碱激发矿粉体系作为低碳胶凝材料有良好的应用前景和优异的环境效应。矿粉可以被强碱物质如氢氧化钠和水玻璃等激发活性，通过解聚-再聚合过程实现凝结硬化，并发展强度。但强碱在使用过程中存在化学灼烧的风险，且强碱的制备会带来不容忽视的能耗。相比之下，硫酸钠可从自然界直接获得，无需经过复杂且高能耗的人工合成，碳排放很低。然而，由于初始pH值过低，硫酸钠激发矿粉体系的强度发展缓慢。有研究表明，增加矿粉细度不仅可提高矿粉自身的反应活性，也可为碱激发过程提供更多的反应位点。因此，有望通过采用降低矿粉粒径提高硫酸钠激发矿粉体系的力学性能。

1  原材料

1.1  原材料

试验原材料有超细矿粉、工业级硫酸钠及标准砂等。如表1所示，矿粉的主要成分是氧化钙、氧化硅、氧化铝及少量氧化镁。此外，本文选用了两种不同细度的矿粉进行对比试验。如表2所示，矿粉A的中值粒径(D50)是8.1μm，而矿粉B的中值粒径是4.3μm。

1.2  样品制备

采用硫酸钠在常温下激发两种不同细度的矿粉，并制备胶砂测量抗压强度。胶砂配合比如表3所示，其中水胶比为0.55，胶砂比为1/3，硫酸钠用量为矿粉质量的9%。胶砂制备方法如下：预先将硫酸钠溶解于拌合水中；将硫酸钠溶液倒入超细矿粉中，并低速搅拌3min；加入标准砂后高速搅拌3min；成型4×4×16cm³的样品，并置于标准条件下(20±1℃，RH＞95%)养护3d后拆模，之后置于同样条件下持续养护至测试。

制备净浆样品（配比与胶砂相同，但不含砂）并养护至规定龄期后，经物理破碎后浸泡在无水酒精中终止水化，在真空干燥箱内以50℃干燥24h，研磨过筛后用于XRD和TG微观测试。

2  试验结果

2.1  抗压强度

图1是硫酸钠激发超细矿粉体系的抗压强度发展规律。矿粉A在28d的抗压强度为29.1MPa，持续养护至90d则抗压强度可增至46MPa。矿粉B在28d和90d的抗压强度分别是44MPa和71.8MPa，相比于矿粉A，分别提高51%和56%。可见，采用硫酸钠激发超细矿粉可获得优异的力学性能，同时，矿粉粒径越小，硫酸钠激发矿粉体系的抗压强度越高。此外，值得注意的是，矿粉B在28d的抗压强度达到了44MPa，满足GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

2.2  水化热分析

图2是硫酸钠激发超细矿粉的水化放热曲线。如图2(a)所示，硫酸钠激发超细矿粉体系的水化放热峰集中出现在48h之前，这说明该体系的水化进程较快。除却初始的矿粉溶解峰以外，观测到两个明显的放热峰，这与该体系水化产物的形成密切相关。此外，若矿粉的中值粒径由8.1μm下降至4.3μm，该体系的水化放热峰强度明显提高。从图2(b)可见，矿粉B的累计放热量始终高于矿粉A，这说明矿粉的粒径越小越有利于碱激发反应的进行。

2.3  XRD分析

为了对硫酸钠激发超细矿粉体系的水化产物进行分析，绘制了该体系在不同龄期的XRD图谱。从图3可知，硫酸钠激发超细矿粉体系的主要水化产物是钙钒石(Ettringite)和C-(N)-S-A-H。一方面，硫酸钠提供的硫酸根可以和矿粉中的钙相和铝相反应生成钙钒石；另一方面，C-(N)-S-A-H是碱激发体系常见的水化产物。随着样品的持续养护，钙钒石和C-(N)-S-A-H的峰强不断提高，表示了矿粉的持续水化。此外，矿粉B中钙钒石和C-(N)-S-A-H的峰强高于矿粉A，这一现象在早期尤为明显。

2.4  TG分析

图4是硫酸钠激发超细矿粉体系在7d、28d及90d的TG-DTG图谱。从图3可以看出，硫酸钠激发超细矿粉体系的失重集中在50-250℃，这主要是钙钒石和C-(N)-S-A-H的热分解所致。该体系在7d的失重峰明显，说明硫酸钠对超细矿粉的激发效果显著。随着激发进程的深化，该体系的失重峰强度也随着提高，这得益于水化产物的持续累计。此外，观察到矿粉B在各龄期的失重量高于矿粉A，而这种现象随着养护龄期的延长愈加明显，这说明增加矿粉细度有利于水化产物的累计，且这种促进作用随着时间的延长更加明显。

通过计算样品在50-550℃的失重量，计算出样品的化学结合水(Bound water,BW)含量，结果如图5所示。由图5可以看出，矿粉A在7d的BW含量为11.3%，而在28d和90d分别增加至11.5%和12.7%，这说明硫酸钠对超细矿粉的激发效率显著，且激发过程是持续进行的。此外，相比于矿粉A，矿粉B在7d时的BW含量是13.7%，增加了21%，而其增长率在28d和90d分别是37%和32%，这说明降低矿粉粒径有利于水化产物的积累，同时，随着养护龄期的延长，促进水化产物积累的作用更加明显。

3  讨论

常温条件下，中值粒径为4.3μm的矿粉被9%的硫酸钠激发后，胶砂的28d和90d抗压强度可达到44MPa和71.8MPa。经超细化处理的矿粉不仅可提供更多的反应位点，且自身反应活性显著提高，有利于碱激发反应的发生，因此，硫酸钠激发超细矿粉的水化放热峰集中出现在48h以内。矿粉溶解产生的钙相和铝相在pH值符合要求的条件下，可以和硫酸钠提供的硫酸根结合生成大量的钙钒石，这些钙钒石作为基质的晶体骨架，有利于硫酸钠激发超细矿粉体系的凝结和硬化，并促进抗压强度的发展。此外，硫酸钠提供的钠离子可参与矿粉的解聚-再聚合过程，并生成C-N-S-A-H。当钠离子完全消耗后，水化产物转变为C-S-A-H。C-(N)-S-A-H可填充钙钒石晶体骨架的孔隙，诱导体系微观结构的致密化发展，Z终促进抗压强度的持续发展。

4  结语

（1）常温条件下，中值粒径为4.3μm的矿粉被9%的硫酸钠激发后，胶砂的28d和90d抗压强度可达到44MPa和71.8MPa。

（2）硫酸钠激发超细矿粉体系的水化放热峰集中出现在48h以内，该体系的水化产物为钙钒石和C-(N)-S-A-H。

（3）降低矿粉粒度有利于水化产物的快速积累，同时促进微观结构的致密化发展，Z终实现抗压强度的显著增强。