納米鋰鋁類水滑石對硫鋁酸鹽水泥水化硬化影響研究*

王可，李雨晴，張珍杰，張英華，鄒定華

（河南理工大學材料科學與工程學院 河南 焦作 454000）

0 引言

硫鋁酸鹽水泥具有早期強度高、堿度低、抗凍性強、抗侵蝕性好、抗滲性良好等優良特性[1-2]。因此被廣泛的應用于道路搶修、冬季施工等特殊情況，可用來生產自應力產品、混凝土預制件、水泥制品等。但在低溫和大水灰比情況下，其強度增長較慢，早期強度低，滿足不了快硬早強的要求。近年來，各種納米材料如納米SiO2[3]、納米TiO2[4]、納米 Fe2O3[5]、 納米 CaCO3[6]、納 米 Al2O3[7]、碳納米管和納米粘土[8]已被廣泛應用于硅酸鹽水泥或混凝土中，以提高水泥或混凝土的機械、物理、耐久性和其他一些新特性[9]。因此，利用納米材料提高硫鋁酸鹽水泥早期強度是目前的一個研究方向。李海艷[10]等制備了鋰鋁類水滑石（LiAl-layered double hydroxides，LiAl-LDHs），并研究了其在高水灰比下對硫鋁酸鹽水泥水化和強度的影響，發現漿體早期強度可提高1倍。但其在較低水灰比下或較低溫度下能否提高硫鋁酸鹽水泥漿體早期強度并不明確。針對這一問題，制備了不同LiAl-LDHs摻量的硫鋁酸鹽水泥漿體并分別在10°C、20°C、30°C下養護，測定了試件的抗壓強度、擴展度、凝結時間、水化熱、XRD，以揭示其對不同溫度下低水灰比硫鋁酸鹽水泥水化硬化的影響。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料及配比

（1）硫鋁酸鹽水泥：河南建文特材科技公司生產的42.5快硬型硫鋁酸鹽水泥，化學組成見表1。

（2）水：實驗室自來水。

（3）減水劑：萘系減水劑。

（4） LiAl-LDHs：自制 LiAl-LDHs[10]。

（5）水泥凈漿水灰比為0.3，LiAl-LDHs摻量分別為0%、0.05%、0.2%、0.6%。

1.2 試驗方法

（1）水泥凝結時間按國家標準《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》（GB/T 1346-2011）進行。

（2）水泥流動性測試按照國家標準《混凝土外加劑勻質性試驗方法》（GB/T 8077-2012）進行。

（3）水化熱測定采用美國TA公司的TAM air8型通道等溫微量熱儀進行測量。稱量一定質量的原料倒入容器中，攪拌均勻后置于通道內，測試開始后加水攪拌3min，約50h后終止測試。

（4）水泥硬化體XRD測試采用日本津島Shimadzu公司的XRD-6000 X-射線粉末衍射儀。將所留樣品從無水乙醇中取出，在CH3COOK飽和溶液所營造的濕度條件下進行濕法干燥（24h），取出樣品并用研磨機磨成粉末，稱量0.1mg以上用于測試XRD，測試范圍為5~80°、速度為15°/min。

（5）抗壓強度試樣中每個齡期每個摻量測試40mm×40mm×40mm的立方體試件3個，測試過程按國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 11671-1999）進行。

2 結果與討論

2.1 凝結時間

由圖1可知，在不同溫度下，LiAl-LDHs的摻入使CSA的初凝時間和終凝時間皆明顯縮短，圖1摻LiAl-LDHs CSA在不同溫度下凝結時間且隨著LiAl-LDHs摻量的增加效果更為明顯。10℃時，摻量為0.2%、0.6%條件下，初凝時間由313min縮短至230和104min，終凝時間由450min縮短至 409和 244min；20℃時，初凝時間由143min縮短至110和77min，終凝時間由390min縮短至298和195min；30℃時，摻量為0.2%、0.6%條件下，初凝時間由90min縮短至51和27min，終凝時間由148min縮短至106和76min。說明LiAl-LDHs可使水泥漿體提前硬化。

2.2 流動性

由圖2可知，在20℃條件下，CSA漿體流動性隨LiAl-LDHs摻量的增加而明顯變差。摻量0.05%、0.2%、0.6%時，CSA漿體流動性由27.25cm縮短至24.8cm、24.3cm、24.1cm，且流動性隨著摻量的增加縮短趨勢變緩慢，這是由于LiAl-LDHs顆粒的粒徑很小，因此具有較大的表面能和比表面積，潤濕其表面需要部分水分，從而導致水泥漿體流動性變差[11-12]。

2.3 水化熱

圖3為摻0、0.2、0.6 LiAl-LDHs水泥漿體水化放熱曲線和累計放熱量，由圖3（a）可知，隨著LiAl-LDHs摻量增加，CSA水化的第一個放熱峰出現的時間前移，這是因為LiAl-LDHs可為產物AFt的生長提供結晶成核位點[13~14]，進而促進AFt晶體析出，進而促進水化，第二放熱峰出現的時間也隨著LiAl-LDHs摻量的增加向前移，兩個峰的強度比空白組要高，但并不簡單地隨摻量增加而升高。由圖2-3（b）可知，摻LiAl-LDHs的兩組水化放熱量要大于空白樣，說明LiAl-LDHs可促進CSA前期水化。2.4XRD

圖1 摻LiAI-LDHsCSA在不同溫度下凝結時間

圖2 20℃條件下流動性

圖3 20℃摻LiAl-LDHs水化放熱速率和放熱量

圖4 不同溫度下摻LiAl-LDHs XRD圖譜

由圖4可知，觀察到鈣礬石的峰在9.08°，15.76°和22.90°位置處，CSA水泥水化主要產物為鈣礬石（AFt），且產物類型不隨LiAl-LDHs摻量和溫度的改變而改變。由圖4（a）可知，在10℃條件下，1d和28d中，LiAl-LDHs均可提高AFt結晶化成度，而由圖4（a，b）可知，LiAl-LDHs對AFt結晶化成雖有提高，但是效果并不明顯。這可能是由于較高溫度下，水化反應較快導致AFt結晶度較差。在10℃、20℃、30℃條件下，隨著反應物的消耗，無水硫鋁酸鈣結晶化成度皆略有下降。由圖4可知，反應產物中無單硫型硫鋁酸鈣，這是由于本身含量較低或含量充足而阻礙AFm向AFt轉變所致，鈣礬石結晶化成度從側面可以反映出CSA水化程度[15]。綜上可知，LiAl-LDHs在低溫條件下促進CSA水化效果更為明顯。

2.5 抗壓強度及增長率

由圖 5（a，d）可知，在 10℃條件下，LiAl-LDHs對CSA硬化體1d抗壓強度具有明顯的增強效果，且隨著摻量的增加效果愈加明顯，摻量0.05%、

圖5 不同溫度下摻LiAl-LDHs抗壓強度和抗壓強度增長率

0.2%、0.6%的LiAl-LDHs分別使CSA硬化體抗壓強度增強16.09%、69.78%、98.37%，但3d、7d和28d抗壓強度增長率較小或出現倒縮現象。由由圖5（b，c，e和f）可知，在20℃和30℃條件下，1d抗壓強度比10℃增加，這說明溫度升高，水泥的水化反應速率增加，但是增長率并不是簡單地隨LiAl-LDHs摻量增加而增加，這可能是由于溫度升高，使LiAl-LDHs超聲分散不均勻導致，3d、7d和28d抗壓強度均呈現略有增加或倒縮現象。綜上可知，在10℃條件下，LiAl-LDHs對水泥硬化體早期抗壓強度的增強效果最為明顯，這與XRD結果相照應。

3 結語

綜上所述：

（1）LiAl-LDHs可顯著縮短CSA水泥凝結時間。

（2）LiAl-LDHs使CSA漿體流動性減小，工作性變差，且與其摻量成正相關。

（3）在低溫下LiAl-LDHs對水泥硬化體早期抗壓強度具有明顯增強效果，且與摻量成正相關，對后期抗壓強度增強效果較小或抗壓強度略有倒縮。在高溫條件下對早期強度略有增強，但并不簡單的成正相關。