碱激发矿渣胶凝材料的试验研究_杨猛

试验研究文章编号:1009-9441(2010)03-0001-03

碱激发矿渣胶凝材料的试验研究

杨 猛1,孙小巍2,李文学3 (1.辽宁省建筑材料监督检验院,辽宁沈阳 110032;2.沈阳建筑大学,辽宁沈阳 110168;3.辽阳市工程质量监督站,辽宁辽阳 111200)

摘 要:通过变换碱种类、碱掺量、水玻璃模数,研究了矿渣粉在碱的作用下的强度发展规律,并对这类碱激发材料的性能进行了试验与分析。结果表明,碱掺量增加,凝结时间越短;水胶比越小,凝结时间越短。采用水玻璃比用N aOH的凝结时间短,水玻璃对矿渣的激发效果要优于N aOH的激发效果,模数为1.2的水玻璃当掺量达到8%时强度达到最大值。胶砂强度随N a OH掺量的增加而增加,N aOH掺量达到10%时强度达到最大值。

关键词:胶凝材料;矿渣;碱激发

中图分类号:TU528.062;TU528.04 文献标识码:A 引言

硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料,其用量之大,使之成为人类使用量最大的人工材料。然而,硅酸盐水泥本身存在着固有的不足。一方面是能源与资源消耗大,污染大。我国的水泥生产每年要消耗近1亿t煤,用电近600亿k W h,同时还要消耗近4亿t石灰石和大量黏土,对这些不可再生的矿物资源的持续性大量消耗,将对人类社会产生重大的影响。另一方面,在熟料的煅烧过程中,因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的CO2,以及SO2、NO x等有毒气体,导致了严重的环境污染,尤其是巨大的CO2排放量在不断加剧地球的温室效应。因此,研究胶凝材料制备的新原理,加强工业废渣的利用研究,是一项既具有科学意义,又具有实际意义的工作。

碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一种无机非金属胶凝材料,其抗压和抗折强度、抗酸碱侵蚀性、抗冻融性、抗碳化性能等均优于普通硅酸盐水泥。另外,碱激发胶凝材料制备工艺简单、不需要高温煅烧、能耗低、成本低、市场广,又免除了大量有害废气的排放,是21世纪极具发展潜力的一种胶凝材料。这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料,而许多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铝硅酸盐类。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,这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。碱激发矿渣是目前研究最为深入的碱激发胶凝材料。

1 原材料与试验方案

1.1 试验仪器

试验仪器主要有:XJ202-A型行星式水泥胶砂搅拌机;K JZ-500型电动抗折试验机;YA W-300型电子液压式压力试验机。

1.2 原材料

2试验所用原材料主要有:鞍钢产的矿渣(质量系数K=1.62,碱度系数M o=1.33,属于碱性矿渣,活度系数M n=0.292)、氢氧化钠(分析纯)、水玻璃(模数为2.7)、天然二水石膏。

1.3 试验方案

(1)选用不同种类的碱为激发剂,在不同的碱掺量、不同的用水量和缓凝剂掺量下制成胶凝材料,测定其凝结时间,研究碱激发胶凝材料凝结时间的影响因素及规律。

(2)以模数为1.2和1.6,掺量为6%、8%、10%、12%的水玻璃作为碱激发剂,进行力学性能试验,分析水玻璃的模数与掺量对纯矿渣粉料的影响。

(3)采用不同掺量的N a OH作为碱激发剂,进行力学性能试验,分析Na OH对纯矿渣粉料的影响。

2 试验结果与讨论

2.1 碱激发矿渣凝结时间的影响因素

2.1.1 碱掺量对碱激发材料凝结时间的影响

以矿渣为原料,模数为1.2的水玻璃为碱激发剂,选择不同的碱掺量,其凝结时间测定结果见表1。

表1 水玻璃掺量对初凝时间的影响

水玻璃掺量/%4681012

初凝时间/m i n5750312016

2.1.2 水胶比对碱激发材料凝结时间的影响

固定水玻璃的掺量为10%,选用不同的水胶比,其凝结时间测定结果见表2。

表2 不同水胶比对初凝时间的影响

水胶比W/C0.340.360.380.400.42

初凝时间/m i n2027333944

由表1和表2可见,当水玻璃掺量一定时,随着水胶比的增加,初凝时间延长;当水胶比不变时,随着水玻璃含量的增加,凝结时间缩短。其原因是在低水胶比下的碱浓度增加更快。由此可以看出,初凝时间主要与体系中碱溶液的浓度有关,即水化产物的生成速度与溶液中各种离子的浓度尤其是碱离子浓度有关,碱离子浓度越高,水化产物生成速度越快,凝结速度越快。

2.1.3 碱的种类对碱激发材料凝结时间的影响

分别选用水玻璃和N a OH作为激发剂,固定掺量为10%,其初凝时间测定结果见表3。

表3 激发剂种类对初凝时间的影响

激发剂种类水玻璃NaO H

初凝时间/m i n20136

由表3可以看出,采用水玻璃作为激发剂时,比N a OH的凝结时间短得多。这是因为矿渣与OH-离子作用时,是[S i O4]4-离子解聚-聚合的过程,总体上是[S i O

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]4-单体量减少,高聚体的量增多,双聚体及其他低聚物发生单体聚合、多聚体解聚以及自身又解聚的双重反应。水玻璃矿渣水泥和氢氧化钠矿渣水泥的水化,既有硅酸根离子的缩聚作用,又有碱性激发下多硅酸根离子的解聚作用,但整个水化过程以缩聚反应为主。由于水玻璃溶液中有大量的[Si O3(OH)2]4-离子存在,大大加快了硅酸根离子缩聚反应的速度,所以,水玻璃激发的速度远大于N a OH,即凝结时间比采用Na OH激发要短。

2.1.4 缓凝剂对碱激发材料凝结时间的影响

鉴于碱-矿渣水泥的速凝特点,为使其能在工程中更好地应用,需要确定适宜的缓凝剂及掺量。试验采用石膏作为缓凝剂,其不同掺量对凝结时间的影响见表4。

表4 缓凝剂的掺量对凝结时间的影响石膏掺量/%046810

初凝时间/m i n20457095130

终凝时间/m i n4070130195260

由表4可以看出,不加缓凝剂时,初凝时间只有20m i n,产生了速凝,终凝时间也只有40m i n,这是不能满足工程施工要求的。当加入缓凝剂4%时,凝结时间开始明显变长,初凝时间达到45m i n,而终凝时间达到70m i n。随着缓凝剂掺量的增加,凝结时间也不断增加。说明含钙材料对水玻璃-矿渣水泥具有良好的缓凝作用。这是因为在常规的水玻璃掺量下,含钙材料与水玻璃反应生成的凝胶在矿渣表面形成了一层凝胶体保护膜,阻止了系统中OH-离子对矿渣的进一步激发,使水化产物的晶核包裹在凝胶中,阻止了其进一步生长,从而延缓了水化产物的大量产生,避免了颗粒的进一步聚集,使初凝时间延长。

2.2 影响碱激发矿渣力学性能的因素

矿渣是在炼铁过程中经急冷得到的含有较高潜能的不规则玻璃体,具有两种相组分的分相结构。玻璃体的富钙相在中性环境中,水分子的作用不足以克服富钙相的分解活性,故矿渣在中性环境中表现为结构的稳定性,即矿渣不显示活性;而在碱性环境中,OH-离子的强烈作用能够克服富钙相的分解活化能,使富钙相迅速水化和解体,进而导致矿渣玻璃体的解体,随后暴露于碱性介质中的富硅相也逐步水化分解。富钙相和富硅相的水化产物的不断形成和增加,使得水化产物的结构不断增强,表现为水泥石的强度不断增长。

2.2.1 碱的种类对碱激发材料力学性能的影响

称取500g矿渣,以水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂,掺量均为10%,通过测定胶砂强度对比二者的激发效果。胶砂强度测定结果见表5。

表5 激发剂的种类对胶砂强度的影响

试件编号激发剂种类

抗折强度/M Pa抗压强度/M Pa

3d7d3d7d J F-1N a OH3.0 3.625.730.9

J F-2水玻璃3.8 4.230.134.2

由表5可以看出,在激发剂掺量相同的情况下,两者的早期强度均很高,而且水玻璃比Na OH激发矿渣试件的效果要好。这是因为在碱-矿渣中,水玻璃的含水硅酸钠水解后生成Na OH和含水硅胶, OH-离子只是起到碱性介质的作用,促使反应不断地进行,最后形成的产物主要为C-S-H凝胶;而含水硅胶参与了其中的反应,即水玻璃在激发过程中起到了双重作用,因而其激发效果更好。

2.2.2 碱掺量对碱激发材料力学性能的影响

选用模数分别为1.2和1.6的水玻璃及N a OH