超硫酸鹽水泥的水化產物及孔結構特性

高育欣，余保英，王 軍

（中建商品混凝土有限公司，武漢 430074）

超硫酸鹽水泥的水化產物及孔結構特性

高育欣，余保英，王 軍

（中建商品混凝土有限公司，武漢 430074）

采用抗壓強度試驗、X射線衍射分析、電鏡掃描及壓汞儀法等測試技術，測試和分析了超硫酸鹽水泥在不同齡期的強度、水化產物及孔結構，并將其與普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥對比，探討超硫酸鹽水泥的水化機理。研究結果表明，超硫酸鹽水泥早期強度較低，但后期強度發展快，28 d強度高于42.5普硅水泥；超硫酸鹽水泥的主要水化產物為水化硅酸鈣、鈣礬石及少量石膏晶體，未見普硅水泥及礦渣水泥的主要水化產物氫氧化鈣；90 d時，超硫酸鹽水泥硬化漿體的閾值孔徑、最可幾孔徑、中孔孔徑及平均孔徑均小于普硅水泥和礦渣水泥，具有更小的孔隙率和更高的密實度，有效地促進了超硫酸鹽水泥后期強度的增長。

超硫酸鹽水泥；水化機理；強度；水化產物；孔結構

超硫酸鹽水泥（SSC，super sulphated cement）是一種由75%～85%的礦渣，10%～20%硫酸鹽類（二水石膏或脫硫石膏等）及1%～5%的堿性成分（如熟料、氫氧化鈣等），共同粉磨或分別粉磨再混合而制得的水硬性膠凝材料，亦稱作礦渣硫酸鹽水泥（sulphate-activated slag cement）［1］。其生產不需要經過煅燒工序，熟料用量少，具有更低的能量消耗和更少的CO2排放量；其有效利用工業廢棄物，獲得性能優異的水泥膠凝材料，是實現水泥乃至建筑業綠色化、低碳化發展戰略中重要的一環，1920年該類水泥在法國及比利時最初獲得應用，目前正引起世界各國的廣泛關注［2］。

近幾年對于超硫酸鹽水泥的研究主要集中在工業廢渣在超硫酸鹽水泥的利用［1］、超硫酸鹽水泥的物理力學性能和超硫酸鹽水泥的發展狀況［2］、以及超硫酸鹽水泥的發展狀況等方面［3－4］。關于其水化機理的研究極少，目前僅發現 Matschei等［1］、Gruskovnjak等［3］通過XRD、等溫量熱儀等測試技術對摻不同活性礦渣制備超硫酸鹽水泥的水化機理進行了研究，關于超硫酸鹽水泥各齡期水化產物、形貌特征及孔結構特性，以及超硫酸鹽水泥與普硅水泥、礦渣水泥水化產物及孔結構差異的對比研究尚未發現。在制備綠色高性能超硫酸鹽水泥的基礎上，采用抗壓強度試驗、XRD、SEM及MIP等測試技術，測試和分析超硫酸鹽水泥在不同齡期的強度、水化產物及孔結構，并將其與普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥進行對比，探討超硫酸鹽水泥的水化機理，以嘗試為新型綠色膠凝材料的研究及推廣應用提供參考。

1 實驗材料

采用華新水泥股份有限公司生產的P·O 42.5水泥，比表面積為340 m2／kg；自制的綠色環保型超硫酸鹽水泥比較面積450 m2／kg；超硫酸鹽水泥及礦渣水泥中用礦渣粉由武漢鋼鐵股份有限公司提供，比表面積為390 m2／kg，3種水泥的化學成分如表1所示。

表1 3種水泥的化學成分%

采用0.4的水膠比制備水泥凈漿試樣；澆筑成型后，置于常溫養護箱中養護至齡期3、7、28和90 d，進行抗壓強度測試；并按規定的方法制備微觀分析試樣，比較超硫酸鹽水泥漿體水化產物及孔隙率與普硅水泥、礦渣水泥漿體試樣的差異。

2 實驗結果及分析

2.1 凈漿的力學性能

3種水泥各齡期強度發展如表2所示。表2顯示超硫酸鹽水泥凈漿的早期抗壓強度（3和7 d）明顯低于普硅水泥，與礦渣水泥強度較為接近；28 d齡期時，超硫酸鹽水泥強度發展較快，略高于普硅水泥漿體試樣；28～90 d齡期3種水泥漿體強度發展均較好，可滿足一般工程對水泥強度等級要求。引起早期強度低的主要原因是超硫酸鹽水泥體系在大量使用礦渣時需要一定的堿度，早期體系堿濃度較低，未能順利地形成較多的早期鈣礬石所致［5－7］。

表2 凈漿抗壓強度 MPa

為詳細對比3種水泥漿體強度增長率的變化，表3給出了3種水泥凈漿試件強度的發展系數計算結果。該表顯示：超硫酸鹽水泥、礦渣水泥在3 d的發展系數僅有0.53，而普硅水泥達到0. 76；超硫酸鹽水泥在7 d的發展系數為0.74，增加了將近40%，與礦渣水泥較增長率為接近，而普硅水泥為0.94，只增加了約20%，超硫酸鹽水泥漿體3～7 d強度發展與礦渣水泥十分接近，均明顯高于普硅水泥；90 d齡期時，超硫酸鹽水泥的發展系數為1.06，略高于礦渣水泥，普硅水泥為1.22。強度發展系數的對比表明：超硫酸鹽水泥早期強度發展較慢，但后期強度發展良好。為比較超硫酸鹽水泥水化產物與普硅水泥、礦渣水泥水化產物的差異，本文通過XRD和SEM對不同膠凝體系的水化產物進行分析。

表3 凈漿抗壓強度隨齡期的發展系數

2.2 水泥硬化漿體水化產物測試結果與分析

2.2.1 XRD測試結果與分析 圖1為3種水泥3、7、28及90 d水化產物的XRD分析圖譜。由XRD圖譜可以看出，超硫酸鹽水泥硬化漿體中主要有鈣礬石、石膏晶體及少量未參與反應的石膏等物質組成，并沒有觀察到普硅水泥中常見的氫氧化鈣特征衍射峰存在［8］。隨著齡期增長，鈣礬石生成量逐漸增多，峰強增大；3 d時已出現二水石膏特征峰；隨著水化反應的加速，石膏不斷被消耗，說明結晶析出的二水石膏逐步溶解并參與水化，28 d與90 d二水石膏的特征峰強逐漸減小，但90 d時仍有特征峰存在，說明仍有少量未參與反應的石膏存在。

與超硫酸鹽水泥體系不同，普硅水泥水化產物中晶體主要為氫氧化鈣，也有少量鈣礬石及碳酸鈣存在。可以看出鈣礬石隨齡期增加而不斷減少，水化7 d后已基本消失。這是因為普硅水泥體系中石膏含量很少，反應消耗時間短，而生成的鈣礬石（AFt）將會繼續與尚未水化的鋁酸三鈣能反應生成單硫型硫鋁酸鈣（AFm）所致［9－10］。

與普硅水泥體系相仿，礦渣水泥水化產物中晶體也主要為氫氧化鈣，少量鈣礬石及碳酸鈣等；隨著齡期的增長，氫氧化鈣特征峰強度逐漸變小，這可能是礦渣中的活性SiO2及Al2O3組分與氫氧化鈣發生了火山灰反應所致［11－12］。

圖1 3種水泥不同齡期的水化產物對比（3、7、28、90 d）

2.2.2 電鏡結果與分析 結合掃描電鏡測試對3種水泥90 d水化產物的微觀形貌進行分析，結果如圖2（a）～（c）所示。由圖2（a）可知，超硫酸鹽水泥體系產物中存在大量的細針狀或柱棒狀鈣礬石晶體，并與纖維狀的水化硅酸鈣凝膠彼此間交叉、連生在一起，于整個空間形成連續的網狀結構，共同構成漿體的骨架。在一些裂縫或者孔隙中可以明顯看到，不斷水化生成的細針狀的鈣礬石晶體與C－SH凝膠一起填補其中，逐漸彌補水泥石漿體結構缺陷，改善其孔結構分布，提高其力學性能［13］。鈣礬石晶體顆粒形態有的呈細針狀，有的呈柱棒狀，這與水化體系液相堿度的變化有關。液相p H值較低時，為柱棒狀晶體，晶粒相對較大，團簇生長；液相中p H值較高時，為細針狀晶體，晶粒相對較小，單個雜亂生長。此外，該超硫酸鹽水泥體系中基本沒有單硫型硫鋁酸鈣AFm存在，表明體系中鈣礬石穩定性較好，生成的水化產物數量增多，產物顆粒小，漿體結構致密［14］。

結合圖2（b）電鏡形貌特征，可以看出普硅水泥漿體中生成了大量水化硅酸鈣凝膠，將未水化顆粒粘結起來，構成體系骨架，結構較為致密。六邊形層狀薄片的Ca（OH）2晶體，垂直定向插于C－S－H凝膠中，并且小孔處由于生長空間充分，晶體個體相對較大［15］。

結合圖2（c）形貌分析可知，90 d齡期時，礦渣水泥體系存在大量的水化硅酸鈣凝膠；同時可以觀察到：片狀礦渣顆粒已被刻蝕，被周圍水化硅酸鈣凝膠包圍，以及與部分殘缺氫氧化鈣晶體緊密結合的形態特征。

圖2 3種水泥90 d水化產物形貌圖

采用XRD和SEM對水泥凈漿水化產物測定發現：不同于普硅水泥及礦渣水泥，超硫酸鹽水泥主要水化產物沒有普硅水泥中常見的氫氧化鈣特征衍射峰存在，主要水化產物為鈣礬石、水化硅酸鈣及少量石膏晶體，水化產物密實，與強度發展趨勢一致［15］。

2.3 硬化漿體孔結構測試結果與分析

水泥硬化漿體的孔徑分布是反映水泥漿體密實度的良好指標，同時，孔尺寸分布的差異也直接影響到水泥硬化漿體的強度、滲透性、干縮、徐變等性能，本文對3種水泥硬化漿體90 d齡期孔徑分布進行測試，通過孔徑微分布曲線、累計孔徑分布曲線以及特征孔徑的分布，探索孔結構分布對硬化漿體力學性能的影響。

2.3.1 孔徑微分布曲線及累計孔徑分布曲線 3種水泥硬化漿體90 d孔徑微分布曲線及累計孔徑分布曲線如圖3所示。從圖3可以看出：各試樣孔徑尺寸分布最均勻的是普硅水泥，主要分布于1～100 nm之間；由強度測試可知，普硅水泥凈漿90 d強度為60.69 MPa，而超硫酸鹽水泥和礦渣水泥強度分別僅為53.81和57.01 MPa，可見，孔的均勻性分布一定程度上有利于漿體強度的提高；超硫酸鹽水泥50 nm以下孔徑明顯高于普硅水泥及礦渣水泥，50 nm以上孔的比例明顯降低，小孔比例增大，總孔隙率也有所減小，有利于提高其基體的力學性能；相比超硫酸鹽水泥及普硅水泥，礦渣水泥大于100 nm的大孔比例明顯較高，這可能會對其力學性能帶來一些不利影響。

圖3 90 d齡期水泥漿體孔分布曲線

2.3.2 孔尺寸結果分析 根據Metha和Monteirio的研究，可將孔尺寸分布分為4個范圍：凝膠微孔（＜4.5 nm）；間隙孔（4.5～50 nm）；中等毛細管孔（50～100 nm）；粗毛細管孔（＞100 nm）。大于50 nm的毛細孔在許多文獻中都被看做宏觀孔；小于50 nm 的 毛 細 孔 常 被 看 作 微 觀 孔［9，16－17］。 按 照Metha和Monteirio的研究，將各組漿體孔結構分布情況繪于圖4。

從3種水泥90 d孔尺寸分布圖可以看出：超硫酸鹽水泥和礦渣水泥90 d凝膠孔明顯多于普硅水泥，一般水化生成的凝膠數量越多時凝膠孔的數量也將越多，水化產物彼此交錯搭接更充分，因而漿體的強度也越高。由此可推斷，凝膠孔的數量也是該兩種水泥后期強度增長率高于普硅水泥的原因之一；3種水泥中尤以超硫酸鹽水泥間隙孔最多，低于50 nm孔所占比例最大，有利于超硫酸鹽水泥后期強度的發展；3種水泥中尤以普硅水泥孔尺寸分布較為均勻。

圖4 3種水泥90 d孔尺寸分布圖

2.3.3 特征孔徑分析 閾值孔徑、最可幾孔徑、平均孔隙直徑、體積中孔直徑和面積中孔直徑是反映水泥硬化漿體孔徑分布最重要的幾個特征孔徑，通過對水泥硬化漿體孔結構的測試，將特征孔徑列表如表4、5所示。

閾值孔徑表示開始大量增加孔體積處所對應的孔徑，最可幾孔徑即出現幾率最大的孔徑。通過對孔徑的測試，將3種水泥硬化漿體的閾值孔徑、最可幾孔徑繪于表4。從表4可以看出，90 d超硫酸鹽水泥的閾值孔徑、最可幾孔徑分別為40、5.2 nm。普硅水泥試樣閾值孔徑、最可幾孔徑分別為80、6 nm，礦渣水泥的閾值孔徑、最可幾孔徑均超過了100 000 nm，并且孔直徑為10～100 000 nm的孔幾乎為零，這可能是測試壓力過大使得孔破壞產生連通現象所致。

表4 3種水泥90 d齡期閾值孔徑表 nm

中孔徑是根據表面積及壓入汞總體積估算得到，面積中孔徑為達到50%累積表面積時孔隙直徑，體積中孔徑為達到50%累積侵入汞體積時的孔隙直徑。平均孔隙直徑是根據總孔隙體積和總孔隙表面積比值得出，這里假定孔隙是圓柱體。各參數如表5所示。

表5 3種水泥漿體90 d齡期中孔直徑及平均孔直徑nm

由表5可知，各水泥漿體的體積中孔徑和平均孔徑均大于其面積中孔徑，且大致趨勢為體積中孔徑＞平均孔徑＞面積中孔徑。由3種水泥體積中孔徑、平均孔徑 、面積中孔徑的對比可以看出：相同養護條件與相同齡期下，超硫酸鹽水泥硬化漿體的體積中孔徑、平均孔徑、面積中孔徑均小于普硅水泥及礦渣水泥，這說明超硫酸鹽水泥硬化漿體整體孔隙率小、密實性好，有利于其力學性能的改善［18－19］。

綜上可知：超硫酸鹽水泥硬化漿體整體上孔隙率較小，凝膠微孔增多，孔分布趨于細化，無害孔分布明顯高于其它試樣，超硫酸鹽水泥后期強度的快速發展一定程度上取決于其硬化漿體較小的孔隙率和良好的密實性。

3 結 論

1）力學性能測試結果表明，超硫酸鹽水泥早期強度低于普硅水泥，略低于礦渣水泥，但后期強度發展較快，可以用來制備強度發展良好的綠色水泥基復合材料。

2）硬化漿體水化產物測試結果顯示，不同于普硅水泥及礦渣水泥，超硫酸鹽水泥主要水化產物沒有普硅水泥及礦渣水泥常見的氫氧化鈣特征衍射峰存在，主要水化產物為鈣礬石、水化硅酸鈣及少量石膏晶體。

3）壓汞測試結果表明，90 d齡期時，超硫酸鹽水泥硬化漿體的閾值孔徑、最可幾孔徑、中孔直徑及平均孔直徑均小于普硅水泥及礦渣水泥。超硫酸鹽水泥漿體強度的發展一定程度上取決于其硬化漿體較小的孔隙率和良好的密實性。

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（編輯 胡 玲）

Characteristics of Hydration Products and Pore Structure of Super Sulphated Cement

Gao Yuxin，Yu Baoying，Wang Jun
（China Construction Ready Mixed Concrete Co.，Ltd，Wuhan 430074，P.R.China）

The mechanical properties，hydration products，and pore structure of SSC（super sulphated cement）were tested with universal test machine，XRD（X-ray diffraction），SEM （scanning electron microscope）and MIP（mercury intrusion porosimetry），which were compared with P·O 42.5 and slag cement.Results show that the main hydration products of SSC are ettringite，C-S-H gel and little gypsum crystals，while without calcium hydroxide；SSC hardened paste has smaller threshold pore diameter，the most probable pore diameter，middle pore diameter and average pore diameter，and has lower porosity and higher density，which can effectively promote the 90-day strength increase of SSC paste.

super sulphated cement；hydration mechanism；strength；hydration products；pore structure

TU525

A

1674-4764（2014）03-0118-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.019

2013-12-26

國家十一五課題（2008BAE61B00）

高育欣（1981-），男，主要從事預拌混凝土的生產、應用與管理研究，（E-mail）gao＿h313＠sina.com。