不同離子對水泥水化性能的影響

馬井雨，周宗輝

不同離子對水泥水化性能的影響

Influnces on Different Ions to Cement Hydration Properties

馬井雨1，2，周宗輝2

本文研究了不同離子對水泥水化歷程、漿體力學(xué)性能和物理性能的影響。通過測定各拌合水成型得到的水泥硬化漿體的強度，探討了水泥水化時不同摻雜離子對水泥漿體性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在拌合水中摻入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+（以硝酸鹽形式添加），水泥硬化漿體試樣的抗壓強度比普通拌合水成型試樣的抗壓強度顯著提高，且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

離子；水化；摻雜；結(jié)構(gòu)；性能

1 引言

水泥是無機非金屬材料中用量最大的建筑材料之一，己成為當(dāng)今世界第二大制品業(yè)。影響水泥用途的主要是其水化硬化漿體的性能[1]。水泥硬化漿體的性能取決于漿體的組成和結(jié)構(gòu)，而水泥的水化環(huán)境是影響其硬化漿體組成和結(jié)構(gòu)的重要因素。水泥的水化速度和水化程度受到水化環(huán)境的影響會有不同的變化[2]，并且由水化引起的水—水泥體系是變化的[3]。在一個合適的水化環(huán)境下會生成更多的C-S-H凝膠，內(nèi)部孔徑和孔隙率明顯減小，孔隙利用率提高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度增加[4]。一些國內(nèi)外專家[5-8]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥水化時摻雜一些離子可以提高水化硬化漿體的硬度及其他性能。由此可以通過研究在水泥水化時摻雜某種離子，改善水泥水化的性能。

本論文研究的重點就是在拌合水中摻雜不同離子，研究其對水泥水化歷程、漿體物理性能的影響，經(jīng)成型后養(yǎng)護不同的時間（3d、7d、28d），通過物理性能和力學(xué)性能等分析研究摻雜不同離子對水泥水化的影響。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 實驗用原材料

試驗所用水泥熟料為淄博齊銀水泥有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料；

鋼渣、超細礦渣由濟南鋼鐵集團提供；

粉煤灰為濟南黃臺電廠提供的一級粉煤灰；

藥品為分析純藥品，主要有：硝酸鋁、硝酸鋇、硝酸鈣、硝酸鐵；

水泥制備：95%的熟料和5%的石膏混合粉磨得到水泥，密度為2.99g/cm3，比表面積為413m2/kg。

2.2 實驗過程

將水泥熟料、石膏（5%）混合，進行粉磨。分別取在拌合水中摻入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+所得溶液，和水泥拌合成型，測試試樣的各種物理性能及力學(xué)性能并分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同拌合水對硬化水泥漿體物理性能的影響

據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》（GB/Tl346-2001）進行試驗。采用調(diào)整用水量法測其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，并且測定其初凝、終凝時間以及安定性。詳細結(jié)果見表1。

分析表1可知，所有試樣的初凝和終凝時間均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，安定性均為合格，由于拌合水的不同，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量略有改變。當(dāng)拌合水中摻入Al3+、Ca2+、Fe3+時，初凝和終凝時間有所變化，當(dāng)摻入的Al3+、Ca2+、Fe3+的濃度為2%時，初凝時間和終凝時間較短，這是因為當(dāng)這幾種溶液濃度為2%時，促進了水泥水化進程，使得凝結(jié)時間變短。另外，當(dāng)拌合水中摻入Ba2+時，在一定范圍內(nèi)隨著摻入的Ba2+濃度的升高，凝結(jié)時間逐漸變短。這是因為在一定范圍內(nèi)隨著摻入的Ba2+濃度的升高，水泥水化進程加快，所以凝結(jié)時間也隨之變短。

表1 拌合水中摻入不同離子對水泥物理性能的影響

表2 拌合水中摻入離子時成型試樣不同齡期抗壓強度

圖1 拌合水中摻入Al3+時抗壓強度

圖2 拌合水中摻入Ba2+時抗壓強度

3.2 不同拌合水對硬化水泥漿體力學(xué)性能的影響

準(zhǔn)備好材料后，制得不同系列的凈漿試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期測定其抗壓強度，結(jié)果見表2。

通過分析實驗結(jié)果，拌合水中摻入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+時，試樣各齡期抗壓強度與濃度的關(guān)系見圖1、圖2、圖3、圖4。

由表2可以看出：在拌合水中摻入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+時，所得試樣強度比空白樣強度要高，且當(dāng)拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+濃度為2%時，試樣強度最高，拌合水中Ba2+濃度在3%以內(nèi)時，隨著摻量的增加試樣的強度逐漸提高。

可以看出濃度在1%～3%時，摻入Al3+、Ca2+、Fe3+時，28d強度先增大后降低，在2%時最大，這是因為摻入Al3+、Ca2+、Fe3+，促進了早期鈣礬石的生長，由式（1）可知：摻入Al3+、Ca2+可以促進Aft的生成，并且消耗了C3S水化生成的Ca（OH）2，如式（2）所示，進而促進了水化的進行。而Fe3+的引入可以替代Al3+的作用，促進水化，但是如果Al3+、Ca2+、Fe3+引入過多則會起到抑制作用，抑制水泥的水化，所以當(dāng)摻量為2%達最佳。

2Al3++3SO42-+6Ca（OH）2+26H2O→

但是濃度在1%～3%時，摻入Ba2+強度有持續(xù)增大的趨勢，這是因為Ba2+的引入不但可以替代部分Ca2+的作用，促進水泥水化，而且隨著水化的進行，Ba2+固化進水泥硬化漿體里，而不是出現(xiàn)過量的現(xiàn)象，所以強度有持續(xù)增大的趨勢。

圖3 拌合水中摻入Ca2+時抗壓強度

圖4 拌合水中摻入Fe3+時抗壓強度

由表2和圖2、圖3、圖4可以看出，當(dāng)拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+濃度為2%時，試樣強度最大，這說明水化更完全，漿體更致密。這是因為當(dāng)濃度為2%時，離子濃度可以更好地促進水泥水化進程，使C3S水化更加完全，如式（1）和式（2）所示，生成更多的鈣礬石晶體，且生成大量的C-S-H凝膠，使得水泥漿體更加致密，從而使強度得到提高。當(dāng)拌合水中Ba2+濃度在3%以內(nèi)時，隨著摻入的離子濃度的增加，試樣的強度逐漸提高。這是因為在一定范圍內(nèi)隨著Ba2+濃度的增加，C3S水化完全，水泥漿體更加致密，強度隨之提高。

4 結(jié)論

本文主要研究了水泥水化時，拌合水中摻雜離子對水泥水化漿體性能和結(jié)構(gòu)的影響。通過對水化后漿體凝結(jié)時間、抗壓強度的測定，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+的濃度以硝酸鹽計為2%時，強度最高，硬化漿體試樣的28d強度與空白樣相比，分別提高12.24%、8.68%、6.36%。

（2）當(dāng)拌合水中Ba2+的濃度以硝酸鹽計在3%以內(nèi)時，硬化漿體試樣強度隨著濃度的增加而逐漸提高。

（3）拌合水中摻入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+，硬化漿體結(jié)構(gòu)更加致密。

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2013-02-27； 編輯：趙 蓮