碱激发胶凝材料砂浆在干湿条件下体积变化的试验

1、碱激发胶凝材料砂浆在干湿条件下体积变化的试验研究1郑娟荣，姚振亚，解灵霞 郑州大学土木工程学院，郑州 (450002) E-mail: HYPERLINK mailto:Zhengjr126 Zhengjr126 摘要：本文对碱激胶凝材料与水水泥体系在干湿条件下的体积变化进行了试验研究，其中水水泥体系为对比样。结果表明： 与水泥相比，碱激发胶凝材料在干湿条件下体积变 化的特点是湿胀小，自身收缩大，干缩大。结论是碱激发胶凝材料适合在潮湿环境中使用，不宜在干燥环境中使用。 关键词：碱激发胶凝材料；干湿条件；体积变化0. 引言1930 年德国的 Kuhl 首次研究了矿渣在苛性碱溶液中的激活特性；19

2、40 年比利时的 Purdon 对矿渣苛性碱或矿渣碱碱金属盐进行了研究；1957 年前苏联 Glukhovsky 提出了 土壤水泥的概念；1982 年法国的 Davidovits 发明了地聚合物水泥（又称金字塔水泥、地聚 水泥），这类胶凝材料由碱激发煅烧高岭土制成1。近几年我国学者也对碱激发胶凝材料做 了大量工作2-4,但主要集中在这类材料的配制、强度发展的研究，对于碱激发胶凝材料的体 积变化研究得较少。胶凝材料的体积变化是制约其材料应用的关键问题之一。胶凝材料的体 积变化包括化学收缩、自身收缩、干湿变形、温度变形及徐变等。本文主要对碱激发胶凝材 料砂浆在干湿条件下的体积变化进行了试验研究，并

3、以普通硅酸盐水泥为对比样。1. 试验部分 原材料（1）矿渣：化学成分见表 1 。矿渣的密度为 2.91g/cm3，比表面积为 4000cm2/g。（2）粉煤灰：化学成分见表 1 。粉煤灰的密度为 2.40g/cm3，比表面积 3500cm2/g。（3）偏高岭土：由高岭土在 800煅烧 6h 而得，化学成分见表 1 。偏高岭土的密度为/cm3，比表面积 2800cm2/g（4）水泥：化学成分见表 1 。水泥的密度为 3.15 g/cm3，比表面积 3140cm2/g。（5）碱性激发剂：由市售钠水玻璃（SiO227.38%, Na2O8.25%, H2O63.0%, 水不溶物0.84%,比重为 3

4、9.39Be, 模数 3.21）和 NaOH（化学纯级试剂）配制而成，碱性激发剂的模 数为 1.5，2%SiO2，16.59%NaO 和 5%H2O。（6）试验中用砂为干净河砂，细度模数为 的中砂。（7）实验中用水均为自来水。表 1 原材料的化学成分材料种类烧失量（%）CaO（%）Al2O（3 %）SiO2（%）MgO（%）K2O（%）Na2O（%）Fe2O（3 %）矿渣0.1038.0014.7034.1010.240.390.710.65粉煤灰3.466.6130.6150.960.630.780.175.611本课题得到国家自然科学基金（50572096）资助项目的资助。偏高岭土0.45

5、0.2144.7153.100.100.100.240.33水泥1.6563.734.0322.351.96-0.542.74 砂浆试块的制备（1）在浇注试块的前一天分别称取所需的水玻璃和氢氧化钠，并将水玻璃加入装氢氧 化钠的烧杯中，搅拌均匀、冷却制成碱性激发剂。（2）四种胶凝材料砂浆的配比设计原则是浆体稠度相同和砂浆跳桌流动度相同。根据 砂浆试块的配比（见表 2），按水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）GB/T 176711999 方 法中的流程，将称好的胶凝材料粉料和水或碱性激发剂搅拌均匀，然后加入称好的砂子再搅 拌均匀，把搅拌好的砂浆装入 70.770.7（mm）的三联砂浆试模中（其中两块

6、钢隔板 去掉），在振实台上振实。（3）砂浆试块在成型后在 201的空气（相对湿度 65%）中静置 48h 脱模，其中碱激 发粉煤灰砂浆试块在温度(75 士 2)保湿条件下养护 24h 后再在 201的空气（相对湿度65%）中静置 24h 脱模，立即在试块两端用快干胶分别贴上厚度为 1mm 的玻璃片并测试其 初始长度，然后将试块分别放入水中和空气中养护（养护条件见表 2）。每一种胶凝材料在 同一种养护条件下的试件数是 3 条。表 2 砂浆试块的配比胶凝材料种类（编 号）砂浆试块的配比/g砂浆跳桌流动 度/mm养护条件水碱性激发剂粉料砂普通水泥（OPC11）715-1300（水泥）39002102

7、01的水中养护普通水泥（OPC21）715-1300（水泥）3900210201的空气中养护（相对湿度 65%）碱-偏高岭土（AAM11）-1420630（偏高岭土）3600210201的水中养护碱-偏高岭土（AAM21）-1420630（偏高岭土）3600210201的空气中养护（相对湿度 65%）碱-矿渣（AAS11）-1181820（矿渣）3898210201的水中养护碱-矿渣（AAS21）-1181820（矿渣）3898210201的空气中养护（相对湿度 65%）碱-粉煤灰（AAF11）-1289820（粉煤灰）4030210201的水中养护碱-粉煤灰（AAF21）-1289820（粉

8、煤灰）4030210201的空气中养护（相对湿度 65%） 测试方法试块的长度由外径千分尺测得，其量程为 200250mm，分度值为 mm。测试方法： 当砂浆试块养护到规定龄期时,将试块从养护箱中取出、擦去表面水或灰尘并放在平整的玻 璃桌面上，待测试；将千分尺调整到量程为 200250mm，按仪器操作方法可测得试块的长 度。每条试块在每个龄期测三次，每个数据由三个数据平均而得，每个线收缩率数据是同条件下三条试块的三个线收缩率的平均值。各龄期线收缩率的计算公式：tS = Lt L0 100%L0 2式中：L0 初始测量读数(mm)；Lt 养护到规定龄期的测量读数(mm)；（L0-2） 试 块初始

9、长度(mm)，其中“2”为试块两端玻璃的厚度。2. 结果与讨论 胶凝材料砂浆试块在干湿条件下的体积变化胶凝材料砂浆试块在干湿条件下体积变化用线收缩率表示，其试验结果见图 1 和图 2。线收缩率（-）/(10-5)40200-20-40-60-80 OPC11（水中养护）20线收缩率（-）/(10-5)0-20-40-60-80-100-120OPC21（空气中养护）13579 14 21 28 56 养护龄期/d-100-120AAM11(水中养护) AAM21(空气中养护)13579 14 21 28 56 养护龄期/d（a）水泥砂浆试块（b）碱激发偏高岭土砂浆试块100线收缩率（-）/(1

10、0-5)0-100-200-300-400AAS11（水中养护）100线收缩率(-)/(10-5)0-100-200-300-400-500-600AAF11(水中养护) AAF21(空气中养护)-500 AAS21（空气中养护）-6001 35 79 14 21 28 56养护龄期/d-70013579 14 21 28 56 养护龄期/d（c）碱激发矿渣砂浆试块（d）碱激发粉煤灰砂浆试块图 1 砂浆试块在干湿条件下线收缩率与养护龄期的关系线收缩率(-)/(10-5)200-20-40-60-80100线收缩率(-)/(10-5)0-100-200-300-400-500 OPC21AAS2

11、1OPC11AAS11-600AAM21AAF21-100AAM11AAF11-7001 3 5 7 9 14 21 28 56水中养护龄期/d1 3 5 79 14 21 28 56 空气中养护龄期/d图 2 砂浆试块在相同条件下线收缩率的比较从图 1（a）可以看出：水泥砂浆试块在水中养护的线收缩率随养护龄期延长而增大， 但养护到 9d 后，其线收缩率有减小的趋势，到达 56d 的线收缩率为 1810-5，即每米收缩mm；在空气中养护的线收缩率随养护龄期延长明显增加，28d 后有急剧增加的趋势，到56d 的线收缩率为 9910-5，即每米收缩 0.99mm；在每一个养护龄期，水泥砂浆试块在空

12、气 中比在水中养护的线收缩率均大。从图 1（b）可以看出：碱激发偏高岭土砂浆试块在水中 和在空气中养护的线收缩率均随养护龄期延长而增大，但在同一养护龄期，水中养护比空气 中养护收缩小；到达 56d 后，水中和空气中养护的线收缩率分别为 3610-5 和 9910-5。从图1（c）和图 1（d）可以看出：碱激发矿渣和碱激发粉煤灰砂浆试块在水中和在空气中养护 的线收缩率均随养护龄期延长而增大，并在同一养护龄期，空气养护比水中养护收缩大得多。从图 2 可以看出，4 种砂浆试块都在水中养护时，在同一养护龄期，线收缩率由小到大 的顺序：碱激发粉煤灰砂浆水泥砂浆碱激发偏高岭土砂浆碱激发矿渣砂浆，并且到56

13、d 时，碱激发矿渣砂浆的线收缩率是其它 3 种砂浆的 24 倍；4 种砂浆试块都在空气中养 护时，在同一养护龄期，线收缩率由小到大的顺序：水泥砂浆碱激发偏高岭土砂浆碱激发粉煤灰砂浆碱激发矿渣砂浆，并且前两者比较接近，后两者比较接近，到 56d 时，后两者的线收缩率是前两者的 6 倍。总之，无论在水中还是在空气中养护，碱激发矿渣砂浆的线 收缩都是最大的。 试验结果讨论水泥基材料（包括砂浆和混凝土）在硬化过程中体积变形包括化学收缩、自身收缩、干 湿变形、温度变形及受荷变形。本试验中砂浆试块的体积变形只包括化学收缩、自身收缩和 干湿变形。化学收缩的原因是水泥和水发生水化反应，产物的固相体积增大，而与

14、反应前水泥与水 的体积之和相比则减小，故也称化学减缩。文献5已报道，水-水泥体系的化学收缩值随反 应龄期的延长而增加，3d 增加明显，此后出现稳定期，21d 后又缓慢收缩；碱-矿渣体系和 碱粉煤灰体系的化学收缩是随龄期延长逐渐增长的，前者小于后者，但碱粉煤灰体系与水- 水泥体系在 28d 的化学收缩值接近；碱-偏高岭土体系在化学反应过程的体积变化是膨胀， 且 7d 内增加明显，此后出现稳定期，21d 后又缓慢膨胀。自身收缩是在与外界无水分交换情况下因水泥水化消耗浆体内自身的水分而产生的。当 水灰比较小（0.40）时，混凝土的自身收缩较大。自身收缩从混凝土初凝就开始产生，在 1 天以内发展最快，

15、3 天以后减慢，此后就发展得很缓慢了6。自身收缩不同于化学收缩，但 由化学收缩引起。自身收缩和化学收缩都是不可恢复的变形。目前，碱激发胶凝材料的自身收缩的规律性还没有报道。干湿变形。混凝土处于干燥环境中时，会引起体积收缩，称为干燥收缩，简称干缩。混 凝土的干缩的原因是毛细孔水蒸发产生的收缩和凝胶体吸附水蒸发引起的凝胶体紧缩。当混 凝土在水中硬化时，体积不变，甚至轻微膨胀；混凝土的干缩变形在吸水后可以部分恢复。 混凝土的这种吸水膨胀称为混凝土的湿胀。这是由于凝胶体吸水使胶体粒子吸附水膜增厚， 粒子间的距离增大所致。影响干缩的主要因素是骨料的品质和用量，其它条件不变时，水泥 浆体的干缩大于砂浆的干

16、缩，砂浆的干缩大于混凝土的干缩。当水泥用量不变时，水灰比越 大时，浆骨比越大，干缩也越大。在一般条件下，混凝土的极限收缩值为（5090）10-5 左 右。在实际结构中，混凝土的收缩是逐渐发展的，受内部水分蒸发和扩散的控制，截面较大、 表面积较小的结构，收缩延续的时间较长。因此，在一般工程设计中，混凝土的线收缩值， 通常取为（1520）10-5，即每米收缩 50.2mm。水泥砂浆试块在水中养护时，其收缩包括化学收缩、自身收缩和湿胀。在养护的早期（9d），水泥砂浆试块的化学收缩和自身收缩的叠加效果可能超过湿胀，所以这段时间内线 收缩率随养护龄期的延长而增加；随后其化学收缩和自身收缩的叠加效果可能小

17、于湿胀，所 以养护龄期超过 9d 后，试块的线收缩率随养护龄期的延长又逐渐减小，见图 1（a）。水泥 砂浆试块在空气中养护时，其收缩包括化学收缩、自身收缩和干缩，这三者的叠加越来越大， 只有这三种收缩完成时，收缩才稳定，所以水泥砂浆试块在空气中的线收缩率随时间延长而 增加，见图 1（a）。三种碱激发胶凝材料（碱-矿渣、碱-粉煤灰、碱-偏高岭土）砂浆试块在 水中养护时，其收缩包括化学收缩、自身收缩和湿胀，它们的共同点是养护 9d 后线收缩率 均稳定了（见图 2），这一点与水泥有区别，这说明碱激发胶凝材料反应产物的湿胀小；三 种碱激发胶凝材料在养护的早期（9d），其线收缩率随养护龄期的延长而增加，

18、这说明碱激 发胶凝材料的自身收缩较大，因为碱激发偏高岭土的化学过程是膨胀，现在总的叠加是收缩。 碱激发胶凝材料自身收缩的机理与水泥的自身收缩可能不同，前者可能是类沸石产物的低聚 物向高聚物转化过程而产生，一旦形成高聚物，在水中体积就会稳定，如碱激发粉煤灰体系。 三种碱激发胶凝材料（碱-矿渣、碱-粉煤灰、碱-偏高岭土）砂浆试块在空气中养护时，其收 缩包括化学收缩、自身收缩和干缩，它们的共同点是干缩比水泥还大（见图 2），其干缩的 原因可能是毛细孔水蒸发产生的较大收缩。碱激发偏高岭土由于化学过程是膨胀，但化学膨 胀、自身收缩和干缩叠加在一起使线收缩率随时间的变化而波动起伏，见图 1（b）。综上所述

19、 ，与水泥相比，碱激发胶凝材料在干湿条件下体积变化的特点：湿胀小，自 身收缩大，干缩大。如果碱激发胶凝材料制品在完成激发反应后并在潮湿环境中使用，其体积变化比水泥制品还稳定，如本试验的碱激发粉煤灰砂浆试块；但是碱激发胶凝材料制品由于干缩比水泥大，在空气中使用并收缩受到约束时，比水泥制品更易开裂。所以，碱激发胶 凝材料适合在潮湿环境中使用，不宜在空气中使用。3. 结论(1)四种砂浆试块都在水中养护时，在同一养护龄期，线收缩率由小到大的顺序：碱 激发粉煤灰砂浆水泥砂浆碱激发偏高岭土砂浆碱激发矿渣砂浆，并且到 56d 时，碱激 发矿渣砂浆的线收缩率是其它 3 种砂浆的 24 倍。(2) 四种砂浆试块

20、都在空气中养护时，在同一养护龄期，线收缩率由小到大的顺序：水 泥砂浆碱激发偏高岭土砂浆碱激发粉煤灰砂浆碱激发矿渣砂浆，并且前两者比较接 近，后两者比较接近，到 56d 时，后两者的线收缩率是前两者的 6 倍。（3）与水泥相比，碱激发胶凝材料在干湿条件下体积变化的特点：湿胀小，自身收缩大，干缩大。碱激发胶凝材料适合在潮湿环境中使用，不宜在空气中使用。参考文献1 史才军. 碱-激发水泥混凝土研究中的一些误区和挑战C. 第二界全国化学激发胶凝材料研讨会论文集,西安建筑科技大学，2007.2 郑娟荣, 覃维祖, 张涛. 碱-偏高岭石胶凝材料的凝结硬化性能研究J. 湖南大学学报, 2004, 4: 60

21、-64. 3 代新祥,文梓芸. 土聚水泥的应用及研究现状J. 水泥, 2001,10:11-14.4 施惠生. 土聚水泥制备的探索试验与研究J. 水泥技术, 2005，4：15-18.5 姚振亚, 郑娟荣, 刘丽娜. 碱激发胶凝材料化学收缩或膨胀的试验研究J. 郑州大学学报(工学版), 2008,29(4): 69-72.6 廉慧珍. 混凝土施工中裂缝的控制,混凝土结构耐久性设计与施工指南M. 北京:中国建筑工业出版社,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