摘要
从水化过程、力学性能、收缩性能等方面系统研究了2种水玻璃对苯丙乳液（SA乳液）改性碱激发矿渣（AAS）性能的影响及其作用机理，以期指导SA乳液在AAS中的应用.结果表明：钾水玻璃（PWG）加速矿渣水化进程的能力强于钠水玻璃（SWG）；SA乳液不影响AAS的水化进程，不会阻碍水化硅酸钙/水化硅铝酸钙的生成，但会抑制水滑石的生成；SA乳液显著降低了AAS的抗压强度，并且对PWG激发AAS的影响强于SWG激发AAS；AAS的抗折强度随着SA乳液掺量的增加呈先增大后减小的趋势，在SWG与PWG激发AAS中，SA乳液的最佳掺量分别为2.5%与5.0%；PWG激发AAS在14 d内的总变形量高于SWG激发AAS，SA乳液可显著降低硬化浆体的总收缩量.
碱激发胶凝材料（AAM）是一种利废节能且具有良好工程性能的绿色低碳建筑材
聚合物乳液通过在水泥混凝土中稳定成膜来发挥功效.显然，为对比聚合物乳液对AAM性能的影响，其基本前提为聚合物乳液的稳定存在.然而，由于碱激发体系较高的pH值及离子强度，在水泥中可以稳定存在的聚合物乳液在AAM中极可能失稳破
考虑到钠碱与钾碱为AAM常用的碱激发剂，本文系统研究带有不同阳离子的水玻璃对苯丙乳液（SA乳液）改性碱激发矿渣（AAS）性能的影响，以期为SA乳液在AAS中的应用提供理论指导.
粒化高炉矿渣的化学组成（质量分数，文中涉及的组成、含量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比）与粒径分布分别如
| SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | Fe2O3 | SO3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 35.4 | 13.1 | 39.8 | 8.2 | 0.4 | 0.6 | <0.5 | 1.2 |
图1 矿渣的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of slag
SWG激发体系中Na2O掺量为矿渣质量的2.5%，水玻璃掺量为矿渣质量的6.9%，配制浆体离心获得的上清液的初始pH值为12.62.由于K、Na元素相对原子质量的差异，为对比相同碱金属质量分数与摩尔浓度下不同水玻璃对AAS性能的影响，PWG激发体系中K2O掺量为矿渣质量的2.5%（相同质量浓度）与3.8%（相同摩尔浓度），对应水玻璃掺量为矿渣质量的4.1%和6.3%，配制浆体离心获得的上清液对应的初始pH值分别为13.39和13.55.浆体水胶比为0.5，SA乳液掺量分别为0%、2.5%、5.0%、10.0%.样品编号为激发剂+Na2O/K2O掺量+SA乳液掺量，如SWG‑2.5%表示激发剂为SWG，Na2O掺量为2.5%，其余以此类推.为避免乳液的引气作用，消泡剂掺量固定为矿渣质量的0.08%.采用行星式搅拌机将矿渣、水和水玻璃低速（140 r/min）搅拌1 min，静置5 min后加入聚合物乳液与消泡剂，再高速（285 r/min）搅拌1 min.
采用TAM‑Air八通道量热仪测试AAS的水化过程，试验配合比如1.2中所述.测试选用内搅拌方式，将装有10 g矿渣的安瓿瓶及装有水玻璃溶液与SA乳液的注射器连接好后置于设备内部稳定12 h，其后将水玻璃溶液注入矿渣中，充分混合30 s后开始记录数据，再将SA乳液注入，混合30 s.测试温度为20 ℃，测试时间为168 h.
采用德国耐驰TG209 F3 Tarsus型热重分析仪（TG‑DTG）测试AAS的水化产物，测试温度范围为室温至1 000 ℃，升温速率为10 ℃/min，测试氛围为氮气.采用德国兹韦克罗睿Toni Technik Model 2060型压力机，以2.4 kN/s的加载速率测定硬化浆体（2 cm×2 cm×2 cm）在不同龄期的强度，每个龄期下重复3次，结果取其平均值.采用德国史来宾格Shrinkage drain型收缩测量仪测试硬化浆体（6 cm×4 cm×50 cm）的收缩形变.用塑料薄膜对样品进行保水密封，以测试前7 d的自收缩形变，随后撤去塑料薄膜，再测量后7 d的干燥收缩形变.使用Porosimeter 2000型压汞仪（MIP）测量样品在终止水化后的孔径分布和总孔隙率.
图2 SWG与PWG对AAS水化的影响
Fig.2 Effect of SWG and PWG on hydration of AAS
（1）与水泥水化过程类似，矿渣在碱激发作用下同样发生放热反应，可以观测到2个反应放热峰.首先，矿渣与激发剂拌和后在很短的时间内出现了显著的放热，这可以归结于矿渣颗粒表面的润湿热及矿渣在高碱性溶液中部分Ca-O键、Al-O键及Si-O键断裂引起的溶解放
（2）对比含有不同碱金属离子的激发剂可以看出，在相同质量分数或摩尔浓度下，PWG激发矿渣水化的诱导期均较短，且具有更高的峰值反应放热速率与总放热量，这与前人工作所得结论相
对于SA乳液的影响，不同于其对硅酸盐水泥水化进程的显著抑制作
图3 不同SA乳液掺量AAS的热失重曲线
Fig.3 Thermogravimetric curves of AAS with different SA dosages
由文献［
| Sample | 7 d | 28 d | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 50‑200 ℃ | 200‑500 ℃ | 50‑200 ℃ | 200‑500 ℃ | ||
| SWG‑2.5%‑2.5% | 5.7 | 4.0 | 6.6 | 3.9 | |
| SWG‑2.5%‑5.0% | 6.1 | 2.7 | 7.3 | 3.3 | |
| SWG‑2.5%‑10.0% | 6.2 | 1.3 | 7.1 | 2.5 | |
| PWG‑3.8%‑2.5% | 6.3 | 5.0 | 7.1 | 5.3 | |
| PWG‑3.8%‑5.0% | 6.2 | 4.4 | 7.0 | 4.6 | |
| PWG‑3.8%‑10.0% | 5.7 | 3.2 | 6.7 | 3.3 | |
图4 SA乳液改性AAS硬化浆体的力学性能
Fig.4 Mechanical properties of SA modified hardened AAS pastes
不同水玻璃对SA乳液改性AAS自收缩与干燥收缩的影响如
图5 不同水玻璃对SA乳液改性AAS自收缩与干燥收缩的影响
Fig.5 Effect of different water glass on autogenous shrinkage and drying shrinkage of SA modified AAS
为进一步分析不同水玻璃的作用，把
在自收缩阶段，对于SWG激发AAS，其在3 d内的收缩变形并不显著，其后随着水化反应进入加速期（
为理解不同水玻璃对SA乳液改性AAS力学及收缩性能的影响，采用压汞法测试了水化7 d后AAS的孔径分布和累计孔隙率，结果如
图6 不同水玻璃对SA乳液改性AAS孔结构的影响
Fig.6 Effects of different water glass on the pore structure of SA modified AAS
（1）在相同碱金属摩尔浓度下，PWG激发AAS硬化浆体的总孔隙率显著高于SWG激发AAS，特别是当孔径小于50 nm时，此种细孔结构将引起较大的毛细拉应力，导致PWG激发AAS具有更大的自由收缩值（如
（2）无论PWG激发AAS还是SWG激发AAS，SA乳液的加入均能粗化孔隙结构，显著增加50 nm以上毛细孔的含量，进而减小体系的毛细应力，缓解了硬化矿渣的收缩.但同时SA乳液的加入也会导致体系力学性能下降.对于SWG激发AAS，SA乳液的加入可显著增加体系的总孔隙率，但对PWG激发AAS的影响并不显著.
（1）在水化方面，在相同质量分数或摩尔浓度下，钾水玻璃（PWG）促进水化的作用均强于钠水玻璃（SWG），这可归因于PWG较强的碱性和较低的黏度.苯丙乳液（SA乳液）的加入不会抑制矿渣的水化进程，这与其在硅酸盐水泥中的现象完全不同.这可能源于碱激发矿渣（AAS）体系中快速形成的水化产物阻碍了SA乳液在矿渣颗粒表面的吸附.
（2）在相同碱金属摩尔浓度下，无论是否加入聚合物，PWG激发AAS的抗压强度均显著高于SWG激发AAS，但抗折强度规律相反.随着SA乳液掺量的增加，抗折强度呈先增加后降低趋势，SWG激发AAS中抗折强度最优的SA乳液掺量为2.5%，而PWG激发AAS中抗折强度最优的SA乳液掺量为5.0%.抗压强度随着SA乳液掺量的增加显著降低，SA乳液对于PWG激发AAS抗压强度的影响要强于SWG激发AAS.
（3）在相同碱金属质量分数或摩尔浓度下，PWG激发AAS在14 d内的总变形量均显著高于SWG激发AAS.SA乳液的加入显著降低了硬化浆体的总收缩量，粗化了硬化浆体的孔隙结构，减小了体系的毛细应力，缓解了硬化矿渣的收缩.
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