碱矿渣水泥是以磨细的水淬高炉矿渣和其它冶金渣为固态分散相，配以一定的碱组分制成的新型胶凝材料。目前，对该胶凝材料系统的化学收缩研究较少，而收缩问题是制约其应用发展的重要技术属性之一。研究化学收缩，对确定不同类型收缩在碱矿渣水泥砂浆及混凝土总收缩中的比例及明确提高其体积稳定性的技术途径具有重要意义。
虽然矿渣的化学成分和硅酸盐水泥相近，但是由于矿渣在水淬过程中，冷却速度极快，来不及成核结晶，90％以上为玻璃相，因此不存在单矿物水化减缩的差异。碱矿渣水泥水化过程比硅酸盐水泥更复杂，水化产物的组成与数量随碱组分变化而改变。碱组分种类不同，碱矿渣水泥化学收缩可能不同；碱组分种类相同，碱溶液浓度不同，碱矿渣水泥化学收缩也可能不同。本文试验研究了矿渣种类、细度和碱组分种类、碱含量对碱矿渣水泥化学收缩的影响。
1 原材料和试验方法
1.1原材料
矿渣：重庆钢铁集团水淬高炉矿渣，化学成分见表1，矿渣A的碱性系数为l.114、活性系数为0.304，属碱性渣；矿渣B的碱性系数为0.964、活性系数为0.470，属酸性渣。矿渣的密度为2.91～2.92g/cm3。矿渣与1.0%缓凝剂混磨，碱性渣的比表面积分别为390m2/kg、485m2/kg和590m2/kg；酸性渣的比表面积分别为：379m2/kg、514m2/kg和615m2/kg。
碱组分：分别采用水玻璃和NaOH作碱组分。前者为重庆北碚东风化工厂生产的水玻璃，其玻美度为52，模数为2.31，Na20和Si02含量分别为l3.57%和30.33%；后者NaOH含量为99%。
水泥：重庆拉法基水泥厂生产的P·0425级水泥。
1.2试验方法
试验装置如图l所示，由l25ml广口玻璃瓶、中心穿孔胶塞及量管组成。量管采用10ml的刻度吸管，刻度分度值为0.1ml。
试验前配制好碱溶液，提前将碱溶液、矿渣放入温度为(20±1)℃室内，待原材料温度与环境相同后开始做试验。
步骤如下：
①称取干燥过并冷却的矿渣或水泥装入广口瓶。
②将量管插入胶塞中，量管与胶塞接触处用502胶密封。
③向广15瓶中加适量碱溶液或水(矿渣加碱溶液，水泥加水)，用玻璃棒搅拌使试样分散，并排气泡。
④用胶塞塞紧瓶口，胶塞与瓶口接触处用502胶密封。
⑤用滴管通过量管向瓶内补充加水，使液面上升至接近量管的最大刻度。
⑥向量管中加一滴机油，用以封盖水面，防止水分蒸发。
⑦将装置放于温度为(20±1)℃室内，待液面稳定后，即可读取液面起始读数。
每组3个试样，每个试样为50g。按预定水化龄期测读瓶中的液面飞降值，取其平均值的2倍作为最终结果
2 试验结果与讨论
2.1矿渣种类对碱矿渣水泥化学收缩的影响
一共进行2个系列，共12组试验，研究了碱性渣(矿渣A，比表面积为485m2/kg)和酸性渣(矿渣8，比表面积为514m2/kg)为固态分析相的碱矿渣水泥的化学收缩，其中NH系列试验的碱组分为NaOH，WG系列试验碱组分是模数为1.5的水玻璃。碱溶液浓度以Na20当量(即Na20占溶液质量比)计分别为4/35、4/45和4/55。碱矿渣水泥化学收缩试验结果见图2和图3。普通硅酸盐水泥的28d化学收缩为7～9ml/100g。
图2 NH系列碱矿渣水泥的化学收缩
图3 WG系列碱矿渣水泥的化学收缩
由上述试验结果可以看出，当碱组分为Na0H且碱溶液浓度相同时，酸性渣制备的碱矿渣水泥各个龄期的化学收缩比碱性矿渣制备的碱矿渣水泥的略大；当碱组分为水玻璃时，碱性渣和酸性渣制备的碱矿渣水泥各龄期的化学收缩相当。说明矿渣碱度不是影响碱矿渣水泥化学收缩的主要因素。
无论是碱性渣还是酸性渣，NaOH为碱组分的碱矿渣水泥28d龄期的化学收缩量比水玻璃为碱组分的碱矿渣水泥的大。
2.2矿渣细度对化学收缩的影响
进行2个系列，共6组试验。试验中矿渣的比表面积分别为390m2/kg、485m2/kg和590m2/kg。碱组分为NaOH时，碱浓度为4/35；碱组分为水玻璃时，碱浓度为4/45。试验结果如图4所示。
图4 矿渣细度对碱矿渣水泥化学收缩的影响
试验结果表明，同等条件下，碱矿渣水泥28d龄期内的化学收缩随龄期延长而提高，NaOH作碱组分的碱矿渣水泥的化学收缩大于水玻璃作碱组分的碱矿渣水泥。矿渣比表面积在390-590m2／kg范围时，NaOH作碱组分的碱矿渣水泥化学收缩随矿渣比表面积增大呈增长趋势；水玻璃作碱组分的碱矿渣水泥初期(1d龄期)矿渣比表面积对化学收缩有一定影响，但此后龄期的影响不明显。
2.3碱组分对化学收缩的影响
碱组分是碱矿渣水泥的独立组分，是该胶凝材料活性形成的动力源。碱组分种类不同的碱矿渣水泥的水化过程、水化产物组成和结构有所区别，因此其化学收缩行为也不同。与其它影响因素相比，碱组分对碱矿渣水泥化学收缩的影响较复杂，包括碱组分的种类、碱溶液浓度(以Na2O当量计)和碱参数(水玻璃模数)等。
选择水玻璃和NaOH做碱组分，矿渣比表面积为485m2／kg，水玻璃的模数分别为l.0、1.5和2.0，研究碱组分对碱矿渣水泥化学收缩的影响。结果见图5。
碱浓度对不同碱组分配制的碱矿渣水泥化学收缩的影响见图5a和图5b。结果表明：
图5 碱组分对碱矿渣水泥化学收缩的影响
1)在试验的碱浓度范围内，碱组分为NaOH的碱矿渣水泥的化学收缩比水玻璃(模数M=1.5)为碱组分的碱矿渣水泥大。
2)碱组分种类不同，碱溶液浓度对碱矿渣水泥化学收缩影响不同。当碱组分为NaOH、碱溶液浓度在4/55～5/35时，碱矿渣水泥各个龄期的化学收缩随碱浓度提高呈逐渐增大趋势。当碱组分为水玻璃且碱浓度在4/55～4/35范围时，碱矿渣水泥各个龄期的化学收缩随碱浓度变化曲线先增大后减小，出现“化学收缩最大”碱浓度点，本试验条件下对应的碱浓度约为4/45。
研究表明，碱矿渣早期水化产物为无定形的水化硅酸钙(C—S—H)，碱组分为水玻璃时，由于水玻璃早期水解，形成的活性Si02能快速与矿渣玻璃相解体产生的Ca2+反应，形成稳定的C—S—H，使一定龄期内体系中形成的水化产物比碱组分为NaOH的体系多，形成的C—S—H凝胶的C/S比亦更低，因此碱组分为水玻璃的碱矿渣水泥活性高于碱组分为NaOH的碱矿渣水泥。但碱组分为水玻璃的碱矿渣水泥的化学收缩却比碱组分为NaOH的小，说明碱矿渣水泥的化学收缩大小不但与碱矿渣水泥活性有关，还与水化产物类型有关。笔者认为可能是由于Ca/Si低的水化硅酸钙的密度比Ca/Si高的小，因此其化学收缩较小。
图5c为水玻璃模数对碱矿渣水泥化学收缩影响，结果表明，水玻璃模数在1.0-2.0范围内，碱矿渣水泥测试龄期的化学收缩随水玻璃模数提高呈现先增大后减小趋势，出现“化学收缩最大点”。当水玻璃模数为1.5时，碱矿渣水泥测试龄期的化学收缩最大。
3 结论
1)当碱组分为NaOH时，碱矿渣水泥28d龄期的化学收缩约为6～10ml/100g，与普通硅酸盐水泥的(7-9 ml/100g)相当；当碱组分为水玻璃时，其收缩量约为3-6 ml/100g，比普通硅酸盐水泥的略小。碱组分为NaOH的碱矿渣水泥的化学收缩比碱组分为水玻璃的大。
2)矿渣碱度对碱矿渣水泥的化学收缩影响不大。
3)当碱组分为NaOH时，碱溶液浓度(以Na20当量计)在4/55～5/35范围内，矿渣水泥的化学收缩随浓度增加呈增大趋势；当碱组分为水玻璃时，碱浓度在4/55～4/35，碱矿渣水泥化学收缩随碱浓度提高先增大后减小变化，出现“化学收缩最大”碱浓度点，本试验条件下该浓度约为4/45。其它条件一定、模数在1.0～2.0区间内时，模数为l.5的水玻璃所配碱矿渣水泥的化学收缩最大。
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