堿激發(fā)膠凝材料砂漿在干濕條件下體積變化的試驗(yàn)

1、堿激發(fā)膠凝材料砂漿在干濕條件下體積變化的試驗(yàn)研究1鄭娟榮，姚振亞，解靈霞 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 (450002) E-mail: HYPERLINK mailto:Zhengjr126 Zhengjr126 摘要：本文對(duì)堿激膠凝材料與水水泥體系在干濕條件下的體積變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中水水泥體系為對(duì)比樣。結(jié)果表明： 與水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料在干濕條件下體積變 化的特點(diǎn)是濕脹小，自身收縮大，干縮大。結(jié)論是堿激發(fā)膠凝材料適合在潮濕環(huán)境中使用，不宜在干燥環(huán)境中使用。 關(guān)鍵詞：堿激發(fā)膠凝材料；干濕條件；體積變化0. 引言1930 年德國(guó)的 Kuhl 首次研究了礦渣在苛性堿溶液中的激活特性；19

2、40 年比利時(shí)的 Purdon 對(duì)礦渣苛性堿或礦渣堿堿金屬鹽進(jìn)行了研究；1957 年前蘇聯(lián) Glukhovsky 提出了 土壤水泥的概念；1982 年法國(guó)的 Davidovits 發(fā)明了地聚合物水泥（又稱金字塔水泥、地聚 水泥），這類膠凝材料由堿激發(fā)煅燒高嶺土制成1。近幾年我國(guó)學(xué)者也對(duì)堿激發(fā)膠凝材料做 了大量工作2-4,但主要集中在這類材料的配制、強(qiáng)度發(fā)展的研究，對(duì)于堿激發(fā)膠凝材料的體 積變化研究得較少。膠凝材料的體積變化是制約其材料應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。膠凝材料的體 積變化包括化學(xué)收縮、自身收縮、干濕變形、溫度變形及徐變等。本文主要對(duì)堿激發(fā)膠凝材 料砂漿在干濕條件下的體積變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并

3、以普通硅酸鹽水泥為對(duì)比樣。1. 試驗(yàn)部分 原材料（1）礦渣：化學(xué)成分見表 1 。礦渣的密度為 2.91g/cm3，比表面積為 4000cm2/g。（2）粉煤灰：化學(xué)成分見表 1 。粉煤灰的密度為 2.40g/cm3，比表面積 3500cm2/g。（3）偏高嶺土：由高嶺土在 800煅燒 6h 而得，化學(xué)成分見表 1 。偏高嶺土的密度為/cm3，比表面積 2800cm2/g（4）水泥：化學(xué)成分見表 1 。水泥的密度為 3.15 g/cm3，比表面積 3140cm2/g。（5）堿性激發(fā)劑：由市售鈉水玻璃（SiO227.38%, Na2O8.25%, H2O63.0%, 水不溶物0.84%,比重為 3

4、9.39Be, 模數(shù) 3.21）和 NaOH（化學(xué)純級(jí)試劑）配制而成，堿性激發(fā)劑的模 數(shù)為 1.5，2%SiO2，16.59%NaO 和 5%H2O。（6）試驗(yàn)中用砂為干凈河砂，細(xì)度模數(shù)為 的中砂。（7）實(shí)驗(yàn)中用水均為自來水。表 1 原材料的化學(xué)成分材料種類燒失量（%）CaO（%）Al2O（3 %）SiO2（%）MgO（%）K2O（%）Na2O（%）Fe2O（3 %）礦渣0.1038.0014.7034.1010.240.390.710.65粉煤灰3.466.6130.6150.960.630.780.175.611本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金（50572096）資助項(xiàng)目的資助。偏高嶺土0.45

5、0.2144.7153.100.100.100.240.33水泥1.6563.734.0322.351.96-0.542.74 砂漿試塊的制備（1）在澆注試塊的前一天分別稱取所需的水玻璃和氫氧化鈉，并將水玻璃加入裝氫氧 化鈉的燒杯中，攪拌均勻、冷卻制成堿性激發(fā)劑。（2）四種膠凝材料砂漿的配比設(shè)計(jì)原則是漿體稠度相同和砂漿跳桌流動(dòng)度相同。根據(jù) 砂漿試塊的配比（見表 2），按水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）GB/T 176711999 方 法中的流程，將稱好的膠凝材料粉料和水或堿性激發(fā)劑攪拌均勻，然后加入稱好的砂子再攪 拌均勻，把攪拌好的砂漿裝入 70.770.7（mm）的三聯(lián)砂漿試模中（其中兩塊

6、鋼隔板 去掉），在振實(shí)臺(tái)上振實(shí)。（3）砂漿試塊在成型后在 201的空氣（相對(duì)濕度 65%）中靜置 48h 脫模，其中堿激 發(fā)粉煤灰砂漿試塊在溫度(75 士 2)保濕條件下養(yǎng)護(hù) 24h 后再在 201的空氣（相對(duì)濕度65%）中靜置 24h 脫模，立即在試塊兩端用快干膠分別貼上厚度為 1mm 的玻璃片并測(cè)試其 初始長(zhǎng)度，然后將試塊分別放入水中和空氣中養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)條件見表 2）。每一種膠凝材料在 同一種養(yǎng)護(hù)條件下的試件數(shù)是 3 條。表 2 砂漿試塊的配比膠凝材料種類（編 號(hào)）砂漿試塊的配比/g砂漿跳桌流動(dòng) 度/mm養(yǎng)護(hù)條件水堿性激發(fā)劑粉料砂普通水泥（OPC11）715-1300（水泥）39002102

7、01的水中養(yǎng)護(hù)普通水泥（OPC21）715-1300（水泥）3900210201的空氣中養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度 65%）堿-偏高嶺土（AAM11）-1420630（偏高嶺土）3600210201的水中養(yǎng)護(hù)堿-偏高嶺土（AAM21）-1420630（偏高嶺土）3600210201的空氣中養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度 65%）堿-礦渣（AAS11）-1181820（礦渣）3898210201的水中養(yǎng)護(hù)堿-礦渣（AAS21）-1181820（礦渣）3898210201的空氣中養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度 65%）堿-粉煤灰（AAF11）-1289820（粉煤灰）4030210201的水中養(yǎng)護(hù)堿-粉煤灰（AAF21）-1289820（粉

8、煤灰）4030210201的空氣中養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度 65%） 測(cè)試方法試塊的長(zhǎng)度由外徑千分尺測(cè)得，其量程為 200250mm，分度值為 mm。測(cè)試方法： 當(dāng)砂漿試塊養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期時(shí),將試塊從養(yǎng)護(hù)箱中取出、擦去表面水或灰塵并放在平整的玻 璃桌面上，待測(cè)試；將千分尺調(diào)整到量程為 200250mm，按儀器操作方法可測(cè)得試塊的長(zhǎng) 度。每條試塊在每個(gè)齡期測(cè)三次，每個(gè)數(shù)據(jù)由三個(gè)數(shù)據(jù)平均而得，每個(gè)線收縮率數(shù)據(jù)是同條件下三條試塊的三個(gè)線收縮率的平均值。各齡期線收縮率的計(jì)算公式：tS = Lt L0 100%L0 2式中：L0 初始測(cè)量讀數(shù)(mm)；Lt 養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的測(cè)量讀數(shù)(mm)；（L0-2） 試 塊初始

9、長(zhǎng)度(mm)，其中“2”為試塊兩端玻璃的厚度。2. 結(jié)果與討論 膠凝材料砂漿試塊在干濕條件下的體積變化膠凝材料砂漿試塊在干濕條件下體積變化用線收縮率表示，其試驗(yàn)結(jié)果見圖 1 和圖 2。線收縮率（-）/(10-5)40200-20-40-60-80 OPC11（水中養(yǎng)護(hù)）20線收縮率（-）/(10-5)0-20-40-60-80-100-120OPC21（空氣中養(yǎng)護(hù)）13579 14 21 28 56 養(yǎng)護(hù)齡期/d-100-120AAM11(水中養(yǎng)護(hù)) AAM21(空氣中養(yǎng)護(hù))13579 14 21 28 56 養(yǎng)護(hù)齡期/d（a）水泥砂漿試塊（b）堿激發(fā)偏高嶺土砂漿試塊100線收縮率（-）/(1

10、0-5)0-100-200-300-400AAS11（水中養(yǎng)護(hù)）100線收縮率(-)/(10-5)0-100-200-300-400-500-600AAF11(水中養(yǎng)護(hù)) AAF21(空氣中養(yǎng)護(hù))-500 AAS21（空氣中養(yǎng)護(hù)）-6001 35 79 14 21 28 56養(yǎng)護(hù)齡期/d-70013579 14 21 28 56 養(yǎng)護(hù)齡期/d（c）堿激發(fā)礦渣砂漿試塊（d）堿激發(fā)粉煤灰砂漿試塊圖 1 砂漿試塊在干濕條件下線收縮率與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系線收縮率(-)/(10-5)200-20-40-60-80100線收縮率(-)/(10-5)0-100-200-300-400-500 OPC21AAS2

11、1OPC11AAS11-600AAM21AAF21-100AAM11AAF11-7001 3 5 7 9 14 21 28 56水中養(yǎng)護(hù)齡期/d1 3 5 79 14 21 28 56 空氣中養(yǎng)護(hù)齡期/d圖 2 砂漿試塊在相同條件下線收縮率的比較從圖 1（a）可以看出：水泥砂漿試塊在水中養(yǎng)護(hù)的線收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增大， 但養(yǎng)護(hù)到 9d 后，其線收縮率有減小的趨勢(shì)，到達(dá) 56d 的線收縮率為 1810-5，即每米收縮mm；在空氣中養(yǎng)護(hù)的線收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)明顯增加，28d 后有急劇增加的趨勢(shì)，到56d 的線收縮率為 9910-5，即每米收縮 0.99mm；在每一個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期，水泥砂漿試塊在空

12、氣 中比在水中養(yǎng)護(hù)的線收縮率均大。從圖 1（b）可以看出：堿激發(fā)偏高嶺土砂漿試塊在水中 和在空氣中養(yǎng)護(hù)的線收縮率均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增大，但在同一養(yǎng)護(hù)齡期，水中養(yǎng)護(hù)比空氣 中養(yǎng)護(hù)收縮??；到達(dá) 56d 后，水中和空氣中養(yǎng)護(hù)的線收縮率分別為 3610-5 和 9910-5。從圖1（c）和圖 1（d）可以看出：堿激發(fā)礦渣和堿激發(fā)粉煤灰砂漿試塊在水中和在空氣中養(yǎng)護(hù) 的線收縮率均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增大，并在同一養(yǎng)護(hù)齡期，空氣養(yǎng)護(hù)比水中養(yǎng)護(hù)收縮大得多。從圖 2 可以看出，4 種砂漿試塊都在水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，線收縮率由小到大 的順序：堿激發(fā)粉煤灰砂漿水泥砂漿堿激發(fā)偏高嶺土砂漿堿激發(fā)礦渣砂漿，并且到56

13、d 時(shí)，堿激發(fā)礦渣砂漿的線收縮率是其它 3 種砂漿的 24 倍；4 種砂漿試塊都在空氣中養(yǎng) 護(hù)時(shí)，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，線收縮率由小到大的順序：水泥砂漿堿激發(fā)偏高嶺土砂漿堿激發(fā)粉煤灰砂漿堿激發(fā)礦渣砂漿，并且前兩者比較接近，后兩者比較接近，到 56d 時(shí)，后兩者的線收縮率是前兩者的 6 倍?？傊?，無論在水中還是在空氣中養(yǎng)護(hù)，堿激發(fā)礦渣砂漿的線 收縮都是最大的。 試驗(yàn)結(jié)果討論水泥基材料（包括砂漿和混凝土）在硬化過程中體積變形包括化學(xué)收縮、自身收縮、干 濕變形、溫度變形及受荷變形。本試驗(yàn)中砂漿試塊的體積變形只包括化學(xué)收縮、自身收縮和 干濕變形?；瘜W(xué)收縮的原因是水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)物的固相體積增大，而與

14、反應(yīng)前水泥與水 的體積之和相比則減小，故也稱化學(xué)減縮。文獻(xiàn)5已報(bào)道，水-水泥體系的化學(xué)收縮值隨反 應(yīng)齡期的延長(zhǎng)而增加，3d 增加明顯，此后出現(xiàn)穩(wěn)定期，21d 后又緩慢收縮；堿-礦渣體系和 堿粉煤灰體系的化學(xué)收縮是隨齡期延長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)的，前者小于后者，但堿粉煤灰體系與水- 水泥體系在 28d 的化學(xué)收縮值接近；堿-偏高嶺土體系在化學(xué)反應(yīng)過程的體積變化是膨脹， 且 7d 內(nèi)增加明顯，此后出現(xiàn)穩(wěn)定期，21d 后又緩慢膨脹。自身收縮是在與外界無水分交換情況下因水泥水化消耗漿體內(nèi)自身的水分而產(chǎn)生的。當(dāng) 水灰比較?。?.40）時(shí)，混凝土的自身收縮較大。自身收縮從混凝土初凝就開始產(chǎn)生，在 1 天以內(nèi)發(fā)展最快，

15、3 天以后減慢，此后就發(fā)展得很緩慢了6。自身收縮不同于化學(xué)收縮，但 由化學(xué)收縮引起。自身收縮和化學(xué)收縮都是不可恢復(fù)的變形。目前，堿激發(fā)膠凝材料的自身收縮的規(guī)律性還沒有報(bào)道。干濕變形。混凝土處于干燥環(huán)境中時(shí)，會(huì)引起體積收縮，稱為干燥收縮，簡(jiǎn)稱干縮。混 凝土的干縮的原因是毛細(xì)孔水蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮和凝膠體吸附水蒸發(fā)引起的凝膠體緊縮。當(dāng)混 凝土在水中硬化時(shí)，體積不變，甚至輕微膨脹；混凝土的干縮變形在吸水后可以部分恢復(fù)。 混凝土的這種吸水膨脹稱為混凝土的濕脹。這是由于凝膠體吸水使膠體粒子吸附水膜增厚， 粒子間的距離增大所致。影響干縮的主要因素是骨料的品質(zhì)和用量，其它條件不變時(shí)，水泥 漿體的干縮大于砂漿的干

16、縮，砂漿的干縮大于混凝土的干縮。當(dāng)水泥用量不變時(shí)，水灰比越 大時(shí)，漿骨比越大，干縮也越大。在一般條件下，混凝土的極限收縮值為（5090）10-5 左 右。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮是逐漸發(fā)展的，受內(nèi)部水分蒸發(fā)和擴(kuò)散的控制，截面較大、 表面積較小的結(jié)構(gòu)，收縮延續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，在一般工程設(shè)計(jì)中，混凝土的線收縮值， 通常取為（1520）10-5，即每米收縮 50.2mm。水泥砂漿試塊在水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，其收縮包括化學(xué)收縮、自身收縮和濕脹。在養(yǎng)護(hù)的早期（9d），水泥砂漿試塊的化學(xué)收縮和自身收縮的疊加效果可能超過濕脹，所以這段時(shí)間內(nèi)線 收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加；隨后其化學(xué)收縮和自身收縮的疊加效果可能小

17、于濕脹，所 以養(yǎng)護(hù)齡期超過 9d 后，試塊的線收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)又逐漸減小，見圖 1（a）。水泥 砂漿試塊在空氣中養(yǎng)護(hù)時(shí)，其收縮包括化學(xué)收縮、自身收縮和干縮，這三者的疊加越來越大， 只有這三種收縮完成時(shí)，收縮才穩(wěn)定，所以水泥砂漿試塊在空氣中的線收縮率隨時(shí)間延長(zhǎng)而 增加，見圖 1（a）。三種堿激發(fā)膠凝材料（堿-礦渣、堿-粉煤灰、堿-偏高嶺土）砂漿試塊在 水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，其收縮包括化學(xué)收縮、自身收縮和濕脹，它們的共同點(diǎn)是養(yǎng)護(hù) 9d 后線收縮率 均穩(wěn)定了（見圖 2），這一點(diǎn)與水泥有區(qū)別，這說明堿激發(fā)膠凝材料反應(yīng)產(chǎn)物的濕脹?。蝗?種堿激發(fā)膠凝材料在養(yǎng)護(hù)的早期（9d），其線收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加，

18、這說明堿激 發(fā)膠凝材料的自身收縮較大，因?yàn)閴A激發(fā)偏高嶺土的化學(xué)過程是膨脹，現(xiàn)在總的疊加是收縮。 堿激發(fā)膠凝材料自身收縮的機(jī)理與水泥的自身收縮可能不同，前者可能是類沸石產(chǎn)物的低聚 物向高聚物轉(zhuǎn)化過程而產(chǎn)生，一旦形成高聚物，在水中體積就會(huì)穩(wěn)定，如堿激發(fā)粉煤灰體系。 三種堿激發(fā)膠凝材料（堿-礦渣、堿-粉煤灰、堿-偏高嶺土）砂漿試塊在空氣中養(yǎng)護(hù)時(shí)，其收 縮包括化學(xué)收縮、自身收縮和干縮，它們的共同點(diǎn)是干縮比水泥還大（見圖 2），其干縮的 原因可能是毛細(xì)孔水蒸發(fā)產(chǎn)生的較大收縮。堿激發(fā)偏高嶺土由于化學(xué)過程是膨脹，但化學(xué)膨 脹、自身收縮和干縮疊加在一起使線收縮率隨時(shí)間的變化而波動(dòng)起伏，見圖 1（b）。綜上所述

19、 ，與水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料在干濕條件下體積變化的特點(diǎn)：濕脹小，自 身收縮大，干縮大。如果堿激發(fā)膠凝材料制品在完成激發(fā)反應(yīng)后并在潮濕環(huán)境中使用，其體積變化比水泥制品還穩(wěn)定，如本試驗(yàn)的堿激發(fā)粉煤灰砂漿試塊；但是堿激發(fā)膠凝材料制品由于干縮比水泥大，在空氣中使用并收縮受到約束時(shí)，比水泥制品更易開裂。所以，堿激發(fā)膠 凝材料適合在潮濕環(huán)境中使用，不宜在空氣中使用。3. 結(jié)論(1)四種砂漿試塊都在水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，線收縮率由小到大的順序：堿 激發(fā)粉煤灰砂漿水泥砂漿堿激發(fā)偏高嶺土砂漿堿激發(fā)礦渣砂漿，并且到 56d 時(shí)，堿激 發(fā)礦渣砂漿的線收縮率是其它 3 種砂漿的 24 倍。(2) 四種砂漿試塊

20、都在空氣中養(yǎng)護(hù)時(shí)，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，線收縮率由小到大的順序：水 泥砂漿堿激發(fā)偏高嶺土砂漿堿激發(fā)粉煤灰砂漿堿激發(fā)礦渣砂漿，并且前兩者比較接 近，后兩者比較接近，到 56d 時(shí)，后兩者的線收縮率是前兩者的 6 倍。（3）與水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料在干濕條件下體積變化的特點(diǎn)：濕脹小，自身收縮大，干縮大。堿激發(fā)膠凝材料適合在潮濕環(huán)境中使用，不宜在空氣中使用。參考文獻(xiàn)1 史才軍. 堿-激發(fā)水泥混凝土研究中的一些誤區(qū)和挑戰(zhàn)C. 第二界全國(guó)化學(xué)激發(fā)膠凝材料研討會(huì)論文集,西安建筑科技大學(xué)，2007.2 鄭娟榮, 覃維祖, 張濤. 堿-偏高嶺石膠凝材料的凝結(jié)硬化性能研究J. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 4: 60

21、-64. 3 代新祥,文梓蕓. 土聚水泥的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀J. 水泥, 2001,10:11-14.4 施惠生. 土聚水泥制備的探索試驗(yàn)與研究J. 水泥技術(shù), 2005，4：15-18.5 姚振亞, 鄭娟榮, 劉麗娜. 堿激發(fā)膠凝材料化學(xué)收縮或膨脹的試驗(yàn)研究J. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2008,29(4): 69-72.6 廉慧珍. 混凝土施工中裂縫的控制,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南M. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004: 215-224.Test Investigation on the change in volume of alkali-activated cementing materials under drying and wetting conditionsZheng Juanrong, Yao Zhenya, Xie LingxiaCollege of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou (450002)AbstractTest investigation on the change i