碱激发胶凝材料

碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究摘要碱激发矿渣胶凝材料跟传统水泥相比，具有较高的强度，较低的水化热，以及较好的快硬性、抗腐蚀性、抗冻性、护筋性等优异的性能，并且生产工艺简单、投资少、能耗低、污染小、矿渣的利用率高，目前成为胶凝材料领域研究的热点。本论文研究利用高炉矿渣制备胶凝材料，选取氢氧化钠溶液作为激发剂，并在其中加入一定量碱渣作为缓凝剂，研究了激发剂的不同浓度以及不同固料比（矿渣与碱渣质量之比）对碱激发矿渣胶凝材料的抗压强度以及凝结时间等性能的影响。关键词：矿渣；胶凝材料；氢氧化钠；抗压强度；凝结时间AbstractIncomparisonwithtraditionalcement,alkali-activatedslagcementitiousmaterialhasexcellentproperties,includinghigherintensity,lowerhydrationheat,andhigherhardeningrate,aswellashigherperformancesincorrosionresistance,frostresistanceandreinforcingsteelbarprotection.Furthermore,theproductionprocessofalkali-activatedcementissimplewithlowinvestment,lowenergyconsumptionandlittlepollution.Italsoofferawayofutilizationofindustrialwastesuchasslagandthelike.Hence,alkali-activatedcementhasbecomearesearchhotspotofcementitiousmaterialsfieldatpresent.Cementitiousmaterialwasproducedbyusingblast-furnaceslagasrawmaterial,alongwithsodiumhydroxideasactivatorsandgreenmudassettingretarder.Effectsofactivatorconcentrationandmixproportiononthepropertiesofcementitiousmaterialincludingcompressivestrengthandsettingtimewerestudied.Keywords:Slag；CementitiousMateria；SodiumHydroxide；CompressiveStrength；SettingTime碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究目录1绪论.......................................................11.1碱激发胶凝材料的定义及其分类............................11.1.1碱激发胶凝材料的定义...............................11.1.2碱激发胶凝材料的分类...............................11.2碱激发矿渣胶凝材料的研究及应用现状......................21.2.1碱激发矿渣胶凝材料的制备及其性能研究...............21.2.2碱激发矿渣胶凝材料的水化机理.......................41.2.3碱激发矿渣胶凝材料的应用现状.......................51.3本课题研究的背景和意义..................................61.3.1有利于钢铁企业发展“循环经济”.....................61.3.2研究开发绿色建材是当前热点.........................101.4本课题的研究内容及创新点................................121.4.1本课题研究内容.....................................121.4.2创新点.............................................122实验设计与样品检测方法......................................122.1矿渣以及碱渣的化学组成..................................122.2激发剂..................................................132.3制备胶凝材料及相关性能检测所用仪器设备..................132.4样品性能检测方法及其参考标准............................142.4.1抗压强度的测试.....................................142.4.2凝结时间的测试.....................................142.5实验原理与过程..........................................142.5.1实验原理...........................................142.5.2实验过程...........................................143结果与讨论..................................................153.1标准稠度NaOH溶液用量....................................153.2碱渣掺量和碱溶液浓度对凝结时间的影响.....................163.3碱渣掺量和碱溶液浓度对抗压强度的影响.....................17碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究3.4材料的抗火性能：煅烧剩余强度.............................184结论.........................................................19致谢...........................................................20参考文献.......................................................21碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究11绪论1.1碱激发胶凝材料的定义及其分类1.1.1碱激发胶凝材料的定义胶凝材料一般指粉体经过与水拌合，具有一定的胶凝性，经过一定的时间后，会发生凝结或者固化的材料。例如，水泥就是目前使用范围和使用量最大的一类胶凝材料。碱激发胶凝材料是由具有火山灰活性或者潜在水硬性原料与碱性激发剂反应生成一类新型无机非金属胶凝材料。与普通硅酸盐水泥相比，碱激发胶凝材料一般具有强度高，强度发展快，抗冻性好，抗酸腐蚀性好，稳定性好等优点。可供制备碱激发胶凝材料的原料十分丰富，一般认为[1]，元素周期表中的碱金属第一主族元素如Na、K等与第三和四族(铝硅酸盐)，第二和四族(碱土硅酸盐)，第二和第三族(碱土铝酸盐)等所形成的化合物，第二主族碱金属元素如Mg、Ca等与第三主族(铝酸盐)、第四主族(磷酸盐)、第六主族(硫酸盐)元素的化合物，均具有不同程度的水硬活性。1.1.2碱激发胶凝材料的分类碱激发胶凝材料的分类依据较多，最常见的当由南京工业大学杨南如教授所提倡的按照主要原料划分的方法[2]，认为碱激发胶凝材料容易被激发，是由于含钙成分的作用，所以可以将碱激发胶凝材料分为以下三个大系。1.1.2.1碱激发铝硅酸盐玻璃体系这一类材料包括矿渣、粉煤灰、赤泥、磷渣、煤研石等，其中按照其含钙量又可以分为富钙矿类和贫钙矿类。前者包括高炉矿渣和磷渣等，后者主要有粉煤灰、煤研石、赤泥等。富钙矿类材料由于[SiO4]4-较贫钙矿类具有更低的聚合态和更大的活性，所以目前研究者比较多，其中最为成熟的当属碱激发矿渣体系，例如使用碱性水泥熟料激发矿渣制取矿渣硅酸盐水泥等，现在已经得到了大规模的应用，并有相关的国家标准规范。而粉煤灰等一般与矿渣、磷渣混合后作为碱激发胶凝材料的掺合料，目前也有了一定的应用，例如生产粉煤灰水泥、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及粉煤灰砖等建材。1.1.2.2碱激发矿石尾矿系(碱激发地聚物体系)这一类材料一般都要经过缎烧等处理后才可以作为制取碱激发胶凝材料的原料。一般来说，烧黏土主要是经过锻烧生成偏高岭石，而不能够直接使用；也碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究2有学者采用锻烧偏高岭石使之生成偏高岭土并与强碱反应的方法制备碱激发胶凝材料；另外，钾长石等长石类尾矿也被用来进行碱激发性能研究。这类材料的缺陷是，CaO含量太少，需要使用强碱性物质进行激发才可以反应，而且效果并没有碱一铝硅酸盐玻璃体系好，故研究范围较小，热度也较低。1.1.2.3复合胶凝材料体系这一类材料包括的范围较广。主要有复合碱激发剂，复合掺合料，或者复合激发剂和复合掺合料一起使用三种。复合碱激发剂的使用主要是为了弥补单一激发剂效果的不足，对某一项性能进行优化，比如使用氢氧化钠和石膏等的混合物对矿渣进行激发，可以有效调节凝结时间；而利用工业固体废弃物作为复合掺合，能够最大程度地使各种工业废渣进行合理的价值转化，例如，可以用矿渣和粉煤灰作为复合掺合料，在硅酸钠的作用下生产新型胶凝材料，粉煤灰中较为稳定的含有A12O3成分的物质[3]一定程度上可以起到对碱激发矿渣的增强作用，同时材料的致密度也得到大幅改善；复合碱一复合掺合料则在一定程度上具备复合碱和复合掺合料两种工艺的优点，例如使用水玻璃和氢氧化钠作为复合激发剂，偏高岭土和矿渣混合后进行粉磨后作为掺合料，在相同的碱掺入量的情况下，获得了比单纯的氢氧化钠激发矿渣和水玻璃激发偏高岭土都要好的结果。可见，在单一激发剂或掺合料激发效果不太理想的情况下，制备复合胶凝材料是改善胶凝材料性能的不二选择。1.2碱激发矿渣胶凝材料的研究及应用现状1.2.1碱激发矿渣胶凝材料的制备及其性能研究矿渣作为胶凝材料的组分的研究较早，史才军等[4]的著作中对矿渣的胶凝性研究作了较为详细的总结，认为早在1930年，德国的Kuhl就已经开始研究了氢氧化钾激发矿渣胶凝材料的性能，另有比利时的Purdon于1940年研究了氢氧化钠激发矿渣以及碱性盐、碱激发矿渣无熟料水泥。1957至1959年间，前苏联的Glukhovsky等[5]研究了使用氢氧化钠或水玻璃作为激发剂来激发碎石、锅炉渣或高炉矿渣微粉的混合物，以及生石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥的混合物，制备了高强度和高稳定性的胶凝材料。1970年前后，由于担心碱激发矿渣胶凝材料技术不成熟，稳定性不如水泥，其中可溶性碱含量过高，材料中金属离子活性较大，容易引起碱一骨料反应而膨碱激发矿渣胶凝材料的制备与性能研究3胀，并且腐蚀矿渣和混凝土中的金属骨架，国际上对碱激发矿渣胶凝材料的研究，甚至是对基于碱一胶凝性理论的这一类材料的研究进入了低迷期，直至二十世纪八九十年代。由于二十世纪九十年代后期研究的学者越来越多，相关技术手段不断进步，再加上这个时期环境污染的进一步加剧，人们对建材行业可持续发展的要求越来越高，碱激发胶凝材料的研究步入正轨，召开了一系列专门化的国际会议，对碱激发胶凝材料的生产和检测提出了一些相关的标准，促使了碱激发胶凝材料研究高峰期的产生。由于矿渣较粉煤灰、煤研石、钢渣等易激发性更好，这一段时期，碱激发矿渣胶凝材料的研究吸引了越来越多的学者的注意。在经历一段低迷之后，越来越多的研究者开始系统地考虑碱激发矿渣胶凝材料的制备中可能影响性能的因素，例如，碱激发剂、矿渣的成分、养护制度等，其中，碱激发剂