堿礦渣水泥化學收縮研究
0 引言
堿礦渣水泥是以磨細的水淬高爐礦渣和其它冶金渣為固態分散相，配以一定的堿組分制成的新型膠凝材料。目前，對該膠凝材料系統的化學收縮研究較少，而收縮問題是制約其應用發展的重要技術屬性之一。研究化學收縮，對確定不同類型收縮在堿礦渣水泥砂漿及混凝土總收縮中的比例及明確提高其體積穩定性的技術途徑具有重要意義。
雖然礦渣的化學成分和硅酸鹽水泥相近，但是由于礦渣在水淬過程中，冷卻速度極快，來不及成核結晶，90％以上為玻璃相，因此不存在單礦物水化減縮的差異。堿礦渣水泥水化過程比硅酸鹽水泥更復雜，水化產物的組成與數量隨堿組分變化而改變。堿組分種類不同，堿礦渣水泥化學收縮可能不同；堿組分種類相同，堿溶液濃度不同，堿礦渣水泥化學收縮也可能不同。本文試驗研究了礦渣種類、細度和堿組分種類、堿含量對堿礦渣水泥化學收縮的影響。
1 原材料和試驗方法
1.1原材料
礦渣：重慶鋼鐵集團水淬高爐礦渣，化學成分見表1，礦渣A的堿性系數為l.114、活性系數為0.304，屬堿性渣；礦渣B的堿性系數為0.964、活性系數為0.470，屬酸性渣。礦渣的密度為2.91～2.92g/cm3。礦渣與1.0%緩凝劑混磨，堿性渣的比表面積分別為390m2/kg、485m2/kg和590m2/kg；酸性渣的比表面積分別為：379m2/kg、514m2/kg和615m2/kg。
堿組分：分別采用水玻璃和NaOH作堿組分。前者為重慶北碚東風化工廠生產的水玻璃，其玻美度為52，模數為2.31，Na20和Si02含量分別為l3.57%和30.33%；后者NaOH含量為99%。
水泥：重慶拉法基水泥廠生產的P·0425級水泥。
1.2試驗方法
試驗裝置如圖l所示，由l25ml廣口玻璃瓶、中心穿孔膠塞及量管組成。量管采用10ml的刻度吸管，刻度分度值為0.1ml。
試驗前配制好堿溶液，提前將堿溶液、礦渣放入溫度為(20±1)℃室內，待原材料溫度與環境相同后開始做試驗。
步驟如下：
①稱取干燥過并冷卻的礦渣或水泥裝入廣口瓶。
②將量管插入膠塞中，量管與膠塞接觸處用502膠密封。
③向廣15瓶中加適量堿溶液或水(礦渣加堿溶液，水泥加水)，用玻璃棒攪拌使試樣分散，并排氣泡。
④用膠塞塞緊瓶口，膠塞與瓶口接觸處用502膠密封。
⑤用滴管通過量管向瓶內補充加水，使液面上升至接近量管的最大刻度。
⑥向量管中加一滴機油，用以封蓋水面，防止水分蒸發。
⑦將裝置放于溫度為(20±1)℃室內，待液面穩定后，即可讀取液面起始讀數。
每組3個試樣，每個試樣為50g。按預定水化齡期測讀瓶中的液面飛降值，取其平均值的2倍作為最終結果
2 試驗結果與討論
2.1礦渣種類對堿礦渣水泥化學收縮的影響
一共進行2個系列，共12組試驗，研究了堿性渣(礦渣A，比表面積為485m2/kg)和酸性渣(礦渣8，比表面積為514m2/kg)為固態分析相的堿礦渣水泥的化學收縮，其中NH系列試驗的堿組分為NaOH，WG系列試驗堿組分是模數為1.5的水玻璃。堿溶液濃度以Na20當量(即Na20占溶液質量比)計分別為4/35、4/45和4/55。堿礦渣水泥化學收縮試驗結果見圖2和圖3。普通硅酸鹽水泥的28d化學收縮為7～9ml/100g。
圖2 NH系列堿礦渣水泥的化學收縮
圖3 WG系列堿礦渣水泥的化學收縮
由上述試驗結果可以看出，當堿組分為Na0H且堿溶液濃度相同時，酸性渣制備的堿礦渣水泥各個齡期的化學收縮比堿性礦渣制備的堿礦渣水泥的略大；當堿組分為水玻璃時，堿性渣和酸性渣制備的堿礦渣水泥各齡期的化學收縮相當。說明礦渣堿度不是影響堿礦渣水泥化學收縮的主要因素。
無論是堿性渣還是酸性渣，NaOH為堿組分的堿礦渣水泥28d齡期的化學收縮量比水玻璃為堿組分的堿礦渣水泥的大。
2.2礦渣細度對化學收縮的影響
進行2個系列，共6組試驗。試驗中礦渣的比表面積分別為390m2/kg、485m2/kg和590m2/kg。堿組分為NaOH時，堿濃度為4/35；堿組分為水玻璃時，堿濃度為4/45。試驗結果如圖4所示。
圖4 礦渣細度對堿礦渣水泥化學收縮的影響
試驗結果表明，同等條件下，堿礦渣水泥28d齡期內的化學收縮隨齡期延長而提高，NaOH作堿組分的堿礦渣水泥的化學收縮大于水玻璃作堿組分的堿礦渣水泥。礦渣比表面積在390-590m2／kg范圍時，NaOH作堿組分的堿礦渣水泥化學收縮隨礦渣比表面積增大呈增長趨勢；水玻璃作堿組分的堿礦渣水泥初期(1d齡期)礦渣比表面積對化學收縮有一定影響，但此后齡期的影響不明顯。
2.3堿組分對化學收縮的影響
堿組分是堿礦渣水泥的獨立組分，是該膠凝材料活性形成的動力源。堿組分種類不同的堿礦渣水泥的水化過程、水化產物組成和結構有所區別，因此其化學收縮行為也不同。與其它影響因素相比，堿組分對堿礦渣水泥化學收縮的影響較復雜，包括堿組分的種類、堿溶液濃度(以Na2O當量計)和堿參數(水玻璃模數)等。
選擇水玻璃和NaOH做堿組分，礦渣比表面積為485m2／kg，水玻璃的模數分別為l.0、1.5和2.0，研究堿組分對堿礦渣水泥化學收縮的影響。結果見圖5。
堿濃度對不同堿組分配制的堿礦渣水泥化學收縮的影響見圖5a和圖5b。結果表明：
圖5 堿組分對堿礦渣水泥化學收縮的影響
1)在試驗的堿濃度范圍內，堿組分為NaOH的堿礦渣水泥的化學收縮比水玻璃(模數M=1.5)為堿組分的堿礦渣水泥大。
2)堿組分種類不同，堿溶液濃度對堿礦渣水泥化學收縮影響不同。當堿組分為NaOH、堿溶液濃度在4/55～5/35時，堿礦渣水泥各個齡期的化學收縮隨堿濃度提高呈逐漸增大趨勢。當堿組分為水玻璃且堿濃度在4/55～4/35范圍時，堿礦渣水泥各個齡期的化學收縮隨堿濃度變化曲線先增大后減小，出現“化學收縮最大”堿濃度點，本試驗條件下對應的堿濃度約為4/45。
研究表明，堿礦渣早期水化產物為無定形的水化硅酸鈣(C—S—H)，堿組分為水玻璃時，由于水玻璃早期水解，形成的活性Si02能快速與礦渣玻璃相解體產生的Ca2+反應，形成穩定的C—S—H，使一定齡期內體系中形成的水化產物比堿組分為NaOH的體系多，形成的C—S—H凝膠的C/S比亦更低，因此堿組分為水玻璃的堿礦渣水泥活性高于堿組分為NaOH的堿礦渣水泥。但堿組分為水玻璃的堿礦渣水泥的化學收縮卻比堿組分為NaOH的小，說明堿礦渣水泥的化學收縮大小不但與堿礦渣水泥活性有關，還與水化產物類型有關。筆者認為可能是由于Ca/Si低的水化硅酸鈣的密度比Ca/Si高的小，因此其化學收縮較小。
圖5c為水玻璃模數對堿礦渣水泥化學收縮影響，結果表明，水玻璃模數在1.0-2.0范圍內，堿礦渣水泥測試齡期的化學收縮隨水玻璃模數提高呈現先增大后減小趨勢，出現“化學收縮最大點”。當水玻璃模數為1.5時，堿礦渣水泥測試齡期的化學收縮最大。
3 結論
1)當堿組分為NaOH時，堿礦渣水泥28d齡期的化學收縮約為6～10ml/100g，與普通硅酸鹽水泥的(7-9 ml/100g)相當；當堿組分為水玻璃時，其收縮量約為3-6 ml/100g，比普通硅酸鹽水泥的略小。堿組分為NaOH的堿礦渣水泥的化學收縮比堿組分為水玻璃的大。
2)礦渣堿度對堿礦渣水泥的化學收縮影響不大。
3)當堿組分為NaOH時，堿溶液濃度(以Na20當量計)在4/55～5/35范圍內，礦渣水泥的化學收縮隨濃度增加呈增大趨勢；當堿組分為水玻璃時，堿濃度在4/55～4/35，堿礦渣水泥化學收縮隨堿濃度提高先增大后減小變化，出現“化學收縮最大”堿濃度點，本試驗條件下該濃度約為4/45。其它條件一定、模數在1.0～2.0區間內時，模數為l.5的水玻璃所配堿礦渣水泥的化學收縮最大。
編輯：
監督：0571-85871513
投稿：news@ccement.com
