外加剂对硫铝酸盐水泥基材料水化的影响研究
发表时间：2020-10-19T02:48:56.163Z 来源：《防护工程》2020年16期 作者： 金 鑫 李 宁 刘 霄 李菲菲 陈 喜 郭忠良 庄花洲 张方义 宋 欣[导读] 硫酸铝水泥是一种低能耗、高性能、环保型水泥。环境科学水泥砂浆1 d水解后抗压强度可达33.2mpa，约为3D抗压强度的76%。它还具有良好的凝胶强度、低碱度、微膨胀、低粘度等特点，但收缩性硫酸铝水泥存在水热浓缩、失水快、凝结时间不可控、不规则等缺陷。
山东汇富建设集团建筑工业有限公司 山东济南 250300
摘要：研究了Na2SO4和Li2CO3对硫铝酸盐水泥-粉煤灰复合胶凝材料凝结时间、电阻率、水化产物和抗压强度的影响。结果表明，Na2SO4和Li2CO3能促进复合胶凝材料的凝结硬化，加速复合体系在一维龄期内的水化过程，降低水泥石一维龄期的电阻率，其中Li2CO3的水化促进作用更为明显。添加Na2SO4和Li2CO3时，复合体系的主要水化产物为钙矾石，水化产物中未发现Ca（OH）2晶体。Na2SO4的加入提高了复合体系的一维抗压强度，但3d后抗压强度略有下降，Li2CO3的加入提高了复合体系28d内的抗压强度。 关键词：硫铝酸盐水泥；高钙粉煤灰；碳酸锂；硫酸钠
硫酸铝水泥是一种低能耗、高性能、环保型水泥。环境科学水泥砂浆1 d水解后抗压强度可达33.2mpa，约为3D抗压强度的76%。它还具有良好的凝胶强度、低碱度、微膨胀、低粘度等特点，但收缩性硫酸铝水泥存在水热浓缩、失水快、凝结时间不可控、不规则等缺陷。它的一些缺点了其广泛应用，阻碍了项目的技术要求。 一、试验
1.原材料和性能。硫铝酸盐水泥(CSA):42.5级高质量快硬硫铝酸盐水泥。粉煤灰:高钙粉煤灰。表1所示原料的化学成分，图1是硫铝酸盐水泥的XRD衍射图。凝胶复合材料是由硫铝水泥和粉煤灰的混合体,与质量比为4.1%、Na2SO4 Li2CO3多者为分析纯试剂,与各自的水平,0,0,025 0.25%、0.5%和2.5%,总质量的复合凝胶。水/胶比(质量比)设置为0.6。
2.试验方法。凝结时间按GB/T 1346-2011确定，但不能翻转试模测定终凝时间。最后按GB/t-17671-1999测定水泥试块的抗压强度。水泥试块抗压强度为40mm×40mm×40。（20±1）℃在24小时相对湿度90%以上储存后脱模。脱模温度为（20±1）℃。水泥强度用无阻CCR-3测定。水化到1、28 d用无水乙醇终止水化研磨，然后在45℃干燥，进行放射性测试。 二、结果与讨论
1.凝结时间。图2显示了不同外加剂对硫酸铝水泥粉复合胶凝材料凝结时间的影响。
如图2所示，Na2SO4和Li2CO3有助于硫酸铝基水泥粉体复合材料的凝结，其中li2o3的作用更大。可见，Na2SO4与Li2CO3的粘结不仅缩短了水泥的水化诱导期，而且加速了水泥的水化和二氧化碳的液化，Na2SO4的含量分别为0.5%和2.5%。水泥的凝结时间变化不大，这可能是因为铝酸三钙在水泥遇水后立即开始水合。水与Na2SO4部分反应生成促进水解还原水解工艺水泥的铝钙水化产物，考虑到水泥中铝酸钙含量有限，凝结时间在一定程度上缩短，选择0.05%Na2SO4进行试验。Li2CO3含量不小于0.25%，水泥浆初凝和终凝时间小于20分钟，考虑到施工中必须控制水泥浆的凝结，后续试验故选用Li2CO3的0.025%。
2.电阻率。不同外加剂对硫铝酸盐水泥-粉煤灰复合胶凝材料电阻率的影响。结果表明，Na2SO4和Li2CO3的加入，可使电阻率曲线各特征峰出现的时间提前，加速复合体系一维水化过程，其中Li2CO3对水化的促进作用更为明显，这与凝结时间的变化规律相一致；同时，复合材料的电阻率也随时间的变化而增大一维年龄的系统更小。原因是掺合料与水混合后，Na2SO4和Li2CO3迅速溶解，使液相离子浓度增加。由于水胶比相同，不同外加剂水泥浆体的初始孔隙率相同，水泥浆体电阻率与液相离子浓度和孔隙率成反比，因此掺外加剂水泥浆体的初始电阻率比掺0.025%的Li2CO3，Na2SO4含量越大（0.5%），初始电阻率越小。研究发现，高钙粉煤灰中的游离氧化钙大部分在混合水泥浆体失塑后发生水化，高钙粉煤灰含量越高，水化产生的Ca（OH）2越多；硫酸钠易溶于水，并且在水泥水化过程中会与Ca（OH）2反应，见式（1）。
Na2SO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH（1）
水化反应消耗氢氧化钙，生成两种水石膏。与水泥熟料中的硬石膏相比，两种水石膏参与水化反应更快，加速水泥凝结硬化，促进钙矾石和氢氧化铝凝胶的形成。因此，虽然Na2SO4能促进水化反应过程，降低硬度，但电阻率曲线的特征峰提前出现。1d时，溶液中仍含有较多未反应的Na+和SO42-，电阻率是孔隙率和液体离子浓度的综合反映。因此，掺Na2SO4的水泥浆体电阻率较低。加入Li2CO3后，与Ca（OH）2反应生成LiOH。Al3+晶体的形核作用，有利于Al3+晶体的形成，并有利于Al3+晶体的形成。钙矾石主要受Al-O八面体控制，成核速度最慢，使体系的水化速率显著提高。结果表明，掺量0.5%时，水泥石的早期水化放热率和水化放热率显著提高，水化环境温度迅速升高，电阻率特征点的超前性更为明显。此时钙矾石晶体较粗，孔隙率大，溶液中Li+和CO32-含量少，速率小。
3.水化产物。不同外加剂对硫铝酸盐水泥-粉煤灰复合胶凝材料水化产物的影响。在复合体系中加入Na2SO4和Li2CO3时，水化产物主要为钙矾石，水化产物中未发现Ca（OH）2晶体；C2S的衍射峰在28d范围内变化不大，无水硫铝酸钙的衍射峰在水化28d后消失。加入Na2SO4后，钙矾石在3和28天的衍射峰强度低于空白样品，表明Na2SO4能加速复合体系在1 d内的水合反应，但减缓3，d龄后水化反应阻碍钙矾石的形成，这主要是由于高钙粉煤灰中氧化钙含量有限，C2S水化反应缓慢，体系中Ca（OH）2含量较少。结果表明，Ca（OH）2不能与Na2SO4反应生成二水石膏，导致后期水化缓慢。加入Li 2CO3后，钙矾石在3和28天的衍射峰强度接近空白样品，表明复合体系的水合反应不仅可以在一天内加速，而且有利于三天后水合反应的连续发展。由于Li2CO3对水泥水化的促进作用明显，其用量不宜过大。如果过大，水化速度很快，不利于水化产物的分
散。水泥熟料表面会形成一层保护层，阻碍水化过程。由于本试验中碳酸锂用量较少，水化产物生长较好，粉煤灰颗粒对水化产物有分散作用，有利于水泥熟料28天内的连续水化。
4.抗压强度。不同外加剂对硫铝酸盐水泥-粉煤灰复合胶凝材料抗压强度的影响。Na2SO4的加入增加了复合体系1天的抗压强度，3天龄期后抗压强度略有降低。Li2CO3的加入可以在28天内提高复合体系的抗压强度。将分析原因,硫酸钠在水中的溶解、和系统Ca(OH)2代,硬石膏硬石膏和无水硫铝酸钙反应迅速,以促进钙矾石的水化产物和氢氧化铝凝胶的生产,有利于1 d抗压强度的增长,但是在这个系统Ca(OH)2的来源有限,内容少,所以后1 d的年龄,Na2SO4对水化反应的促进作用不明显，也不利于后期强度的快速增长。Li2CO3的加入加快了钙矾石的形成速率，从而加快了体系的水化速率，有利于1d龄期内的水化反应。[13]研究表明，Li2CO3掺量过大，会延迟水泥浆体后期的水化过程。而适量的Li2CO3不仅可以提高水泥石硬化的早期强度，而且对后期强度的发展没有不良影响。从XRD试验可以看出，在本试验含量下，Li2CO3对水泥的水化和水化产物的生成没有不利影响，从而实现了28天内抗压强度的持续提高。
在上述条件下，Na2SO4和Li2CO3有助于硫酸铝基水泥-灰复合材料的凝结硬化，降低复合体系的1 d龄期抗力，这是因为Li2CO3对水化的影响较大。复合体系的主要氢氧化物产物是钙矾石，Ca（OH）2晶体这在水化产物中没有发现。
但3 d龄期后，复合材料的抗压强度略有下降。Li2CO3的加入可以在28 d龄期内提高复合材料的抗压强度。 参考文献：
[1]王慕．混凝土外加剂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响【M】．北京：北京工业大学出版社，2018．
[2]杨荣俊，等．钢纤维快硬硫铝酸盐水泥混凝土性能研究及在桥梁伸缩缝改造工程中的应用[J]．混凝土，2018(11)：54—56．
