快硬高強堿激發(fā)復(fù)合膠凝材料的制備與性能研究

王穆君

（浙江天達(dá)環(huán)保股份有限公司，浙江 杭州 310006）

快硬高強堿激發(fā)復(fù)合膠凝材料的制備與性能研究

王穆君

（浙江天達(dá)環(huán)保股份有限公司，浙江 杭州 310006）

以礦粉為原材料在堿性激發(fā)劑作用下通過溶解-單體重構(gòu)-聚縮反應(yīng)制備出堿激發(fā)礦粉基膠凝材料，以粉煤灰、普通硅酸鹽水泥為礦物摻合料，并通過調(diào)整各影響因素以改善堿激發(fā)礦粉的凝結(jié)時間和早期強度。所制備的堿激發(fā)礦粉砂漿24 h抗折強度達(dá)到8.0 MPa，抗壓強度達(dá)到53.0 MPa以上；通過加入聚丙烯纖維以改善堿激發(fā)礦粉膠砂的收縮性能，使得堿激發(fā)礦粉膠砂具有較高的抗折和抗壓強度，聚丙烯纖維對堿激發(fā)礦粉膠砂的增韌效果較為明顯，24 h抗折強度可達(dá)9.33 MPa。

堿激發(fā)；快硬；高強；收縮

堿激發(fā)膠凝材料是一種無熟料無機非金屬膠凝材料，具有早期強度高，凝結(jié)時間短；吸水性較低；抗?jié)B性好；抗凍性和抗化學(xué)侵蝕性好等優(yōu)點。另外，堿激發(fā)膠凝材料制備工藝簡單，不需要高溫煅燒，避免了大量有害廢氣的排放，而且能耗小、成本低、市場廣，是21世紀(jì)極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N膠凝材料。這類膠凝材料多以硅鋁酸鹽礦物為主要原材料，而工業(yè)固體廢棄物如礦渣、鋼渣、粉煤灰和煤矸石等，其主要礦物成分均為硅酸鹽或硅鋁酸鹽類。因此，這些工業(yè)固體廢棄物均可作為制備堿激發(fā)膠凝材料的主要原材料，同時也為充分利用工業(yè)固體廢棄物開辟了一條新的途徑[1-7]。但在制備及性能研究方面，堿激發(fā)膠凝材料仍存在瞬凝、表面泛霜、收縮、強度波動等問題。

針對以上問題，本文以礦粉作為主要的硅鋁質(zhì)原料，以水玻璃和氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑配制堿激發(fā)礦粉膠砂。以粉煤灰為調(diào)凝劑，以解決堿激發(fā)礦粉的瞬凝問題，提高砂漿的早期流動性；以水泥為增強劑以提高該砂漿的早期強度。以力學(xué)性能為指標(biāo)優(yōu)化出溶膠比、粉煤灰和水泥摻量、水玻璃模數(shù)及拌合水用量。在堿激發(fā)礦粉基膠凝材料最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，研究聚丙烯纖維改性堿激發(fā)礦粉膠砂的增韌和收縮情況，得到增韌和減縮后的優(yōu)化堿激發(fā)礦粉-粉煤灰-水泥復(fù)合膠凝材料。

1 實驗

1.1 原材料

礦粉：S95級，上海寶田新型建材有限公司提供；粉煤灰Ⅱ級，石洞口第一電廠提供；水泥：P·O42.5R，海螺水泥有限公司提供，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.4%；堿性激發(fā)劑：鈉水玻璃，其中SiO2含量35.8%，Na2O含量11.2%，固含量47%，水玻璃模數(shù)3.3；氫氧化鈉：采用純度99.9%的工業(yè)燒堿；聚丙烯（PP）纖維：南京潤方建筑技術(shù)工程有限公司提供，長徑比231，密度0.91g/cm3，熔點165℃，抗拉強度570 MPa，斷裂伸長率26.5%；拌合水：自來水；砂：天然河砂，表觀密度2592 kg/m3，堆積密度1613kg/m3，含泥量6.25%，細(xì)度模數(shù)3.02。粉煤灰、礦粉、水泥的主要化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰、礦粉、水泥的主要化學(xué)成分%

1.2 砂漿性能測試方法

砂漿性能參照J(rèn)GJ 70—90《建筑砂漿基本性能試驗方法》進(jìn)行測試?？拐?、抗壓強度試件尺寸為40mm×40mm×160mm。收縮采用兩端帶孔的三聯(lián)模進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶膠比對堿激發(fā)礦粉膠凝材料的影響

溶膠比（即堿激發(fā)劑溶液與膠凝材料的質(zhì)量比）會影響堿激發(fā)礦粉砂漿的流動性、凝結(jié)時間、抗壓和抗折強度。本實驗以礦粉作為硅鋁質(zhì)原料，其中膠砂比為0.43，先固定水玻璃摻量為60%，氫氧化鈉摻量為10%，拌合水用量為30%，此時水玻璃模數(shù)為1.53，以流動度為指標(biāo)確定堿激發(fā)礦粉的溶膠比，結(jié)果見表2。

表2 溶膠比對堿激發(fā)礦粉砂漿流動度的影響

根據(jù)流動度測試結(jié)果，綜合選擇溶膠比為0.625的堿激發(fā)膠凝材料作為實驗最優(yōu)配方。

2.2 粉煤灰摻量對堿激發(fā)礦粉膠凝材料強度的影響在2.1基本配合比的基礎(chǔ)上，研究粉煤灰等量取代礦粉摻量對堿激發(fā)礦粉砂漿性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 粉煤灰摻量對堿激發(fā)礦粉砂漿性能的影響

由表3可見：

（1）當(dāng)堿激發(fā)膠凝材料為純礦粉時，砂漿的凝結(jié)時間較短，為15 min，其流動性較差，攪拌后不宜裝模、成型，這樣的凝結(jié)時間亦不能滿足施工要求。為適當(dāng)調(diào)整膠砂的凝結(jié)時間，而又不致于影響其后期強度，選擇粉煤灰作為調(diào)凝劑以改善其凝結(jié)時間和流動性。隨著粉煤灰摻量的增加，堿激發(fā)礦粉砂漿的凝結(jié)時間逐漸延長。

（2）隨粉煤灰摻量的增加，砂漿的抗壓強度逐漸降低。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，砂漿的4 h、8 h抗壓強度與純礦粉砂漿略有差距，但1 d抗壓強度非常接近，二者僅相差1%左右，且流動性有所改善，凝結(jié)時間也比純礦粉砂漿的要長。

（3）隨粉煤灰摻量的增加，砂漿的抗折強度逐漸降低。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，砂漿的4 h、8 h、1 d抗折強度分別較純礦粉砂漿降低7%、2%、5%左右。

綜合考慮，選擇粉煤灰替代礦粉最佳摻量為10%。

2.3 水玻璃模數(shù)對堿激發(fā)礦粉膠凝材料強度的影響

在2.1基本配合比的基礎(chǔ)上，調(diào)整水玻璃模數(shù)，研究其對堿激發(fā)礦粉砂漿強度的影響，結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 水玻璃模數(shù)對堿激發(fā)礦粉砂漿抗壓強度的影響

圖2 水玻璃模數(shù)對堿激發(fā)礦粉砂漿抗折強度的影響

從圖1可以看出，當(dāng)水玻璃模數(shù)為1.4～1.6時，堿激發(fā)礦粉砂漿的4 h、8 h、1 d抗壓強度可達(dá)到實驗范圍內(nèi)的最大值；水玻璃模數(shù)大于1.6后，各齡期的抗壓強度逐步降低。同時，試驗中發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)時間隨著模數(shù)的降低而延長，流動度隨著模數(shù)的增大而變差；模數(shù)為1.4的砂漿養(yǎng)護(hù)后還出現(xiàn)泛堿的現(xiàn)象。

從圖2可以看出，隨水玻璃模數(shù)的增加，堿激發(fā)礦粉砂漿的8 h、1 d抗折強度逐漸降低，水玻璃模數(shù)在1.4～1.6時，抗折強度降低幅度較??；水玻璃模數(shù)在1.4～1.8時，對堿激發(fā)礦粉砂漿4 h抗折強度的影響較小。

綜合考慮，選擇水玻璃模數(shù)為1.6作為實驗最優(yōu)參數(shù)。

2.4 普通硅酸鹽水泥對堿激發(fā)礦粉膠凝材料強度的影響

在以礦粉為主要硅鋁質(zhì)原料的基礎(chǔ)上，研究普通硅酸鹽水泥取代礦粉摻量對堿激發(fā)礦粉砂漿強度的影響，結(jié)果見表4。其中膠砂比0.43，溶膠比為0.625，拌合水用量為30%，水玻璃模數(shù)為1.6。

表4 普硅水泥摻量對堿激發(fā)礦粉砂漿強度的影響

從表4可以看出，當(dāng)普硅水泥摻量達(dá)到20%、30%時，堿激發(fā)礦粉砂漿凝結(jié)過快，以至于在攪拌振實的過程中出現(xiàn)瞬凝現(xiàn)象，難以成型。因此，堿激發(fā)礦粉砂漿中的普硅水泥摻量應(yīng)控制在20%以下。普硅水泥摻量為10%時，堿激發(fā)礦粉砂漿的4 h抗折和抗壓強度均高于純礦粉組，但是8 h和1 d的抗折、抗壓強度都要低于純礦粉組。這說明普硅水泥的摻入能夠促進(jìn)堿激發(fā)礦粉砂漿早期強度較快增長，但是后期的增長速度則要慢于堿激發(fā)純礦粉砂漿。鑒于本實驗要制備快凝快硬高強膠凝材料，4 h的抗折、抗壓強度較為重要，故選摻10%普硅水泥來提高堿激發(fā)礦粉砂漿的早期強度。

2.5 拌合水用量對堿激發(fā)礦粉砂漿強度的影響

采用礦粉、粉煤灰作為硅鋁質(zhì)原料，其中粉煤灰摻量為10%，膠砂比為0.43，溶膠比為0.625，水玻璃模數(shù)為1.6，調(diào)整拌合水用量（即拌合水占激發(fā)劑的質(zhì)量百分比），研究不同的拌合水用量對堿激發(fā)礦粉砂漿強度的影響，結(jié)果見圖3、圖4。其中堿激發(fā)劑中水玻璃和氫氧化鈉含量見表5。

表5 堿激發(fā)劑中各成分含量

由圖3可以看出，隨著拌合水用量的增加，堿激發(fā)礦粉-粉煤灰復(fù)合砂漿的抗壓強度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。當(dāng)拌合水用量為10%時，堿激發(fā)礦粉-粉煤灰復(fù)合砂漿的4 h、8 h、 1 d抗壓強度都達(dá)到最大（分別為20.3、33.4、55.7 MPa）。

圖3 拌合水用量對堿激發(fā)礦粉砂漿抗壓強度的影響

圖4 拌合水用量對堿激發(fā)礦粉砂漿抗折強度的影響

由圖4可以看出，隨拌合水用量的增加，堿激發(fā)-粉煤灰復(fù)合砂漿各齡期的抗折強度呈下降趨勢，完全不摻水時砂漿的4 h、8 h、1 d抗折強度最大（分別為4.17、5.97、8.38 MPa）但試驗中發(fā)現(xiàn)，此時流動性較差。

綜合考慮，選擇拌合水用量10%作為實驗最佳摻量。

2.6 聚丙烯纖維摻量對堿激發(fā)復(fù)合砂漿性能的影響

采用聚丙烯纖維來提高復(fù)合砂漿的抗折強度，降低復(fù)合砂漿的收縮[8]。其中膠砂比為0.43，膠凝材料組成為m（礦粉）∶m（粉煤灰）∶m（普硅水泥）=8∶1∶1，溶膠比為0.625，水玻璃模數(shù)為1.6，拌合水用量為10%。聚丙烯纖維摻量分別占膠凝材料體積的1%和2%。測試收縮試件的尺寸為40 mm×40 mm× 160 mm。聚丙烯摻量對堿激發(fā)礦粉-粉煤灰-普硅水泥復(fù)合砂漿性能的影響見表6。

表6 聚丙烯纖維摻量對堿激發(fā)復(fù)合砂漿性能的影響

由表6可以看出：

（1）摻入聚丙烯纖維后，堿激發(fā)礦粉-粉煤灰-普硅水泥復(fù)合砂漿的抗折和抗壓強度都有所變化，其中抗折強度的變化尤為顯著。隨著聚丙烯纖維的摻加，堿激發(fā)礦粉砂漿的抗折強度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為1%時，堿激發(fā)復(fù)合砂漿的抗折強度增幅最大。與未摻PP纖維的相比，4 h、8 h、1 d抗折強度分別提高8.5%、13.7%、16.9%，聚丙烯纖維對堿激發(fā)復(fù)合砂漿的增韌效果較明顯。

（2）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，堿激發(fā)復(fù)合砂漿的收縮值不斷增大，7 d前，收縮值增長幅度較大，7 d后收縮值趨于平穩(wěn)；聚丙烯纖維的摻入明顯降低了堿激發(fā)復(fù)合砂漿的收縮，至14 d齡期時，未摻聚丙烯纖維的堿激發(fā)復(fù)合砂漿的收縮值接近0.6 mm，摻1%～2%聚丙烯纖維的堿激發(fā)復(fù)合砂漿收縮值在0.3 mm左右，收縮值降低達(dá)50%。

3 結(jié)論

（1）水玻璃模數(shù)是影響堿激發(fā)礦粉強度的重要因素。堿激發(fā)礦粉的抗壓強度隨水玻璃模數(shù)的減小而明顯增大，但是當(dāng)模數(shù)低于1.4時，堿激發(fā)礦粉會出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象。

（2）堿激發(fā)礦粉的強度還受到粉煤灰、普硅水泥摻量的影響。在堿激發(fā)礦粉中摻入10%的粉煤灰后，雖然4 h和8 h的強度稍有所降低，但是凝結(jié)時間、流動度等性能則有大幅改善，而且1 d強度與堿激發(fā)純礦粉相同。同樣，在堿激發(fā)礦粉膠凝體系中摻入10%的普硅水泥后，堿激發(fā)礦粉的4 h強度得到提升，說明普硅水泥能夠提高堿激發(fā)礦粉的早期強度。綜合2種外加礦物的作用及比例，確定膠凝材料組成為m（礦粉）∶m（粉煤灰）∶m（普硅水泥）=8∶1∶1。

（3）影響堿激發(fā)礦粉強度的因素還有溶膠比和用水量。當(dāng)溶膠比為0.625，堿激發(fā)劑中的拌合水用量為10%時，堿激發(fā)礦粉砂漿的24 h抗折強度達(dá)到7.83 MPa，抗壓強度達(dá)到55.7 MPa。

（4）當(dāng)聚丙烯的摻量為1%時，其增韌效果較好，抗折強度增長較大，堿激發(fā)復(fù)合砂漿的1 d抗折強度達(dá)到9.33 MPa。

[1]楊勝多.堿激發(fā)膠凝材料發(fā)展趨勢[J].科技信息，2010（17）：253.

[2]劉文斌，肖雪軍.堿激發(fā)膠凝材料研究進(jìn)展[J].商品混凝土，2010 （9）：23-26.

[3]魏衛(wèi)東，王革陳．堿激發(fā)礦渣-粉煤灰膠凝材料研究進(jìn)展[J]．粉煤灰綜合利用，2008（3）：52-54.

[4]孔德玉，張俊芝，倪彤元，等.堿激發(fā)膠凝材料及混凝土研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報，2009，37（1）：151-159.

[5]黃赟.堿激發(fā)膠凝材料的研究進(jìn)展[J].水泥，2011（2）：9-12.

[6]楊猛，孫小巍，李文學(xué).堿激發(fā)礦渣膠凝材料的試驗研究[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2010（3）：1-3.

[7]于霖.堿激發(fā)礦渣膠凝材料的制備及其性能研究[M].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[8]顧亞敏，方永浩.堿礦渣水泥的收縮與開裂特性及其減縮與增韌[J].硅酸鹽學(xué)報，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”國家科技支撐計劃項目（2012BAJ20B02）

2016-03-29；

2016-05-02

王穆君，男，1979年生，浙江臺州人，高級工程師。