堿礦渣膠凝材料性質(zhì)研究

王 巍，劉 益，林 鮮

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津300451

傳統(tǒng)的海底管道配重層補(bǔ)口材料主要為瀝青瑪蹄脂，由于使用這種材料在鋪管船上進(jìn)行補(bǔ)口時大約需要加熱到160 ℃以上才能滿足施工要求，造成現(xiàn)場煙熏火燎，工作環(huán)境極為惡劣。于是幾十年來，人們一直在努力尋求新型的補(bǔ)口材料。例如，沿著柔性材料的發(fā)展思路，先后開發(fā)出了聚氨酯泡沫補(bǔ)口材料、聚脲補(bǔ)口材料等；沿著剛性材料的發(fā)展思路，開發(fā)出了硫磺混凝土、無機(jī)非金屬材料補(bǔ)口材料等。

自美國在二十世紀(jì)三十年代和前蘇聯(lián)在二十世紀(jì)五六十年代系統(tǒng)研究堿礦渣膠凝材料以來，堿礦渣膠凝材料的研發(fā)引起了國際上的普遍重視，各國紛紛進(jìn)行大量研究和推廣應(yīng)用，目前，堿礦渣膠凝材料在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展仍然方興未艾。由于該種材料具有節(jié)能、環(huán)保、施工性能良好、常溫和高溫時凝結(jié)及硬化速度快慢靈活可調(diào)、硬化后早期和后期強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕及耐久性好等特點(diǎn)[1-5]，因此對該種材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，充分了解其性能變化規(guī)律及機(jī)理，并將其應(yīng)用于海底管道配重層補(bǔ)口上，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會及環(huán)境效益。

1 原材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用天津市漁陽超細(xì)礦粉加工有限公司的比表面積為6 000 cm2/g 的超細(xì)礦渣，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的液體NaOH 和天津堿廠生產(chǎn)的模數(shù)為2.6～2.9、相對密度為1.38～1.45 的液體鈉水玻璃。在試驗(yàn)中所使用的各種有機(jī)、無機(jī)化合物均為化學(xué)試劑。

堿礦渣膠凝材料漿體凝結(jié)時間的測定方法及堿礦渣膠凝材料試件的制作方法為：控制堿礦渣膠凝材料漿體流動度19～22 cm，在4 cm×4 cm×16 cm的試模中成型，流動度測定按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行，用維卡凝結(jié)時間測定儀測定室溫時的凝結(jié)時間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鈉水玻璃的模數(shù)及摻量的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表1～表4。

表1 NaOH 的摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養(yǎng)護(hù)溫度8 ℃）

表2 模數(shù)為0.5 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養(yǎng)護(hù)溫度6 ℃）

表3 模數(shù)為1.0 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養(yǎng)護(hù)溫度7 ℃）

表4 模數(shù)為1.5 的水玻璃摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響（養(yǎng)護(hù)溫度7 ℃）

表1 表明：單用NaOH 為激發(fā)劑，在8 ℃的養(yǎng)護(hù)條件下，NaOH 的最佳摻量為礦渣的3%～6%，NaOH 激發(fā)礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度28 d 可達(dá)60 MPa。

表2、表3、表4 表明：用鈉水玻璃為激發(fā)劑，在7 ℃的養(yǎng)護(hù)條件下，鈉水玻璃的最佳模數(shù)為1.0，最佳摻量為7.5%～12.5%，鈉水玻璃激發(fā)礦渣的抗壓強(qiáng)度28 d 可達(dá)到75 MPa。

無論采用NaOH 還是鈉水玻璃為礦渣的激發(fā)劑，在最佳摻量范圍內(nèi)，堿激發(fā)礦渣膠凝材料的終凝時間均在0.5～2.5 h 之間。

2.2 常見化合物的種類及摻量的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 表明：多數(shù)偏酸性的化合物和偏堿性的化合物明顯地降低堿激發(fā)礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度；而偏中性的多數(shù)化合物對堿激發(fā)礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度影響則較少。無論摻加上述的何種化合物，在常溫下養(yǎng)護(hù)，堿激發(fā)礦渣膠凝材料的終凝時間均在2.5 h 之內(nèi)。

2.3 摻PbO 調(diào)凝劑的堿激發(fā)礦渣膠凝材料的基本性能

（1） PbO 摻量對模數(shù)為1.0 的鈉水玻璃激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 常見化合物的種類及摻量對堿礦渣膠凝材料性能的影響

表6 表明：當(dāng)PbO 內(nèi)摻礦渣的0%～12%時，可使模數(shù)為1.0 的鈉水玻璃激發(fā)礦渣膠凝材料的終凝時間在47 min 至5 h 之間可調(diào)，而膠凝材料的抗壓強(qiáng)度基本保持在100 MPa 不變；當(dāng)PbO 為內(nèi)摻礦渣的12%～24%時，可使膠凝材料的終凝時間在5～8 h 之間可調(diào)，但膠凝材料的抗壓強(qiáng)度則由約100 MPa 降至約70 MPa。

（2） PbO 摻量對NaOH 激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 表明：當(dāng)PbO 調(diào)凝劑內(nèi)摻礦渣的0%～8%時，可使NaOH 激發(fā)礦渣膠凝材料強(qiáng)度保持在50MPa以上，當(dāng)調(diào)凝劑內(nèi)摻8%～10%時，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度略下降至約40 MPa。

表6 PbO 摻量對模數(shù)為1.0 的鈉水玻璃激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響

表7 PbO 型緩凝劑摻量對NaOH 激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響

（3） 鈉水玻璃模數(shù)對摻PbO 調(diào)凝劑的堿激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 鈉水玻璃模數(shù)對摻PbO 調(diào)凝劑的堿激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響

表8 表明：鈉水玻璃模數(shù)對摻PbO 調(diào)凝劑的水玻璃激發(fā)礦渣膠凝材料的凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度影響極大，當(dāng)水玻璃模數(shù)由0 增加到0.5 時，水泥的終凝時間由23 h 34 min 縮短到2 h 6 min，而抗壓強(qiáng)度由49.4 MPa 增加到84.0 MPa。

（4） PbO 調(diào)凝劑和NaOH 摻量等比例增加時對堿激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 PbO 調(diào)凝劑和NaOH 摻量等比例增加時對堿激發(fā)礦渣膠凝材料性能的影響

表9 表明：PbO 調(diào)凝劑和NaOH 摻量等比例增加，使得NaOH 激發(fā)礦渣水泥的終凝時間由11 h 54 min 縮短到3 h 34 min，抗壓強(qiáng)度也由58.8 MPa下降到40.7 MPa。（5） PbO 調(diào)凝劑的膠凝性研究。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

3 結(jié)論

以上試驗(yàn)研究僅僅是試圖將堿礦渣膠凝材料應(yīng)用于海底管道配重層補(bǔ)口上的初探，更為詳盡的研究工作尚需進(jìn)一步開展。通過上述研究，初步得到如下結(jié)論：

（1） 當(dāng)采用模數(shù)為1.0 的液體鈉水玻璃作為堿激發(fā)劑，礦渣內(nèi)摻調(diào)凝劑PbO 0.5%～10%時，堿礦渣膠凝材料抗壓強(qiáng)度保持基本不下降（約90 MPa），而堿礦渣膠凝材料在室溫為5～8 ℃的環(huán)境下，終凝時間由30 min 延長至6 h；若礦渣內(nèi)摻調(diào)凝劑PbO 10%～24%，則終凝時間可延長至8 h，但抗壓強(qiáng)度下降至約70 MPa。

（2） 當(dāng)采用工業(yè)液體NaOH 為堿激發(fā)劑，礦渣內(nèi)摻調(diào)凝劑PbO 0.5%～10%時，堿礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度由約65 MPa 略下降至約50 MPa，而終凝時間在室溫10 ℃情況下，由3 h 延長至28 h。

（3） 調(diào)凝劑PbO 與Ca（OH）2的混合物不具有膠凝性。

（4） 應(yīng)用堿礦渣膠凝材料進(jìn)行海底管道配重層補(bǔ)口是可能的。