采用礦渣為主要原料，以石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和少量硫鋁酸鹽熟料作為堿性激發(fā)劑，通過正交試驗方法確定最優(yōu)強度配比，使其強度（特別是早期1 d 和7 d 強度）達(dá)到42.5 R 水泥強度等級要求。將最優(yōu)配方的無熟料礦渣水泥用于雙組份聚合物水泥基防水漿料中，并按照J(rèn)C/T 984—2011 驗證其應(yīng)用的可行性。

　　前 言

　　硅酸鹽水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但其生產(chǎn)過程中能源與資源消耗高、污染大，在熟料的煅燒過程中，由于石灰石分解和燃料會釋放出大量的CO₂，以及SO₂、NO _x 等氣體。于是越來越多的研究者開始著手研究無熟料水泥，即不含或少含水泥熟料的水泥，它們主要由非熟料的火山灰質(zhì)材料或礦渣類材料加入活性激發(fā)劑物理混合組成。本文以礦渣為原材料，尋找到無熟料礦渣水泥的最優(yōu)配比，并驗證此種水泥用于雙組份聚合物水泥基防水漿料中是否具有可行性。

　　1 試 驗

　　1.1 原材料

　　水泥：P·O42.5 R，銅陵海螺水泥廠。

　　礦渣：S95，比表面積430 m2/kg，其主要化學(xué)成分見表1。

　　堿性激發(fā)劑：無水石膏，安徽省皖北煤電集團；氫氧化鈣，分析純；硫酸鈉，分析純；硫鋁酸鹽水泥熟料，唐山北極熊；丙烯酸類乳液、減水劑，BASF 公司；成膜助劑、分散劑、消泡劑，陶氏化工。

　　1.2 試驗方法

　?。?）用無水石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和硫鋁酸鹽水泥熟料作為堿性激發(fā)劑對礦渣進(jìn)行堿性激活，并按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》對無熟料礦渣水泥進(jìn)行強度測試，使其能盡可能地靠近42.5 R 水泥的強度，水膠比為0.5。為了更好地應(yīng)用在雙組份聚合物防水漿料中，將標(biāo)準(zhǔn)中原有的濕養(yǎng)護更改為水養(yǎng)護，因此本試驗的強度除了1 d強度為濕養(yǎng)護條件下所得，7 d 和28 d 強度均為水養(yǎng)護條件下所得。

　?。?）通過試驗結(jié)果分析所得的最優(yōu)無熟料礦渣水泥配方，將其替換原有傳統(tǒng)水泥應(yīng)用在雙組份聚合物水泥基防水漿料[m（液）∶m（粉）=9∶25]中，按照J(rèn)C/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》驗證其在雙組份聚合物防水漿料中應(yīng)用的可行性。

　　2 試驗結(jié)果與討論

　　2.1 無熟料礦渣水泥最優(yōu)配方的確定

　　考慮到本試驗的成型工作強度較大，采用正交試驗設(shè)計方法來優(yōu)化選擇。表2 所選取的因素和水平是在前期的探索試驗基礎(chǔ)上確定，其中，少量的硫鋁酸鹽熟料的加入是為了補償前期特別是1 d 齡期的強度。

　　注：不足100%的其余部分為礦渣粉含量。

　　表3 為正交試驗設(shè)計及試驗結(jié)果。為了更好地表征無熟料礦渣水泥的強度，試驗分別選取1 d、7 d、28 d 齡期的抗壓、抗折強度。表4 為正交試驗抗壓、抗折強度極差分析。

　　根據(jù)表4 中R 值得出4 個因素對強度的影響大小次序。同時，根據(jù)k 值可以直觀發(fā)現(xiàn)各個齡期的抗壓強度和抗折強度的最佳因素點，可以得到表5 各因素影響次序和最優(yōu)因素水平。

　　從表5 可以看出，在早期1 d 和7 d 齡期，因素A（無水石膏）對抗壓、抗折強度的影響最大，其次為因素D（硫酸鈉）。到了后期28 d 齡期，C（氫氧化鈣）的影響最大。

　　當(dāng)因素A（無水石膏）摻量為10%時，每個齡期的抗壓強度和抗折強度都最優(yōu)，因為石膏和礦渣的水泥反應(yīng)程度主要取決于Ca2+、OH-以及SO42-濃度，濃度高可加快C3A 和石膏的水化反應(yīng)速度，生成致密而堅固的鈣礬石，促進(jìn)強度的增長速度，但石膏摻量過多，會阻礙水化物的擴散，而且參與水化反應(yīng)后剩余的石膏只是以低強度狀態(tài)存在于硬化體中，反而降低強度，因此，在此配方體系中，10%的石膏摻量是最合適的。

　　因素B（硫鋁酸鹽熟料）摻量為7%時，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多，主要表現(xiàn)在后期強度上。

　　因素C（氫氧化鈣）摻量為2%時，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多，也表現(xiàn)在中后期強度上，礦渣本身是玻璃體結(jié)構(gòu)的礦物，與水相遇時，其顆粒表面上形成由硅酸系列物組成的致密而不定性的酸性膜層，阻礙水的內(nèi)部滲透，當(dāng)與pH 值≥12 的水相遇時，礦渣中—O—Si—O—Al—O—不規(guī)則的鎖鏈結(jié)構(gòu)在強堿作用下被切斷，釋放出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所包圍的各種堿性離子，使其具有與普通水泥相同的水硬性，Ca（OH）2 的加入主要目的在于破壞礦渣表面上酸性膜層，Ca（OH）2 的溶解度雖小，但是具有長期維持高pH 值（≥12）的性質(zhì)，因此在本配方體系中，2%的摻量可達(dá)到最佳后期強度效果。

　　因素D（硫酸鈉）的摻量為1.5%時，出現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果的次數(shù)最多。硫酸鹽激發(fā)其實也是基于堿激發(fā)產(chǎn)生的，有學(xué)者研究了硫酸鹽和堿性激發(fā)復(fù)合作用下發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽對礦渣進(jìn)行活性激發(fā)可顯著提高礦渣水泥的早期和后期強度。

　　因此，綜合考慮最優(yōu)配比為A1B3C1D3（即：無水石膏10%，硫鋁酸鹽熟料7%，氫氧化鈣2%，硫酸鈉1.5%，其余89.5%為礦渣粉），根據(jù)試驗方法（1）驗證該配比的水泥抗壓和抗折強度是否符合預(yù)期。結(jié)果如表6 所示。

　　2.2 無熟料礦渣水泥應(yīng)用于雙組份聚合物水泥基防水漿料的驗證

　　從表6 結(jié)果可以確認(rèn)，該配比水泥可以得到與P·O42.5 R水泥相差不大的抗壓和抗折強度。進(jìn)一步將該無熟料礦渣水泥用于表7 中的雙組份聚合物水泥基防水漿料中驗證其可行性。

　　注：m（液料）∶m（粉料）=9∶25。

　　按照J(rèn)C/T 984—2011 成型并測試，按照其中Ⅰ型的標(biāo)準(zhǔn)評判，結(jié)果如表8 所示。

　　從表8 可以看出，無熟料礦渣水泥在雙組份聚合物水泥基防水漿料中應(yīng)用，其性能符合JC/T 984—2011 的要求。因為常規(guī)丙烯酸乳液也是呈堿性（pH 值為7~9），這給無熟料礦渣水泥的應(yīng)用提供了可反應(yīng)的環(huán)境條件。在與P·O42.5 R 水泥同步對比的情況下發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用無熟料礦渣水泥的雙組份防水漿料的凝結(jié)時間更長，但是抗?jié)B壓力、抗折抗壓強度、粘結(jié)強度和吸水率優(yōu)于P·O42.5 R 水泥。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，無熟料礦渣水泥的水化產(chǎn)物較普硅水泥更致密，在本研究應(yīng)用中也得到了證實。而在收縮率這方面，無熟料礦渣水泥的收縮要大于普硅水泥，而這一現(xiàn)象也與一些學(xué)者的研究結(jié)果相符。

　　注：①采用P·O42.5 R 水泥；②采用無熟料礦渣水泥。

　　3 結(jié) 論

　?。?）在以礦渣為主要原材料，選取石膏、氫氧化鈣、硫酸鈉和少量硫鋁酸鹽熟料作為堿性激發(fā)劑，當(dāng)無水石膏為10%，硫鋁酸鹽熟料摻量為7%，氫氧化鈣摻量為2%，硫酸鈉摻量為1.5%，礦渣粉摻量為89.5%時，該無熟料礦渣水泥在各齡期都有良好的強度表現(xiàn)。

　?。?）在以丙烯酸乳液（pH 值≥7）為基礎(chǔ)的雙組份聚合物防水漿料中，應(yīng)用無熟料礦渣水泥具有可行性，其更為致密的水化結(jié)構(gòu)使雙組份聚合物防水漿料硬化后具有更優(yōu)良的抗?jié)B、抗壓折、粘結(jié)強度和吸水率，但其收縮率要略大于普通硅酸鹽水泥。