無熟料礦渣水泥用于聚合物水泥基防水漿料的可行性研究

       采用礦渣為主要原料，以石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和少量硫鋁酸鹽熟料作為堿性激發(fā)劑，通過正交試驗(yàn)方法確定最優(yōu)強(qiáng)度配比，使其強(qiáng)度（特別是早期1 d 和7 d 強(qiáng)度）達(dá)到42.5 R 水泥強(qiáng)度等級要求。將最優(yōu)配方的無熟料礦渣水泥用于雙組份聚合物水泥基防水漿料中，并按照J(rèn)C/T 984—2011 驗(yàn)證其應(yīng)用的可行性。

　　前 言

　　硅酸鹽水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但其生產(chǎn)過程中能源與資源消耗高、污染大，在熟料的煅燒過程中，由于石灰石分解和燃料會(huì)釋放出大量的CO₂，以及SO₂、NO _x 等氣體。于是越來越多的研究者開始著手研究無熟料水泥，即不含或少含水泥熟料的水泥，它們主要由非熟料的火山灰質(zhì)材料或礦渣類材料加入活性激發(fā)劑物理混合組成。本文以礦渣為原材料，尋找到無熟料礦渣水泥的最優(yōu)配比，并驗(yàn)證此種水泥用于雙組份聚合物水泥基防水漿料中是否具有可行性。

　　1 試 驗(yàn)

　　1.1 原材料

　　水泥：P·O42.5 R，銅陵海螺水泥廠。

　　礦渣：S95，比表面積430 m2/kg，其主要化學(xué)成分見表1。

　　堿性激發(fā)劑：無水石膏，安徽省皖北煤電集團(tuán)；氫氧化鈣，分析純；硫酸鈉，分析純；硫鋁酸鹽水泥熟料，唐山北極熊；丙烯酸類乳液、減水劑，BASF 公司；成膜助劑、分散劑、消泡劑，陶氏化工。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　?。?）用無水石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和硫鋁酸鹽水泥熟料作為堿性激發(fā)劑對礦渣進(jìn)行堿性激活，并按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》對無熟料礦渣水泥進(jìn)行強(qiáng)度測試，使其能盡可能地靠近42.5 R 水泥的強(qiáng)度，水膠比為0.5。為了更好地應(yīng)用在雙組份聚合物防水漿料中，將標(biāo)準(zhǔn)中原有的濕養(yǎng)護(hù)更改為水養(yǎng)護(hù)，因此本試驗(yàn)的強(qiáng)度除了1 d強(qiáng)度為濕養(yǎng)護(hù)條件下所得，7 d 和28 d 強(qiáng)度均為水養(yǎng)護(hù)條件下所得。

　　（2）通過試驗(yàn)結(jié)果分析所得的最優(yōu)無熟料礦渣水泥配方，將其替換原有傳統(tǒng)水泥應(yīng)用在雙組份聚合物水泥基防水漿料[m（液）∶m（粉）=9∶25]中，按照J(rèn)C/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》驗(yàn)證其在雙組份聚合物防水漿料中應(yīng)用的可行性。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 無熟料礦渣水泥最優(yōu)配方的確定

　　考慮到本試驗(yàn)的成型工作強(qiáng)度較大，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化選擇。表2 所選取的因素和水平是在前期的探索試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定，其中，少量的硫鋁酸鹽熟料的加入是為了補(bǔ)償前期特別是1 d 齡期的強(qiáng)度。

　　注：不足100%的其余部分為礦渣粉含量。

　　表3 為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果。為了更好地表征無熟料礦渣水泥的強(qiáng)度，試驗(yàn)分別選取1 d、7 d、28 d 齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度。表4 為正交試驗(yàn)抗壓、抗折強(qiáng)度極差分析。

　　根據(jù)表4 中R 值得出4 個(gè)因素對強(qiáng)度的影響大小次序。同時(shí)，根據(jù)k 值可以直觀發(fā)現(xiàn)各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的最佳因素點(diǎn)，可以得到表5 各因素影響次序和最優(yōu)因素水平。

　　從表5 可以看出，在早期1 d 和7 d 齡期，因素A（無水石膏）對抗壓、抗折強(qiáng)度的影響最大，其次為因素D（硫酸鈉）。到了后期28 d 齡期，C（氫氧化鈣）的影響最大。

　　當(dāng)因素A（無水石膏）摻量為10%時(shí)，每個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都最優(yōu)，因?yàn)槭嗪偷V渣的水泥反應(yīng)程度主要取決于Ca2+、OH-以及SO42-濃度，濃度高可加快C3A 和石膏的水化反應(yīng)速度，生成致密而堅(jiān)固的鈣礬石，促進(jìn)強(qiáng)度的增長速度，但石膏摻量過多，會(huì)阻礙水化物的擴(kuò)散，而且參與水化反應(yīng)后剩余的石膏只是以低強(qiáng)度狀態(tài)存在于硬化體中，反而降低強(qiáng)度，因此，在此配方體系中，10%的石膏摻量是最合適的。

　　因素B（硫鋁酸鹽熟料）摻量為7%時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多，主要表現(xiàn)在后期強(qiáng)度上。

　　因素C（氫氧化鈣）摻量為2%時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多，也表現(xiàn)在中后期強(qiáng)度上，礦渣本身是玻璃體結(jié)構(gòu)的礦物，與水相遇時(shí)，其顆粒表面上形成由硅酸系列物組成的致密而不定性的酸性膜層，阻礙水的內(nèi)部滲透，當(dāng)與pH 值≥12 的水相遇時(shí)，礦渣中—O—Si—O—Al—O—不規(guī)則的鎖鏈結(jié)構(gòu)在強(qiáng)堿作用下被切斷，釋放出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所包圍的各種堿性離子，使其具有與普通水泥相同的水硬性，Ca（OH）2 的加入主要目的在于破壞礦渣表面上酸性膜層，Ca（OH）2 的溶解度雖小，但是具有長期維持高pH 值（≥12）的性質(zhì)，因此在本配方體系中，2%的摻量可達(dá)到最佳后期強(qiáng)度效果。

　　因素D（硫酸鈉）的摻量為1.5%時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多。硫酸鹽激發(fā)其實(shí)也是基于堿激發(fā)產(chǎn)生的，有學(xué)者研究了硫酸鹽和堿性激發(fā)復(fù)合作用下發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽對礦渣進(jìn)行活性激發(fā)可顯著提高礦渣水泥的早期和后期強(qiáng)度。

　　因此，綜合考慮最優(yōu)配比為A1B3C1D3（即：無水石膏10%，硫鋁酸鹽熟料7%，氫氧化鈣2%，硫酸鈉1.5%，其余89.5%為礦渣粉），根據(jù)試驗(yàn)方法（1）驗(yàn)證該配比的水泥抗壓和抗折強(qiáng)度是否符合預(yù)期。結(jié)果如表6 所示。

　　2.2 無熟料礦渣水泥應(yīng)用于雙組份聚合物水泥基防水漿料的驗(yàn)證

　　從表6 結(jié)果可以確認(rèn)，該配比水泥可以得到與P·O42.5 R水泥相差不大的抗壓和抗折強(qiáng)度。進(jìn)一步將該無熟料礦渣水泥用于表7 中的雙組份聚合物水泥基防水漿料中驗(yàn)證其可行性。

　　注：m（液料）∶m（粉料）=9∶25。

　　按照J(rèn)C/T 984—2011 成型并測試，按照其中Ⅰ型的標(biāo)準(zhǔn)評判，結(jié)果如表8 所示。

　　從表8 可以看出，無熟料礦渣水泥在雙組份聚合物水泥基防水漿料中應(yīng)用，其性能符合JC/T 984—2011 的要求。因?yàn)槌Ｒ?guī)丙烯酸乳液也是呈堿性（pH 值為7~9），這給無熟料礦渣水泥的應(yīng)用提供了可反應(yīng)的環(huán)境條件。在與P·O42.5 R 水泥同步對比的情況下發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用無熟料礦渣水泥的雙組份防水漿料的凝結(jié)時(shí)間更長，但是抗?jié)B壓力、抗折抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度和吸水率優(yōu)于P·O42.5 R 水泥。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，無熟料礦渣水泥的水化產(chǎn)物較普硅水泥更致密，在本研究應(yīng)用中也得到了證實(shí)。而在收縮率這方面，無熟料礦渣水泥的收縮要大于普硅水泥，而這一現(xiàn)象也與一些學(xué)者的研究結(jié)果相符。

　　注：①采用P·O42.5 R 水泥；②采用無熟料礦渣水泥。

　　3 結(jié) 論

　?。?）在以礦渣為主要原材料，選取石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和少量硫鋁酸鹽熟料作為堿性激發(fā)劑，當(dāng)無水石膏為10%，硫鋁酸鹽熟料摻量為7%，氫氧化鈣摻量為2%，硫酸鈉摻量為1.5%，礦渣粉摻量為89.5%時(shí)，該無熟料礦渣水泥在各齡期都有良好的強(qiáng)度表現(xiàn)。

　?。?）在以丙烯酸乳液（pH 值≥7）為基礎(chǔ)的雙組份聚合物防水漿料中，應(yīng)用無熟料礦渣水泥具有可行性，其更為致密的水化結(jié)構(gòu)使雙組份聚合物防水漿料硬化后具有更優(yōu)良的抗?jié)B、抗壓折、粘結(jié)強(qiáng)度和吸水率，但其收縮率要略大于普通硅酸鹽水泥。