碱激发复合渣体（AAW）混凝土的性能研究

摘要

水泥混凝土作为最大宗的人造结构材料，资源、能源和环境问题突出，随着水泥和混凝土用量的增加，对资源、能源的消耗及对地球环境的影响也非常惊人，传统水泥生产时，原生资源消耗大，废气、粉尘排放量大，对环境造成严重的污染，如何使混凝土满足可持续发展的要求，和环境更好地协调，成为当今混凝土发展的目标。 目前，工业渣体象粉煤灰，矿渣及锂渣等已作为水泥或混凝土中的掺合料。但是，将这些掺合料作为取代水泥的混合材，还不能完全发挥这些材料的性能。碱激发废弃材料是目前普遍研究的课题，和普通水泥混凝土相比，这些材料具有低水化热、高早强、高抗渗性及各种优异的耐久性。 本研究对各种工业渣体进行有效处理（主要通过化学激发和磨细处理），研究由碱激发矿渣、粉煤灰、锂渣、石粉及其复合渣体制备的碱激发复合渣体（Alkali-activated waste residue composites，以下简称AAW）混凝土，从而为大量运用各种废渣提供途径，同时我们本着少用或不用水泥及水泥熟料的原则，一方面是为了保护环境，降低对环境的污染，另外也为充分发挥各种工业渣体的潜力，为最大地发挥其活性找到新方法。 本文的主要研究成果总结如下： （1）以碱矿渣混凝土为基准组，掺入10％～30％的磨细锂渣时，混凝土的坍落度有所增大，对碱矿渣混凝土有一定的减水作用，当掺量为40％时，混凝土的坍落度和未掺的基本相同；当粉煤灰的掺量为10％时，混凝土的坍落度增加最多，流动性最好，当粉煤灰的细度为4900 cm2/g时，混凝土的坍落度最大。当石粉取代一部分矿渣时，掺量为5～10％时为最佳掺量，对碱矿渣混凝土流动性改善最大。掺入各种渣体的AAW混凝土没有泌水现象，且碱矿渣混凝土的泛碱现象也消除。 （2）各种渣体与外加剂复合所制备的AAW混凝土的凝结时间合理，完全满足混凝土工程的需要。由于不同渣体的化学成分和矿物学成分不同，水化初期和碱激发剂所作用的速度不同，因而，不同渣体按不同比例复合时，对AAW混凝土凝结时间的影响也不同。 （3）掺10～70％的锂渣能提高碱矿渣混凝土的早期和后期强度，内掺10～50％或外掺5～15％的石粉也能提高碱矿渣混凝土的早期和后期强度，且外掺时，对混凝土的增强效果更明显。粉煤灰的掺入会降低碱矿渣混凝土早期强度，但能明显提高混凝土的后期强度，特别是28天以后，粉煤灰的活性充分发挥出来，有效地起到增强的作用。 （4）制备AAW混凝土所用的胶结材用量低，不用水泥，在复合渣用量为390kg/m3的情况下，配制出28天抗压强度大于70MPa的高强混凝土。 （5）建立了抗压、抗拉、抗折强度之间的数学模型表达公式，定量地探索了多元复合渣体混凝土的力学性状。AAW混凝土的抗压强度与抗拉强度之间的计算公式为:（31MPa≤fcu,J≤96.6MPa）,或:（用幂函数表示）；抗压强度和抗折强度计算公式为： （30MPa≤fcu,J≤100MPa）或（用幂函数表示）；通过实验得出：AAW混凝土的拉压比变化在0.0512～0.089之间，60MPa以上的高强AAW混凝土的拉压比在0.0512～0.0807之间，平均为0.0632；AAW混凝土的折拉比为1.83～2.3，平均为2.002，抗折强度偏高，劈拉强度偏低。 （6）AAW混凝土有高的抗冻性，和碱矿渣混凝土相比，掺入30％粉煤灰后，抗冻性基本相当，当掺入30％锂渣后能提高碱矿渣混凝土的抗冻性。掺入引气剂对提高AAW混凝土的抗冻性起着非常重要的作用。 （7）掺入30％的锂渣能显著提高碱矿渣混凝土的抗氯离子渗透性，28天时氯离子扩散系数降低将近50％，360天时，氯离子扩散系数降低66.7％。抗海水侵蚀实验表明，AAW混凝土抗海水侵蚀性优异，这对海工混凝土结构的运用有更高的价值，能开发出高抗海水侵蚀的新型混凝土材料。 （8）粉煤灰、锂渣、石粉的比表面积大，对碱有吸附作用，能与碱发生化学反应，将碱金属离子紧密地结合到反应产物中去，使可迁移碱数量减少，从而降低或抑制碱矿渣水泥的泛碱能力，实验结果表明，这些渣体的掺量超过50％时就能消除碱矿渣水泥的“泛霜”现象。因此，将磨细的粉煤灰、锂渣、石粉这些工业渣体替代一部分矿渣制备AAW混凝土是消除碱矿渣混凝土“泛霜”现象的有效方法。 （9）AAW混凝土具有优异的抗化学侵蚀性能，能抵抗各种酸、碱、硫酸盐、海水等的侵蚀，这充分证明其可以用于露天、海水、地下环境中的桥梁、隧道、港口等基础设施工程。 （10）AAW胶凝材料孔溶液pH值测定表明，掺入粉煤灰和锂渣后，混凝土的pH有不同程度的增大，但随着掺入比例的增大，pH值下降；石粉替代一部分矿渣后，pH值增大，随着掺量的增加，pH值也增大。 （11）非蒸发水量测试表明，在碱激发矿渣净浆中掺入粉煤灰、锂渣及石粉后，在3天时净浆的非蒸发水量有所降低，且随着掺量的增加而减少，当龄期延长时，非蒸发水量又开始不断增加，到7天时，有的已超过碱激发矿渣净浆的非蒸发水量，28天时大多都超过碱激发矿渣净浆的非蒸发水量。 （12）通过X射线衍射、SEM方法研究AAW净浆的水化产物及形貌可知，不同的工业渣体复合会产生不同的水化产物，在掺入锂渣、粉煤灰及其复合渣体后，主要水化产物除水化硅酸钙凝胶外，还有大量的沸石类水化产物存在。这些沸石类水化产物的产生对混凝土力学性能及耐久性起到非常重要的作用。 （13）对AAW混凝土进行的环境性评价分析表明，和普通硅酸盐水泥混凝土相比，生产AAW混凝土能大大降低硅酸盐水泥混凝土由于在制造水泥过程中对环境产生的负荷，对环境保护起到有益的作用，是一种新型的环境混凝土。 用碱激发各种工业渣体生产AAW混凝土，可以获得性能优良、环保的新型高性能混凝土材料，是实现水泥混凝土工业与环境可持续发展的有效途径，是值得发展的一种降环境负荷型混凝土。