礦渣微粉-糊精灰漿復(fù)合膠凝材料的試驗(yàn)研究

張 波

(陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，漢中 723000)

0 引 言

礦渣是煉鐵過程中產(chǎn)生的廢渣，目前經(jīng)粉磨的礦渣微粉主要作為水泥和混凝土摻合料，提高礦渣水泥和礦渣混凝土的技術(shù)性能[1-7]，應(yīng)用技術(shù)比較成熟。此外，礦渣微粉的研究應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，朱雪峰等[8]在3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基材料中摻加礦渣微粉，降低了堿度，進(jìn)一步提高了試件的抗彎強(qiáng)度，改善了耐久性；蔣偉麗等[9]研究了用礦渣水泥作為注漿材料的不同齡期的最佳配比；范士錦等[10]用礦渣微粉等效替代7.5%的水泥對透水混凝土進(jìn)行改性，得到滿足孔隙率的最優(yōu)抗壓強(qiáng)度和較好的抗折強(qiáng)度；李晨等[11]在土壤中加入礦渣微粉與少量激發(fā)劑，提高了土壤的液塑限，改善了土壤的壓實(shí)性、強(qiáng)度等；易耀林等[12]采用礦渣微粉提高軟土固化效果等，礦渣微粉改善了材料性能，有廣闊應(yīng)用前景。

古建筑中常用糯米灰漿進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建造，這些結(jié)構(gòu)至今固若金湯，現(xiàn)代研究者通過仿生制備了糯米灰漿，在古建筑加固與修復(fù)的研究和應(yīng)用中取得一定進(jìn)展[13-18]，但是制備的糯米灰漿短期內(nèi)強(qiáng)度較低，一般28 d抗壓強(qiáng)度在2 MPa以下[18-21]，糯米主要成分是支鏈淀粉，是樹枝形大分子結(jié)構(gòu)，但吸引力大的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將石灰中氫氧化鈣包裹，阻礙了氫氧化鈣與CO2的反應(yīng)進(jìn)程[22]。為了提高傳統(tǒng)材料的前期強(qiáng)度，本文用礦渣微粉代替一部分石灰，用主要成分是直鏈淀粉的糊精代替糯米，制備礦渣微粉-糊精灰漿膠凝材料，并對其強(qiáng)度和耐水性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，期望為該傳統(tǒng)技術(shù)的傳承和發(fā)展提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用市售材料，礦渣微粉：漢中漢鋼新型建材有限公司，型號S95，具體性能見表1；石灰：Ca(OH)2含量大于99%，分析純，天津市化學(xué)試劑研究所生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)砂：中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)；硅酸鈉：分子式Na2SiO3·9H2O，Na2O與SiO2含量之比為1.03±0.03，天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；糊精：生化試劑，天津市百世化工有限公司生產(chǎn)。

表1 礦渣微粉性能Table 1 Property of slag powder

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮糊精濃度、礦渣微粉替代率、激發(fā)劑和砂含量的影響，設(shè)計(jì)了12系列共36組試驗(yàn)，其中1、4、7和10系列為對比樣。每系列中糊精濃度不同，其它材料組成相同。試驗(yàn)系列和編號見表2。試驗(yàn)編號中D代表糊精，第一個(gè)S表示用礦渣微粉替代部分石灰，第二個(gè)S表示添加硅酸鈉激發(fā)劑，后面第1個(gè)數(shù)字1、2和3分別表示糊精濃度為8%、12%和16%，第二個(gè)數(shù)字-1和-2表示礦渣微粉替代率為25%和35%，第三個(gè)數(shù)字-1表示砂含量為900 g。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experiment design

1.3 試驗(yàn)方法

首先將糊精和水按質(zhì)量比為1∶(5.3～11.5)混合加熱，并保持溫度80 ℃待充分溶解糊化制備8%、12%和16%濃度的糊精乳液，再同其它材料混合。

膠凝材料抗壓和抗折強(qiáng)度按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(ISO)(GB/T 17671—1999)要求，每一編號制備40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試樣三組，分別測定28 d、90 d的強(qiáng)度和耐水性能。試樣在溫度20 ℃、相對濕度90%條件下養(yǎng)護(hù)后脫模，用NYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī)(精度等級1級)和DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，將試樣浸泡在水里，記錄試樣開始崩解的時(shí)間，進(jìn)行耐水試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓和抗折強(qiáng)度

2.1.1 糊精濃度對強(qiáng)度的影響

不同糊精濃度下試樣強(qiáng)度如圖1所示，發(fā)現(xiàn)抗折強(qiáng)度均高于對比樣。由圖1(a)可知，無激發(fā)劑且砂含量為1 350 g時(shí)，隨糊精濃度的增加，同一系列28 d和90 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小，糊精濃度為8%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度高于對比樣，其余抗壓強(qiáng)度均小于對比試樣，尤其90 d抗壓強(qiáng)度。

由圖1(b)可知，有激發(fā)劑且砂含量為1 350 g時(shí)，隨糊精濃度的增加，同一系列抗壓強(qiáng)度均持續(xù)增長，90 d抗折和抗壓強(qiáng)度增加較多；糊精濃度為8%和12%時(shí)抗壓強(qiáng)度低于對比樣，糊精濃度為16%時(shí)90 d抗壓強(qiáng)度大于對比試樣。

如圖1(c)，當(dāng)無激發(fā)劑且砂含量為900 g時(shí)，隨糊精濃度的增加，同一系列28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小，其值高于對比樣強(qiáng)度，當(dāng)糊精濃度為12%和16%時(shí)，90 d抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長，強(qiáng)度大于對比試樣，糊精濃度為16%時(shí)90 d抗壓強(qiáng)度低于12%時(shí)試樣強(qiáng)度。

如圖1(d)，有激發(fā)劑且砂含量為900 g時(shí)，抗壓強(qiáng)度大于對比試樣，糊精濃度為12%和16%時(shí)，90 d抗壓強(qiáng)度提高較大。綜上所述，無激發(fā)劑時(shí)糊精濃度大時(shí)會包裹膠凝顆粒阻礙凝結(jié)固化，而加入激發(fā)劑加快了凝結(jié)固化，此時(shí)糊精濃度越大強(qiáng)度越高。

圖1 不同糊精濃度時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度(CS)和抗折強(qiáng)度(RS)Fig.1 Compression strength (CS) and rupture strength (RS) of specimens with different dextrin concentration

2.1.2 礦渣微粉替代率和激發(fā)劑對強(qiáng)度的影響

同一糊精濃度下不同礦渣微粉替代率的試樣強(qiáng)度曲線如圖2所示，發(fā)現(xiàn)礦渣微粉替代石灰后，抗折強(qiáng)度比對比試樣均有提高，礦粉替代率為35%的28 d抗壓強(qiáng)度高于25%的，當(dāng)砂含量為900 g時(shí)的強(qiáng)度高于砂含量為1 350 g試樣的，砂含量為900 g時(shí)的強(qiáng)度高于對比樣的；加入激發(fā)劑，明顯提高了抗壓強(qiáng)度；當(dāng)砂含量為900 g時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度隨糊精濃度的增加而增加，有激發(fā)劑時(shí)礦粉替代率為35%的90 d抗壓強(qiáng)度比25%的低?？梢?，提高礦渣微粉替代率，增加了潛在活性膠凝材料的含量，強(qiáng)度基本增加，但隨著糊精濃度提高，在激發(fā)劑下生成較多的水化產(chǎn)物交叉搭接，加上高濃度糊精的凝結(jié)，會形成一層膜阻礙后期凝結(jié)固化的進(jìn)行，降低了90 d強(qiáng)度提高幅度，同時(shí)表明各個(gè)因素之間相互影響。

圖2 不同礦渣微粉替代率時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.2 Compression strength and rupture strength of specimens with different slag powder replacement rates

2.1.3 砂含量對強(qiáng)度的影響

由上述分析發(fā)現(xiàn)礦渣微粉替代率為35%時(shí)，整體強(qiáng)度較高，故只分析此時(shí)砂含量對強(qiáng)度的影響，見圖3。由圖可見砂含量為900 g時(shí)試樣強(qiáng)度均高于砂含量為1 350 g試樣的，減少試樣中砂的含量，即增加了石灰和礦渣微粉總含量，故強(qiáng)度可明顯提高，抗壓強(qiáng)度增加幅度大于抗折強(qiáng)度，90 d抗壓強(qiáng)度比28 d的增幅大，有激發(fā)劑時(shí)隨著糊精濃度的增加強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

圖3 不同砂含量時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.3 Compression strength and rupture strength of specimens with different sand content

綜上分析，添加激發(fā)劑，減少砂含量，提高了膠凝材料強(qiáng)度；有激發(fā)劑且砂含量為1 350 g，糊精濃度為16%時(shí)提高了90 d抗壓強(qiáng)度，且礦渣微粉替代率為25%的90 d抗壓強(qiáng)度高于35%的；有激發(fā)劑且砂含量為900 g時(shí)，均提高了抗壓強(qiáng)度，礦渣微粉替代率為35%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度較高，礦渣微粉替代率為25%時(shí)90 d抗壓強(qiáng)度提高較多，且糊精濃度為12%的試樣90 d抗壓強(qiáng)度高于35%的。其中強(qiáng)度最大的是SS3-1-1組即礦渣微粉替代率為25%、糊精濃度為16%、砂含量為900 g并添加激發(fā)劑時(shí)其28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為0.62 MPa和3.95 MPa，90 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為1.21 MPa和8.31 MPa。

2.2 耐水性能

每組試樣耐水性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知有激發(fā)劑的復(fù)合膠凝材料耐水性能普遍比無激發(fā)劑的好，礦渣微粉替代率高的普遍比低的耐水性好，有激發(fā)時(shí)糊精濃度越高其耐水性越好，砂含量少的耐水性能較好，其中SS3-1-1組耐水性能達(dá)27 d。

表3 耐水性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of water resistance

3 膠凝體系的反應(yīng)機(jī)理探討

石灰漿中的氫氧化鈣從空氣中吸收二氧化碳而凝結(jié)硬化，加入強(qiáng)度較好、滲透性強(qiáng)的糊精溶液，在調(diào)控碳酸鈣晶核生成[22]的同時(shí)，其羥基可通過靜電作用吸引Ca2+，加快了碳酸鈣晶體成核與生長，但氫氧化鈣的碳化過程比較緩慢故前期強(qiáng)度較低。用有活性的礦渣微粉替代部分石灰，并引入堿性激發(fā)劑，會得到以下結(jié)果。其一，部分石灰凝結(jié)固化；其二，礦渣微粉中含大量活性CaO、SiO2和Al2O3，在強(qiáng)堿和硅酸鈉激發(fā)下生成水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣凝膠等；其三，加入的硅酸鈉一部分與氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，使該膠凝物質(zhì)進(jìn)行了多方位凝結(jié)硬化，加快了固化速度，多種水化產(chǎn)物在糊精參與下包裹連接，脫水縮聚，形成較致密的結(jié)構(gòu)，從而提高其力學(xué)性能和耐水性能。

4 結(jié) 論

(1)添加硅酸鈉激發(fā)劑和減少砂含量均可提高膠凝材料強(qiáng)度。

(2)有激發(fā)劑且砂含量為900 g時(shí)，均提高了抗壓強(qiáng)度，且隨糊精濃度的增加而提高，礦渣微粉替代率為35%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度較高，礦渣微粉替代率為25%時(shí)90 d抗壓強(qiáng)度提高顯著，且糊精濃度為12%的試樣90 d抗壓強(qiáng)度高于35%的。

(3)糊精濃度為16%、礦粉替代率為25%、砂含量為900 g且有激發(fā)劑的復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度最好，其28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為0.62 MPa和3.95 MPa，90 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為1.21 MPa和8.31 MPa，該復(fù)合膠凝材料也具有較好的耐水性能。