无熟料矿渣水泥用于聚合物水泥基防水浆料的可行性研究

水泥成弘建 2019-07-29

本文以矿渣为原材料，寻找到无熟料矿渣水泥的最优配比，并验证此种水泥用于双组份聚合物水泥基防水浆料中是否具有可行性。

采用矿渣为主要原料，以石膏、氢氧化钙、硫酸钠和少量硫铝酸盐熟料作为碱性激发剂，通过正交试验方法确定最优强度配比，使其强度（特别是早期1 d 和7 d 强度）达到42.5 R 水泥强度等级要求。将最优配方的无熟料矿渣水泥用于双组份聚合物水泥基防水浆料中，并按照JC/T 984—2011 验证其应用的可行性。

　　前言

　　硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但其生产过程中能源与资源消耗高、污染大，在熟料的煅烧过程中，由于石灰石分解和燃料会释放出大量的CO₂，以及SO₂、NO _x 等气体。于是越来越多的研究者开始着手研究无熟料水泥，即不含或少含水泥熟料的水泥，它们主要由非熟料的火山灰质材料或矿渣类材料加入活性激发剂物理混合组成。本文以矿渣为原材料，寻找到无熟料矿渣水泥的最优配比，并验证此种水泥用于双组份聚合物水泥基防水浆料中是否具有可行性。

　　1 试验

　　1.1 原材料

　　水泥：P·O42.5 R，铜陵海螺水泥厂。

　　矿渣：S95，比表面积430 m2/kg，其主要化学成分见表1。

　　碱性激发剂：无水石膏，安徽省皖北煤电集团；氢氧化钙，分析纯；硫酸钠，分析纯；硫铝酸盐水泥熟料，唐山北极熊；丙烯酸类乳液、减水剂，BASF 公司；成膜助剂、分散剂、消泡剂，陶氏化工。

　　1.2 试验方法

　　（1）用无水石膏、氢氧化钙、硫酸钠和硫铝酸盐水泥熟料作为碱性激发剂对矿渣进行碱性激活，并按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》对无熟料矿渣水泥进行强度测试，使其能尽可能地靠近42.5 R 水泥的强度，水胶比为0.5。为了更好地应用在双组份聚合物防水浆料中，将标准中原有的湿养护更改为水养护，因此本试验的强度除了1 d强度为湿养护条件下所得，7 d 和28 d 强度均为水养护条件下所得。

　　（2）通过试验结果分析所得的最优无熟料矿渣水泥配方，将其替换原有传统水泥应用在双组份聚合物水泥基防水浆料[m（液）∶m（粉）=9∶25]中，按照JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》验证其在双组份聚合物防水浆料中应用的可行性。

　　2 试验结果与讨论

　　2.1 无熟料矿渣水泥最优配方的确定

　　考虑到本试验的成型工作强度较大，采用正交试验设计方法来优化选择。表2 所选取的因素和水平是在前期的探索试验基础上确定，其中，少量的硫铝酸盐熟料的加入是为了补偿前期特别是1 d 龄期的强度。

　　注：不足100%的其余部分为矿渣粉含量。

　　表3 为正交试验设计及试验结果。为了更好地表征无熟料矿渣水泥的强度，试验分别选取1 d、7 d、28 d 龄期的抗压、抗折强度。表4 为正交试验抗压、抗折强度极差分析。

　　根据表4 中R 值得出4 个因素对强度的影响大小次序。同时，根据k 值可以直观发现各个龄期的抗压强度和抗折强度的最佳因素点，可以得到表5 各因素影响次序和最优因素水平。

　　从表5 可以看出，在早期1 d 和7 d 龄期，因素A（无水石膏）对抗压、抗折强度的影响最大，其次为因素D（硫酸钠）。到了后期28 d 龄期，C（氢氧化钙）的影响最大。

　　当因素A（无水石膏）掺量为10%时，每个龄期的抗压强度和抗折强度都最优，因为石膏和矿渣的水泥反应程度主要取决于Ca2+、OH-以及SO42-浓度，浓度高可加快C3A 和石膏的水化反应速度，生成致密而坚固的钙矾石，促进强度的增长速度，但石膏掺量过多，会阻碍水化物的扩散，而且参与水化反应后剩余的石膏只是以低强度状态存在于硬化体中，反而降低强度，因此，在此配方体系中，10%的石膏掺量是最合适的。

　　因素B（硫铝酸盐熟料）掺量为7%时，出现最优结果的次数最多，主要表现在后期强度上。

　　因素C（氢氧化钙）掺量为2%时，出现最优结果的次数最多，也表现在中后期强度上，矿渣本身是玻璃体结构的矿物，与水相遇时，其颗粒表面上形成由硅酸系列物组成的致密而不定性的酸性膜层，阻碍水的内部渗透，当与pH 值≥12 的水相遇时，矿渣中—O—Si—O—Al—O—不规则的锁链结构在强碱作用下被切断，释放出网状结构所包围的各种碱性离子，使其具有与普通水泥相同的水硬性，Ca（OH）2 的加入主要目的在于破坏矿渣表面上酸性膜层，Ca（OH）2 的溶解度虽小，但是具有长期维持高pH 值（≥12）的性质，因此在本配方体系中，2%的掺量可达到最佳后期强度效果。

　　因素D（硫酸钠）的掺量为1.5%时，出现最优结果的次数最多。硫酸盐激发其实也是基于碱激发产生的，有学者研究了硫酸盐和碱性激发复合作用下发现，硫酸盐对矿渣进行活性激发可显著提高矿渣水泥的早期和后期强度。

　　因此，综合考虑最优配比为A1B3C1D3（即：无水石膏10%，硫铝酸盐熟料7%，氢氧化钙2%，硫酸钠1.5%，其余89.5%为矿渣粉），根据试验方法（1）验证该配比的水泥抗压和抗折强度是否符合预期。结果如表6 所示。

　　2.2 无熟料矿渣水泥应用于双组份聚合物水泥基防水浆料的验证

　　从表6 结果可以确认，该配比水泥可以得到与P·O42.5 R水泥相差不大的抗压和抗折强度。进一步将该无熟料矿渣水泥用于表7 中的双组份聚合物水泥基防水浆料中验证其可行性。

　　注：m（液料）∶m（粉料）=9∶25。

　　按照JC/T 984—2011 成型并测试，按照其中Ⅰ型的标准评判，结果如表8 所示。

　　从表8 可以看出，无熟料矿渣水泥在双组份聚合物水泥基防水浆料中应用，其性能符合JC/T 984—2011 的要求。因为常规丙烯酸乳液也是呈碱性（pH 值为7~9），这给无熟料矿渣水泥的应用提供了可反应的环境条件。在与P·O42.5 R 水泥同步对比的情况下发现，应用无熟料矿渣水泥的双组份防水浆料的凝结时间更长，但是抗渗压力、抗折抗压强度、粘结强度和吸水率优于P·O42.5 R 水泥。有学者研究发现，无熟料矿渣水泥的水化产物较普硅水泥更致密，在本研究应用中也得到了证实。而在收缩率这方面，无熟料矿渣水泥的收缩要大于普硅水泥，而这一现象也与一些学者的研究结果相符。