養護溫度對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥體系性能的影響

史　琛，劉　磊

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安　710055)

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養護溫度對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥體系性能的影響

史琛，劉磊

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安710055)

實際修補工程的環境溫度變化大，而不同溫度會對膠凝體系水化反應和水化產物的穩定性產生影響，本文通過測試以不同比例復合的硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥體系性能，選擇合適配比，再通過測試復合體系在不同養溫度下的流動度、凝結時間、膨脹性和強度，研究不同養護溫度對復合體系各項性能的影響規律，并采用XRD分析其變化機理。試驗結果表明：隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增大，水化反應加快，凝結時間縮短，強度發展快，但在溫度高于35℃時，復合體系水化產物后期發生分解，使強度和膨脹性能下降。

硅酸鹽水泥； 硫鋁酸鹽水泥； 鈣礬石； 養護溫度

1　引　言

現今混凝土由于各種原因而破壞，為了保證建筑結構的安全和建筑功能的正常使用，要對已破壞的混凝土進行修復。硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥是以一定比例混合的復合體系,其成本較低，具有較好的使用性能，并且與原有結構有很好的相容性，目前已經在修補工程中大量使用。我國實際工程應用中，施工環境溫度變化大，硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥體系的水化受溫度影響大，并且硫鋁酸鹽水泥的主要水化產物鈣礬石(AFt)很不穩定，在溫度高于65 ℃時會分解成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)，分解后在適宜的溫濕度條件下又會重結晶生成二次鈣礬石，對強度和膨脹性能產生影響[1]，而不同溫度對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系水化過程和產物的影響規律和機理尚未見有文獻報道。因此，本文研究不同溫度對該復合體系水化過程和性能的影響，旨在對工程實際應用提供指導依據。

2　試　驗

2.1原材料

(1)硅酸鹽水泥：采用西安雁塔水泥股份有限公司生產的P·O 42.5水泥，其化學成分如表1所示。

表1　硅酸鹽水泥的化學成分

(2)硫鋁酸鹽水泥：采用河南中泰水泥有限公司生產的強度等級為42.5的低堿度硫鋁酸鹽水泥，其化學成分如表2所示。

表2　硫鋁酸鹽水泥的化學成分

(3)其他試驗原材料：標準砂由廈門艾思歐標準砂有限公司生產。減水劑選用萘系減水劑，摻量1.5%，減水率30%。

2.2試驗方法

水泥凈漿流動度按GB/T8077-2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》標準規定測試，水泥標準稠度用水量和凝結時間按GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測定，膠砂強度按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測定。限制膨脹率測定按照《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)標準中規定的試驗方法測定，試件的制備和養護與力學性能測定的試件相同。試驗原材料、攪拌鍋和試模在試驗前均放置于對應養護溫度下48 h以上，以保證初始試驗的測試環境。

XRD分析樣品制備：將需要檢測的配方制成水灰比0.29的凈漿，并與膠砂試件放在相同養護條件下分別養護60 min和1 d后，用無水乙醇終止水化。

3　結果與討論

3.1硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系配比優化

將硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥(S∶P)分別以2∶8、3∶7、4∶6和5∶5的比例復合，測試復合體系流動度、凝結時間和膠砂強度，研究它們之間的變化規律最后確定復配合理比例，試驗結果如表3所示。

表3　復合比例對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥膠凝體系性能的影響

在硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合體系中，隨著硫鋁酸鹽水泥所占比例增大初始流動度變大，但流動度經時損失也隨之增大，4∶6和5∶5復合的樣品在30 min時就已經失去了流動性，而2∶8復合的樣品在50 min時仍具有流動性。隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復合膠凝體系的初凝和終凝時間明顯縮短，初凝到終凝的時間間隔縮短。硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的礦物組成不同，以不同的比例混合后兩種水泥的礦物水化時會相互影響。硫鋁酸鹽水泥中無水硫鋁酸鈣礦物所占比例最大，并且其對減水劑的吸附性遠大于其他礦物，因此隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增大，漿體初始流動度明顯增大。硅酸鹽水泥中C3S水化產生的氫氧化鈣(CH)也參與了AFt生成的反應，此反應可以促進無水硫鋁酸鈣的水化，而CH的消耗同時也促進了硅酸鹽水泥的水化[2,3]，因此隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增加，復合體系水化反應加快，流動度經時損失變大，凝結時間縮短。硫鋁酸鹽水泥摻量較大的4∶6和5∶5試樣，其1 d齡期的抗折強度就已經達到最大，后期強度基本不增長，甚至出現倒縮，而硫鋁酸鹽水泥摻量較少的兩組抗折強度持續增長，這是由于硫鋁酸鹽水泥水化產物AFt穩定性差所致。復合體系的抗壓強度以5∶5試樣的強度發展最快，3 d抗壓強度就已經接近60 MPa，但后期發展較慢。

以強度等級為42.5的水泥為例，目前市售普通硅酸鹽水泥P·O42.5的價格為300～400元/t，而硫鋁酸鹽水泥SAC42.5的價格為600～1000元/t，雖然水泥價格因地區差異有所不同，但硫鋁酸鹽水泥的價格仍然遠高于硅酸鹽水泥。綜合考慮施工性能、強度和經濟的要求，硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥以2∶8比例復合使用效果最好，成本最低，故選用此比例研究不同養護溫度對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合膠凝體系性能的影響。

3.2溫度對復合體系流動性的影響

根據實際施工條件，選擇5 ℃、15 ℃、20 ℃和35 ℃不同試驗溫度，測試復合體系的流動度及其經時損失，試驗結果如圖1所示。

圖1　溫度對復合體系流動性的影響Fig.1　Influence of temperature on the fluidity of compound cementitious system

圖2　溫度對復合體系凝結時間的影響Fig.2　Influence of temperature on the setting time of compound cementitious system

由圖1可以看出，溫度對復合體系初始流動度的影響不大，但對復合體系流動度經時損失的影響較大，溫度越高復合體系的流動度經時損失越大，35 ℃條件下漿體在20 min時就失去了流動性，而5 ℃條件下漿體在60 min時仍具有流動性。這是由于溫度越高，復合體系礦物水化反應越快，溫度越低水化反應越慢所致。

3.3溫度對復合體系凝結時間的影響

通過試驗測試不同溫度下復合體系的凝結時間，結果如圖2所示。可以看出，溫度越高復合體系初凝和終凝的時間越短，并且初凝到終凝之間的時間間隔越短。5 ℃時復合體系的初凝時間131 min，終凝時間為151 min，初凝和終凝之間相差20 min，而35 ℃時復合體系的初凝時間僅為35 min，終凝時間為37 min，初凝和終凝的時間間隔僅為2 min。這也是由于溫度對復合體系水化反應的影響造成的，溫度越高水化反應越快，晶體生長速度越快[4]，水化產物相互交織，漿體很快硬化[5]。

圖3　養護溫度對復合體系限制膨脹率的影響Fig.3　Effect of curing temperature on the restrained expansion of compound cementitious system

3.4養護溫度對復合體系膨脹性能的影響

為了研究不同養護溫度對復合體系膨脹性能的影響，測定了不同養護溫度下試樣1 d、3 d和7 d的膨脹率，測試結果如圖3所示。溫度越高復合體系膨脹率越高，35 ℃養護的試樣膨脹率達0.036%，而5 ℃養護的試樣膨脹率只有0.02%，但35 ℃養護的試樣后期膨脹率降低，其他溫度下的復合體系的膨脹率持續增長，溫度越低增長越慢。

復合體系膨脹率隨養護溫度上升而增高的原因是其水化反應隨養護溫度上升而加快，體系產生的AFt增多[6]，所以復合體系的膨脹率越高，而35 ℃養護的試樣后期膨脹率降低可能是由于AFt的分解造成的[7]，說明在此復合體系中生成的AFt的分解溫度可能低于65 ℃。

3.5養護溫度對復合體系強度的影響

研究測試了不同養護溫度對復合體系抗折和抗壓強度的影響，結果如圖4所示。

圖4　養護溫度對復合體系強度的影響Fig.4　Influence of curing temperature on the strength of compound cementitious system

由圖4可以看出，溫度越高復合體系強度發展越快，5 ℃養護的試樣各個齡期的強度均最低，15 ℃養護的試樣早期強度低但后期增大幅度最大，20 ℃養護的試樣早期強度僅次于35 ℃養護的試樣并且后期強度發展穩定，說明此復合體系的最佳養護溫度是20 ℃。

35 ℃養護的試樣1 d和3 d強度均最高，但后期強度倒縮，這可能是由以下三方面的原因造成：第一，養護溫度越高，水化反應速度越快，早期強度發展越快，但膠凝材料快速水化形成的主要水化產物晶體粗大并且來不及在漿體中均勻分布，造成部分區域產物數量多，部分區域水化產物數量少[8]，水化產物分布不均會影響后期強度的發展；第二，硫鋁酸鹽水泥的水化產物AFt不穩定，極易分解釋放游離水而造成結構不穩定強度下降；第三，硅酸鹽礦物水化較慢，對復合體系后期強度的貢獻大，而由于養護溫度高早期大量生成的水化產物包裹硅酸鹽水泥未水化的顆粒，制約了硅酸鹽水泥礦物后期的水化，從而影響復合體系后期強度的發展。

3.6XRD分析

為了進一步了解復合膠凝體系的水化產物，選取5 ℃、20 ℃和35 ℃ 溫度下養護60 min和1 d的水化樣品進行XRD試驗，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，復合體系主要的水化產物為AFt，溫度越高，AFt峰就越強，說明產生AFt的量就越多，溫度越低無水硫鋁酸鈣峰的強度越大，說明有大量的無水硫鋁酸鈣未反應，可以證明復合體系早期水化中，溫度越低水化反應越慢。水化1 d后AFt峰的數量明顯增多，說明在此期間內復合體系的水化反應仍在進行并且以硫鋁酸鹽水泥的水化為主。5 ℃養護的樣品仍有很強的無水硫鋁酸鈣峰，說明在此養護溫度下1 d后無水硫鋁酸鈣仍在繼續水化。35 ℃和20 ℃養護的樣品無水硫鋁酸鈣峰消失，說明在此溫度下無水硫鋁酸鈣已經完全水化。35 ℃養護的樣品AFt峰強減弱說明在此溫度下AFt已經開始分解[9]。

圖5　復合膠凝體系不同水化時間XRD測試結果Fig.5　XRD patterns of the compound cementitious at the different curing time

4　結　論

本文研究了不同養護溫度對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系性能的影響,得出以下結論：

(1)硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系中，隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復合體系的水化速度加快，凝結時間縮短，初凝和終凝時間間隔縮短，流動度經時損失變大。無水硫鋁酸鈣和硅酸鹽礦物在水化過程中相互促進，加速復合體系的水化，經研究表明硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥以2∶8比例復合作為修補材料使用能夠獲得較好的性能和經濟性。隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復合體系早期強度發展越快，但后期強度不穩定并且抗折強度明顯降低，因此對于道路或抗折要求高的修復工程應限制硫鋁酸鹽水泥的摻量;

(2)養護溫度越高，復合體系的水化速度越快，流動度損失越大，凝結時間縮短，膨脹率越高，早期強度越高，但養護溫度大于35℃時復合體系后期會出現強度倒縮;

(3)XRD分析可知復合體系初期主要的水化產物是AFt，溫度越高，無水硫鋁酸鈣的水化反應越完全，AFt生成量越大，對早期強度的貢獻越大，但當養護溫度大于35 ℃時AFt就會發生分解反應造成強度及膨脹率的下降。

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Effect of Curing Temperature on the Performances of Portland Cement-Sulphoaluminate Cement Compound Cementitious System

SHIChen，LIULei

(School of Materials and Minerals,Xi’an University of Architecture Science and Technology,Xi’an 710055,China)

The actual repair projects have large changes in ambient temperature, the temperature would influence the hydration of cementitious system. In this paper, the performances of different ratio composite system were tested and then choose the proper proportion. The performance of composite system in different curing temperature were studied by testing the fluidity, setting time, expansion rate and strength. The results show that with the increase of sulphoaluminate cement, the hydration reaction faster, setting time shorter, strength development faster, but at temperature higher than 35 ℃, the hydration products of the composite system can decompose which affecting the strength and the expansion rate.

portland cement;sulphoaluminate cement;ettringite;curing temperature

西安建筑科技大學校科技基金(QN1421);西安建筑科技大學校人才科技基金(RC1341);西安建筑科技大學材料與礦資學院青年博士基金.

史琛(1985-)，女，博士，講師.主要從事建筑材料方面的研究.

TU398.9

A

1001-1625(2016)06-1720-05