摘要：本文研究了矿渣的种类、细度以及碱组分种类、碱溶液浓度等对碱矿渣水泥化学收缩的影响。结果表明：当碱组分为NaOH 时，碱矿渣水泥28d 龄期的化学收缩约为6~10ml/100g，与硅酸盐水泥(7~9ml/100g) 的相当；当碱组分为水玻璃时，其收缩量约为3~6ml/100g，比硅酸盐水泥的小。
关键词：碱矿渣水泥 化学收缩
1 引言
碱矿渣水泥是以磨细的水淬高炉矿渣和其它冶金渣为固态分散相，配以一定的碱组分而组成的一类新型的胶凝材料。目前，有关该胶凝材料系统的化学收缩研究较少，而收缩问题是制约其应用发展有重要技术属性之一。加强化学收缩研究，对确定不同类型收缩在碱矿渣水泥砂浆及混凝土总收缩中的比例、明确提高其体积稳定性的技术途径具有重要意义。
虽然矿渣在化学成分和硅酸盐水泥相近，但是由于矿渣在水淬过程中，冷却速度极快，来不及成核结晶，90%以上为玻璃相。因此，不存在单矿物水化减缩的差异。碱矿渣水泥化学收缩的特殊性在于，碱矿渣水泥由矿渣和碱组分组成，其水化过程比硅酸盐水泥更复杂，水化产物的组成与数量随碱组分变化而改变。碱组分种类不同，碱矿渣水泥化学收缩可能不同；碱组分种类相同，碱溶液浓度不同，碱矿渣水泥化学收缩也可能不同。本文试验研究了矿渣种类、细度和碱组分种类、碱含量对碱矿渣水泥化学收缩的影响。
2 原材料及试验方法
2.1 原材料
(1) 矿渣：重庆钢铁集团水淬高炉矿渣，化学成分见表1，矿渣A 的碱性系数Mo＝1.114、活性
系数Ma＝0.304，属碱性渣；矿渣B 的碱性系数＝0.964、活性系数＝0.470，属酸性渣。矿渣的密度为2.91~2.92 g/cm3。矿渣与1.0%缓凝剂混磨，碱性渣的细度分别为390 m2/kg、485 m2/kg、590 m2/kg；酸性渣的细度分别为：379 m2/kg、514 m2/kg、615m2/kg。
表1 矿渣、粉煤灰的化学成分/%
(2)碱组分：分别采用水玻璃和氢氧化钠作碱组分。前者为重庆北碚东风化工厂生产的水玻璃，
其玻美度为52、模数为2.31、Na2O 和SiO2 含量分别为13.57%和30.33%；后者NaOH 含量为99％。
2.2 试验方法
实验装置如图1 所示，由125 毫升广口玻璃瓶1，中心穿孔胶塞2 及10ml 的刻度吸管3 作为量
管组成，刻度分度值为0.1cm3。实验前配制好碱溶液，提前将碱溶液、矿渣放入温度为20±◦C 室内，待原材料温度与环境相同后开始做实验。
实验步骤如下：
A、称取干燥过并冷却的矿渣/水泥装入广口瓶。
B、将量管插入胶塞中，量管与胶塞接触处用502 胶密封。
C、向广口瓶中加适量碱溶液/水，用玻璃棒搅拌使试样分散，并排气泡。
D、用胶塞塞紧瓶口，并把胶塞与瓶口接触处用502 胶密封。
E、用滴管通过量管向瓶内补充加水，使液面上升至接近量管的最大刻度。
F、向量管中加一滴机油，用以封盖水面，防止水分蒸发。
G、将装置放于温度为20±1◦C 室内，待液面稳定后，即可读取液面起始读数。
每组实验做三个试样的测定(每个试样为50g)，按预定水化龄期测读瓶中的液面下降值，取其平均值的2 倍作为最终结果 (ml/100g)。
3 试验结果与讨论
3.1 矿渣种类对AASC 化学收缩的影响
一共进行两个系列，共12 组实验，研究了碱性渣(矿渣A，比表面积为485 m2/kg)和酸性渣(矿渣B，比表面积为514m2/kg)为固态分析相的碱矿渣水泥的化学收缩，其中NH 系列实验的碱组分为NaOH，WG 系列实验碱组分是模数(M)为1.5 的水玻璃(WG)。碱矿渣水泥化学收缩实验配比见表2，实验结果见图2 和图3。
表2 矿渣碱度对碱矿渣水泥化学收缩影响实验配比
图2 矿渣种类不同的碱矿渣水泥的化学收缩(碱组分为NaOH)
图3 矿渣种类不同的碱矿渣水泥化学收缩(碱组分为WG,M=1.5)
由上述试验结果可以看出，当碱组分为NaOH 且碱溶液浓度相同时，酸性渣制备的碱矿渣水泥
各个龄期的化学收缩比碱性矿渣制备的碱性渣碱矿渣水泥的略大；当碱组分为水玻璃时，碱性渣和
酸性渣制备的碱矿渣水泥各龄期的化学收缩相当。说明矿渣碱度不是影响碱矿渣水泥化学收缩的主
要因素。
无论是碱性渣还是酸性渣，NaOH 为碱组分的碱矿渣水泥28d 龄期的化学收缩量比水玻璃(M=1.5)为碱组分的碱矿渣水泥化学收缩量大。
3.2 矿渣细度对化学收缩的影响
一共进行两个系列，共6 组实验，NH 和WG 系列分别表示碱组分为NaOH 和模数1.5 的水玻
璃。实验中矿渣的比表面积分别为390、485、590 m2/kg。碱组分为NaOH 时，碱浓度(以Na2O 当量计)为4/35；碱组分为水玻璃的时，碱浓度(以Na2O 当量计)为4/45。实验配比见表3，实验结果如图4 所示。
表3 矿渣细度对碱矿渣水泥化学收缩影响实验配比
图4 矿渣细度对碱矿渣化学收缩的影响
试验结果验实，同等条件下，碱矿渣水泥28d 龄期内的化学收缩随龄期延长而提高，NaOH 作
碱组分的碱矿渣水泥的化学收缩大于水玻璃作碱组分的碱矿渣水泥。矿渣比表面积在390~590m2/kg范围时，NaOH 作碱组分的碱矿渣水泥化学收缩随矿渣比表面积增大呈增长趋势，矿渣比表面对水玻璃作碱组分的碱矿渣水泥初期（1d 龄期）化学收缩有一定影响，但此后龄期的影响不明显。
3.3 碱组分对化学收缩的影响
碱组分是碱矿渣水泥的独立组分，是该胶结材活性形成的动力源。碱组分种类不同的碱矿渣水
泥的水化过程、水化产物组成和结构有所区别，因此其化学收缩行为也不同。与其它影响因素相比，
碱组分对碱矿渣水泥化学收缩的影响较复杂，包括碱组分的种类、碱溶液浓度(以Na2O 当量计)和碱参数(水玻璃模数)等。
本文选择水玻璃和NaOH 做碱组分，矿渣细度为485m2/kg，水玻璃的模数分别为1.0、1.5 和2.0，研究碱组分对碱矿渣水泥化学收缩的影响。实验配比见表4，实验结果见图5。
表4 碱对碱矿渣水泥化学收缩影响实验配比
图5 碱组分对碱矿渣水泥化学收缩影响(图a、b 为碱浓度的影响；图c 为水玻璃模数的影响)
碱浓度对不同碱组分配制的碱矿渣水泥化学收缩的影响见图5-(a)和图5-(b)。结果表明：
(1) 在实验的碱浓度范围内，碱组分为NaOH 的碱矿渣水泥的化学收缩比水玻璃(M=1.5)为碱组分的碱矿渣水泥大；
(2) 碱组分种类不同，碱溶液浓度对碱矿渣水泥化学收缩影响不同。当碱组分为NaOH 时，碱
溶液浓度在4/55~5/35 时，碱矿渣水泥各个龄期的化学收缩随碱浓度提高呈逐渐增大趋势。当碱组分为水玻璃且碱浓度在4/55~4/35 范围，碱矿渣水泥各个龄期的化学收缩随碱浓度变化曲线先增大后减小，出现“化学收缩最大”碱浓度点，本实验条件下对应的碱浓度约为4/45。
研究表明，碱矿渣早期水化产物为无定形的水化硅酸钙(C-S-H)，碱组分为水玻璃时，由于水玻
璃早期水解，形成的活性SiO2 能快速与矿渣玻璃相解体产生的Ca2+反应，形成稳定的水化硅酸钙，使一定龄期内体系中形成的水化产物比碱组分为NaOH 的体系多，形成的C-S-H 凝胶之C/S 比亦更低，因此碱组分为水玻璃的碱矿渣水泥活性高于碱组分为NaOH 的碱矿渣水泥。但碱组分为水玻璃的碱矿渣水泥的化学收缩却比碱组分为NaOH 的小，说明碱矿渣水泥的化学收缩大小不但与碱矿渣水泥活性有关，还与水化产物类型有关。笔者认为可能是由于Ca/Si 低的水化硅酸钙的密度比Ca/Si高的小，因此其化学收缩较小。
图5-(c)为水玻璃模数对碱矿渣水泥化学收缩影响，结果表明，水玻璃模数在1.0~2.0 范围内，
碱矿渣水泥测试龄期的化学收缩随水玻璃模数提高呈现先增大后减小趋势，出现“化学收缩最大
点”。当水玻璃模数为1.5 时，碱矿渣水泥测试龄期的化学收缩最大。
4 结论
(1)碱矿渣水泥28d 龄期的化学收缩，当碱组分为NaOH 时，其收缩量约为6~10ml/100g，与硅酸盐水泥的(7~9ml/100g)相当；当碱组分为水玻璃时，其收缩量约为3~6ml/100g，比硅酸盐水泥的略小。碱组分为NaOH 的碱矿渣水泥的化学收缩比碱组分为水玻璃的大。
(2)矿渣碱度对碱矿渣水泥的化学收缩影响不大。
(3)碱组分不同，碱矿渣水泥化学收缩不同：当碱组分为NaOH 时，碱溶液浓度((以Na2O 当量计))在4/55~5/35 范围内，矿渣水泥的化学收缩随浓度增加呈增大趋势；当碱组分为水玻璃时，碱浓度在4/55~4/35，碱矿渣水泥化学收缩随碱浓度提高先增大后减小变化，出现“化学收缩最大”碱浓度点，本实验条件下该浓度约为4/45。其它条件一定、模数在1.0~2.0 区间内时，模数为1.5 的水玻璃所配碱矿渣水泥的化学收缩最大。
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Research on the chemical shrinkage of Alkali Activated Slag
Cement(AASC)
Liao Jia-qing1 Yang Chang-hui2
1. Fujian academy of building research 350025,
2. College of Materials Science ＆Engineering, Chongqing University, 400045
Abstract: The influence of kind and specific surface area of slag, type and concentration of alkali activators on the
chemical shrinkage of AASC were studied. The results show that the chemical shrinkage value of AASC activated by NaOH
is about 6~10 ml/100g which equivalent to that of ordinary portland cement(about 7~10 ml/100g), and it is about 3~6
ml/100g which lower than that of ordinary portland cement when activated by water glass.
Keywords: Alkali activated slag cement (ASC), Chemical shrinkage
