝材料的制备及其性能研究[M].郑州：郑州大学，2010.

[8]顾亚敏，方永浩.碱矿渣水泥的收缩与开裂特性及其减缩与增韧[J].硅酸盐学报，2012，40（1）：76-84.

Preparation and properties of alkali-activated composites with rapid hardening and high strength

WANG Mujun
（Zhejiang Tianda Environmental Protection Co.Ltd.，Hangzhou 310006，China）

The ground granulated blast furnace slag（GGBFS），fly ash，ordinary Portland cement is utilized to prepare the alkali-activated composites through dissolution，monomer reconstruction and polymerization.The setting time，the compressive and flexural strength of alkali activated mortar at early age is improved by the factors optimization.8.0 MPa of flexural strength and 53.0 MPa of compressive strength is obtained in 24 h.The contractility is improved by adding polypropylene fiber，higher flexural strength and compressive strength are obtained.The polypropylene fiber has an obvious effect on toughness.The maximum flexural strength reaches in 24 h is 9.33 MPa.

alkali activated，rapid hardening，high strength，shrinkage

TU528

A

1001-702X（2016）09-0001-04

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAJ20B02）

2016-03-29；

2016-05-02

王穆君，男，1979年生，浙江台州人，高级工程师。