碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究

充分利用冶金工业高炉矿渣替代部分水泥熟料生产新型高性能水泥，已成为当今建材领域的研究方向之一，这对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。多年来，人们对高炉矿渣在水泥和混凝土中的应用进行了大量的研究，并取得了明显的进步，目前已建成二十一条立磨矿渣微粉生产线，矿渣微粉的生产能力达到年产1500万吨。矿渣微粉主要是用来部分取代硅酸盐水泥熟料生产矿渣水泥，或作为混凝土的掺合料取代部分水泥配制高性能混凝土。本课题对矿渣的化学成分、微观结构、激发剂的种类、激发机理、产物的类型、硬化体的孔结构，以及碱矿渣微粉胶凝材料的主要性能进行了系统的研究。通过考察矿渣的形成过程和分析矿渣的微观结构，加深了对矿渣本质的认识。矿渣主要由玻璃相和结晶相组成，而玻璃相由贫硅相和富硅相组成。实验表明：在强酸或强碱溶液中，贫硅相先离解出Ca2+和Mg2+，而富硅相离解出[SiO4]4-的速度较慢。在强酸溶液中，矿渣中离解出的[SiO4]4-离子在H+的作用下形成无胶凝性的硅烷醇，因此强酸不宜作为矿渣胶凝材料的激发剂。在碱溶液中，矿渣中离解出[SiO4]4-离子能与Ca2+离子形成水化硅酸钙凝胶，因此碱可作为矿渣胶凝材料的激发剂。由于富硅相中[SiO4]4-离解的速度较慢，溶液中[SiO4]4-离子的数量不足，因此，碱激发剂最好是能快速提供一定数量[SiO4]4-离子的碱性物质。碱性激发剂研究表明：用NaOH和KOH等强碱作激发剂时，掺量在8％左右，试样的强度较好；用Ca（OH）2等中强碱作激发剂时，试样早期的强度偏低；用液体水玻璃作激发剂时，试样的抗折强度和抗压强度发展较好。试验结果有效地验证了上述理论推理。在上述激发剂研究的基础上，开发了固体激发剂W1和W2，它们能和矿渣共同混磨，避免了液体激发剂一些缺陷。所得到矿渣微粉胶凝材料的早期抗压强度偏低，中后期的抗压强度发展较好，主要水化产物为类似于沸石的铝硅酸钠钙胶凝矿物和C-S-H凝胶。采用正交实验通过极差分析对碱矿渣微粉胶凝材料的配方进行优化，得出了最佳配比。硅酸盐熟料和硫酸盐复合激发剂的实验结果表明：试样的抗折、抗压强度能达到矿渣水泥42．5级的标准，早期（3d）强度偏低，中后期的抗折、抗压强度发展较好，28d的抗压强度超过52．5级硅酸盐水泥的强度，60d的抗压强度发生少量的倒缩，抗折强度仍在增长。其主要水化产物为C-S-H凝胶和钙钒石晶体。从水化试样的微观分析可知：矿渣水化后，在矿渣颗粒周围生成颗粒状、圆球状的沸石类矿物和C-S-H凝胶，以及少量的无定型的凝胶矿物，这些胶凝物质随着龄期的增加而增多，它们粘结在矿渣颗粒周围并向矿渣颗粒间隙中填充，使试体内部微孔的孔径在不断变小。孔隙率测试结果表明：随着水化时间的延长，大于100nm的有害孔减少，小于50nm的无害孔相对增加，结构更加密实。应用微粉颗粒堆积原理和分形理论，建立了水泥石的分数维的模型，并用压汞仪测定的数据来检验了所建立模型的正确性。借助该模型研究了水泥石内部孔结构的分数维数。该模型为表征水泥石孔结构找到了一种新方法。对用不同粉磨方式所制得的三种矿渣微粉的研究表明：立磨加工的微粉颗粒形状多为片状或粒状，且粒度分布偏窄；球磨机和振动磨制备的微粉颗粒的球形度较好，且粒度分布较宽。力学性能试验研究表明：相同细度和相同的激发剂作用下，三种微粉水泥各龄期的强度都超过52．5级矿渣水泥，其中振动磨矿渣微粉的抗折、抗压强度最高；立磨矿渣微粉的抗折强度比球磨矿渣粉的略高，而抗压强度比球磨矿渣粉的略低。微粉颗粒的形貌对早期的性能有一定的影响。对同一种矿渣比表面积分别为550m2／kg、820m2／kg的矿渣微粉研究发现，在同样的实验条件下，比表面积为550m2／kg的矿渣微粉形成胶凝材料的抗折、抗压强度较高。而比表面积为820m2／kg的抗折、抗压强度反而偏低。这说明矿渣微粉并非磨的越细越好。为了解决碱矿渣微粉胶凝材料干缩的问题，开发了一种性能良好的膨胀剂。对碱矿渣微粉水泥的干缩性能研究表明：膨胀剂掺加量在4％～6％时的范围内，其干缩性得到改善，而水泥的强度保持稳定。膨胀剂掺加量过多，胶凝材料的干缩性虽得到补偿，但其强度降低明显。矿渣微粉胶凝材料的抗化学侵蚀性能研究表明：其性能优越于普通硅酸盐水泥，特别是抗硫酸盐侵蚀性能更好。