摘 要：近几年来，碱矿渣胶凝材料成为一种令人广泛关注的新型胶凝材料，它具有强度高,特别是早期强度高、水化热低、抗渗性好、抗冻性强、耐热性好、抗化学侵蚀性能优良和工作性及耐久性好等优点，符合我国建材行业可持续发展的目标。但目前的研究表明，该种材料砂浆塑性收缩很大，限制了它的广泛应用。因此有必要从不同角度对影响该胶凝材料的塑性收缩因素作探讨。本文研究了激发剂种类、矿砂比、氧化钠当量和水玻璃模数对碱矿渣砂浆塑性收缩的影响。
关键词：碱矿渣；胶凝材料；塑性收缩；水分蒸发速率
中图分类号: TU5 文献标识码:A
0引言
混凝土材料是人类社会发展中不可缺少的物质基础。1998年全世界混凝土的生产量约为28亿立方米，中国混凝土产量(港澳台未计入在内)约占世界总产量的45%，约13亿立方米。2000年我国水泥混凝土的用量达到了20亿立方米。这需要耗费水泥5亿多吨，砂石30多亿吨。而每生产1吨水泥又要耗费1.10吨石灰石，0.25吨黏土，115公斤煤和108千瓦时电，还有其它辅助原料[1][2]。可见水泥混凝土工业不仅能源与资源消耗巨大，而且排出大量CO2和Nix,污染环境。由于这些缺点，使硅酸盐水泥的应用面临可持续发展的挑战。而以碱矿渣为主的碱矿渣胶凝材料就可很好的弥补以上缺陷。
碱矿渣胶凝材料是以磨细的高炉矿渣、电热磷渣、粉煤灰等工业废渣或火山灰等天然矿物为主要原料,碱化合物或含碱工业废渣为激发剂，制得的水硬性胶凝材料。与常用的硅酸盐水泥相比,碱矿渣胶凝材料具有独特的水化机理和水化矿物结构,因而具有许多优异的性能和广阔的应用前景。碱矿渣胶凝材料最早于1957 年由前苏联乌克兰共和国基辅建筑工程学院的Глуховский发明。此后他们进行了多年的持续研究,由此带动了国际上研究碱矿渣胶凝材料的热潮[3][4] 。但目前的研究表明，该种材料的砂浆塑性收缩率大，限制了它的广泛应用，因此本文从不同角度探讨了影响该材料塑性收缩的因素。
1试验原材料
1.1水泥：重庆拉法基水泥厂生产的42.5R级普通硅酸盐水泥（P.O42.5R），化学成分见表1。
1.2矿渣：采用重庆钢铁集团煤铁厂水淬高炉矿渣经烘干掺入1％YP碱矿渣缓凝剂，经MZ—200C型振动磨粉磨60min得到比表面积分别为510m2/kg，密度为2.94 g/cm3的矿粉，化学成分见表1。活性指标值见表2矿渣碱性系数Mo＞1.0；活性系数 Ma＞0.12;质量系数Mk＞1.0属碱性矿渣活性较高。
1.3激发剂：水玻璃模数M＝1.0，1.5，2.0,水玻璃主要指标见表3；分析纯NaOH。
1.4减水剂：江苏博特新材料有限公司产JM-B奈系高效减水剂。
2试验方案及结果分析
2.1试验仪器及方法
本试验采用激光位移传感器测量砂浆试件塑性变形，其特点在于：完全的非接触式测量，传感器对被测体无作用力；较高的稳定性和精度，适应恶劣环境条件下的测量，环境波动影响小；可实现在线实时测量，数据信息通过专门的数据传输线即可与数显表连接，也可与计算机的RS232接口连接，配以相应的计算软件（设备制造商提供），
就能实现对测量数据的自动采集。激光位移传感器常用于机械制造、电子等行业中，其精度大小与量程有关，量程越小，精度和灵敏度越高，本文试验采用德国米依（Micro-epsilon）公司产5mm量程的激光位移传感器（图1）。
用于测量收缩变形的砂浆钢模具尺寸为40mm×40mm×160mm，在模具长度方向侧面的中心处开一直径为5mm的圆孔，用于放置引申杆。引申杆与混凝土试件端部的轻质预埋件连接，为加强该轻质预埋件在混凝土中的稳定性和锚固性，将其做成倒“T”字形；引申杆伸出试模的部分，其端部的截面尺寸略大于杆体本身的截面尺寸，由于该端部是作为传感器的反射靶，其尺寸规格及表面的平整度需满足所选激光传感器的技术要求（不宜选择过于光滑的镜面材料，而影响到漫反射效果）。另外，为减小底面和侧面与混凝土试件之间的约束，在侧面和底面铺上塑料薄膜。砂浆分二层浇注入模，振动密实。调整试模位置使传感器的激光束垂直打在两端反射靶上，并留有足够的测量范围。反射靶的轴向位移将由当前间距和初始间距之差反映出来。砂浆塑性收缩定量测定是在空气温度和相对湿度分别为20±2℃和60±4%的室内环境条件下进行的。试验进行时间为24h，由计算机自动采集数据，并用电子称称量砂浆24h的水分蒸发量。
2.2试验结果及分析
2.2.1激发剂种类对碱矿渣胶凝材料塑性收缩的影响
分别以氢氧化钠和水玻璃为激发剂，Na2O当量定为4.4%，胶砂比为：1：3，按照国标试验方法搅拌砂浆和作砂浆跳桌流动度试验。试验结果见表4和图2。
用水玻璃作为碱矿渣胶凝材料的激发剂，其激发性能优异，试件强度发展高，尤其是后期强度值大，但其也表现出试件的水分蒸发率过大，早期塑性收缩表现为偏高，且收缩性下降缓慢。在24h内表现出有一直收缩的趋势，收缩的加大易于导致塑性裂缝的产生，从而引起混凝土的早期开裂，影响混凝土的长期的耐久性。氢氧化钠作激发剂，10h后收缩率基本为0，收缩值大小表现为微波动状态。开始成型2h内，由于受塑性沉降或早期泌水作用，收缩值为负值，
2.2.2不同模数水玻璃对碱矿渣胶凝材料塑性收缩的影响
以水玻璃为碱矿渣胶凝材料的激发剂，其中Na2O当量固定为4.4%，取模数分别为1.0，1.5，2.0的三种水玻璃对碱矿渣胶凝材料进行碱激发，溶矿比为：0.55，胶砂比为：1：3。试件经搅拌均匀后成型，其部分性能和收缩曲线见表4和图3。
由表4和图3可以看出：Na2O当量为4.4%，不同模数的水玻璃对碱矿渣的激发效果均较好，早期抗压强度和抗折强度都很高，并且后期强度稳定增长，且搅拌后的砂浆跳桌流动度和水分蒸发速率也有一定的相关性。由收缩曲线可以看出：模数为1.0时，试件成型后的前4h内，试件呈现出极其微小的收缩，也就是说试件在这段时间内基本不收缩。尔后在4h---16h时间内，试件的收缩值急剧变大，收缩率呈几何级数上升，从33um急剧飙升到3220um，收缩变化之大可想而知。此后在16h---24h内试件收缩值就变化不大，呈微波动状态变化。模数为1.5时，试件成型后整个曲线的收缩值呈缓慢增大的趋势，收缩率也相对很小，但在后期还是有一定的收缩趋势。模数为2.0时，搅拌后的砂浆跳桌流动度相对较小，但水分蒸发速率很小，这将有利于缓解由水分蒸发速率过大而引起的塑性开裂。试件成型后的前5h内，试件呈现出一定的微膨胀，这可能是由于塑性沉降造成的。这是因为：砂浆拌和是固体颗粒，水和空气交混而成的三项体系。浇灌成型后，绝大部分空气逸出，固体粒子
互相接触形成一个孔隙中充满水的空间构架。由于粒子间仅有微弱的摩擦力，不足以阻止相互的滑移，它们将继续凭借重力在上下方向上沉降，在水平方向上线性增大，从而在水平方向上呈现出一定的微膨胀。尔后，在5h----8h之间试件表现出一定收缩，不过收缩值和收缩率都很小，并且在以后的时间内，收缩曲线趋于平稳，收缩值基本不再变化，收缩性能稳定。
2.2.3氧化纳当量对碱矿渣胶凝材料塑性收缩的影响
碱组分的掺量以Na2O当量为计算标准，分别以NaOH和不同细度模数的水玻璃作为激发剂，对碱矿渣胶凝材料进行碱激发，Na2O当量分别取2.4%，4.4%，6.4%。NaOH为激发剂时，取溶矿比为0.50，胶砂比为1：3；水玻璃为激发剂时，取溶矿比为0.55，胶砂比为1：3。成型后碱矿渣砂浆配比及部分性能如表4和图4、5所示。
由图中曲线可以看出：Na2O当量为2.4%的氢氧化钠激发剂，搅拌后的砂浆跳桌流动度小，且成型后的试件水分蒸发速率大，早期抗压抗折强度都很低，并且发展缓慢。由收缩曲线也可以看出：试件成型后的前2个小时，呈膨胀状态，而后，收缩值开始增大，并且在24小时后收缩值还有增大的趋势。Na2O当量为4.4%的氢氧化钠激发剂，搅拌后的砂浆跳桌流动度大，而试件成型后的水分蒸发速率很小，早期抗压强度和抗折强度都很高，并且后期强度稳定增长。由收缩曲线也可以看出：试件成型后的第一个小时内，收缩值急剧增大，这可能是由于试件成型时振捣导致的泌水所致。而后收缩保持稳定，整个收缩曲线呈微波动状态，收缩变形小，体积稳定性好。Na2O当量为6.4%的氢氧化钠溶液激发剂，搅拌后的砂浆跳桌流动度很大，但试件成型后的水分蒸发速率也相应很大。早期抗压抗折强度都很高，并且后期稳定增长。由收缩曲线可以看出：试件成型后的10小时内，试件一直呈膨胀状态，且膨胀值是一直增大的， 10h后试件在原膨胀的基础上开始收缩，并在14h试件又恢复到原有尺寸，此后又呈现出微膨胀性。对于掺Na2O当量为6.4%的氢氧化钠溶液激发剂，激发后试件为什么会呈现出膨胀性，目前还没有找到合适的膨胀源，又不能通过早期塑性沉降或毛细管压力学说给人以合理的解释。
不同Na2O当量的水玻璃激发剂的激发效果均较好，搅拌后的砂浆跳桌流动度大，但同时水分蒸发速率也很大，由收缩曲线可以看出：Na2O当量为2.4%的水玻璃时，试件成型后的前4h内，可能由于成型时捣振造成的泌水作用，试件呈现出微小的膨胀，其后在6h----24h之间，试件收缩值急剧增大，并且在24h后，已有很大的收缩趋势。如此大的收缩趋势必将导致早期塑性裂缝的产生，从而破坏了试件体积的稳定。Na2O当量为4.4%的水玻璃，整个收缩曲线呈现出收缩率很小，收缩值也很小，并且后期的收缩趋势增长缓慢。Na2O当量为6.4%的水玻璃，整个收缩曲线呈现出收缩率小，收缩值也小，但要比Na2O当量为4.4%的水玻璃激发的碱矿渣砂浆试件的相应收缩值偏大，且后期的收缩值也一直大于Na2O当量为4.4%的水玻璃。
2.2.4矿砂比对碱矿渣胶凝材料塑性收缩的影响
以NaOH和模数为1.5的水玻璃为碱矿渣胶凝材料的激发剂，Na2O当量固定为4.4%，溶矿比为：0.55，胶砂比分别取为：1：3和1：2。试件经搅拌均匀后成型，其部分性能和收缩曲线见表5和图6、7。
两种激发剂对不同胶砂比的激发效果都较好，搅拌后的砂浆跳桌流动度相对较好，且水分蒸发速率稳定，试件早期强度大，后期强度发展稳定。由收缩曲线可以看出：胶砂比为1：2时，两种激发剂下试件的收缩值在24h后都有的增大趋势；胶砂比为1：3时，水玻璃激发的试件的收缩值在24h后还有一定的增大趋势，而NaOH激发的试件的收缩值在2h后就基本保持稳定。
3结论
综合上述试验研究得到以下结论：
（1）对于采用不同Na2O当量的碱激发剂而言，存在一个相对好的当量值，能在一定程度上降低碱矿渣砂浆的塑性收缩。
（2）水玻璃的模数对碱矿渣砂浆的强度发展和早期塑性收缩都有一定的影响。综合考虑可以得出：Na2O当量为4.4%，模数为1.5的水玻璃激发剂时，可以得到强度相对较高和早期塑性收缩较小的碱矿渣砂浆。
参考文献
1 Yan Shen，ShenXiaodong，WuXuequan . The properties of alkali-activated slag cement based high –level waste forms. The 3rd Beijing Int Symp onCem and Concr . Vol 2,Beijing .1993:1054
2 陶琦.自密实混凝土流变性能的研究[J].哈尔滨工业大学学报.2005 (6). 1-6
3 杨南如. 碱胶凝材料形成的物理化学基础. 硅酸盐学报.1996年.210-211
4 吴其胜 ,李玉寿 ,李玉华.复合碱组分对矿渣 ———粉煤灰碱胶凝材料性能的影响[J]. 粉煤灰综合利用 ,2001 (2):22 - 24.
