極寒鹽堿化條件下水泥—水玻璃材料性能研究

張 鑫

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

水泥—水玻璃材料作為一種復(fù)合材料[1]，具有強(qiáng)度高、膠凝時(shí)間可控、污染程度較小等特點(diǎn)，在工程中為縮短工期，提高工程效率，以其為代表的速凝劑得到快速發(fā)展。在發(fā)展的過(guò)程中大量學(xué)者不斷對(duì)其激發(fā)、硬化機(jī)理[2]以及力學(xué)特性等進(jìn)行研究[3]。

目前的研究多考慮一般工況，而在實(shí)際情況下，因受到環(huán)境因素的影響，往往出現(xiàn)材料強(qiáng)度下降、凝結(jié)效果不佳、材料破壞嚴(yán)重而無(wú)法使用的情況。為此，選擇不同水灰比、水玻璃模數(shù)、水泥—水玻璃體積比的材料，開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)及抗氯鹽侵蝕試驗(yàn),研究特殊環(huán)境下,材料參數(shù)變化對(duì)性能的影響，并優(yōu)選出相對(duì)合適的材料配比，為施工提供理論支持。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)材料參數(shù)的確定

1.1 試驗(yàn)原理

水泥與水玻璃的反應(yīng)主要是硅酸鈉水解產(chǎn)生的硅酸與Ca(OH)2之間的反應(yīng)，生成了難溶的水合硅酸鈣，如下式：

3Ca(OH)2+NaO×nSiO2+mH2O→Ca×nSiO2×mH2O+2NaOH

(1)

水玻璃加速了水泥的水化反應(yīng)，水合硅酸鈣與水泥固體膠結(jié)促進(jìn)了水泥—水玻璃結(jié)石體的形成。由于冬天氣溫較低，影響水泥的水化反應(yīng)及初凝進(jìn)程，所以水玻璃的加入具有縮短凝結(jié)時(shí)間、加快反應(yīng)速度等實(shí)際意義。

1.2 試驗(yàn)材料參數(shù)確定

為確定試驗(yàn)參數(shù)的合理取值，避免重復(fù)試驗(yàn)，開(kāi)展初步的探究試驗(yàn)，深入了解各參數(shù)的特性。

1.2.1 水泥

為充分考慮水泥流變特性的影響，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行水泥漿液流變性試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇宜昌華新水泥公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。由圖1，圖2試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)水灰比大于0.8時(shí)，水泥漿液粘度及屈服強(qiáng)度較小，呈負(fù)相關(guān)，屬于牛頓流體；當(dāng)水灰比大于1.3時(shí)，曲線趨于平緩，塑性粘度及屈服強(qiáng)度基本穩(wěn)定。因而選擇水灰比0.8～1.3的水泥漿液進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 水玻璃

為探究水玻璃濃度[4]對(duì)水泥—水玻璃材料的影響，選用水灰比1.0，水泥—水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃模數(shù)1.2的配比進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定水玻璃濃度在15°Be′～45°Be′之間，材料初凝時(shí)間的變化。試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度22 ℃，相對(duì)濕度20%，水玻璃產(chǎn)自廣州穗欣有限公司，SiO2含量27%，Na2O含量10%。試驗(yàn)結(jié)果如表1，圖3所示。

表1 水玻璃濃度與初凝關(guān)系記錄表

由圖3可見(jiàn)，隨著水玻璃濃度的增大，水泥—水玻璃材料的初凝時(shí)間逐漸增大，為盡量縮短初凝時(shí)間，降低溫度對(duì)水泥反應(yīng)過(guò)程的影響，選擇25°Be′作為固定水玻璃濃度。

2 試驗(yàn)方案

為深入研究水泥—水玻璃材料各參數(shù)對(duì)材料性能的影響，開(kāi)展多組不同配比的凍融循環(huán)試驗(yàn)及抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)，采用控制變量法對(duì)水灰比、水玻璃模數(shù)、水泥—水玻璃體積比三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，保證濃度、試驗(yàn)條件、養(yǎng)護(hù)方式不變。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

具體試驗(yàn)方法包括：

1)凍融循環(huán)試驗(yàn)。模擬西北冬季溫度變化，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為80次，凍融溫度變化范圍-20 ℃～10 ℃。依據(jù)GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[5]制作100 mm×100 mm×100 mm的水泥—水玻璃試件，養(yǎng)護(hù)28 d后，放入凍融箱。

2)抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)。水泥—水玻璃材料長(zhǎng)期與氯鹽接觸，氯離子通過(guò)擴(kuò)散、電遷移作用等進(jìn)入部件，高濃度的Cl-生成晶體產(chǎn)生膨脹力，使試件受到嚴(yán)重的破壞。開(kāi)展抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)，參考GB/T 749—2008水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法[6]，試件尺寸設(shè)置為100 mm×100 mm×100 mm。將上述試驗(yàn)中制作的試件在養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7 d，放置于濃度10 g/L的NaCl溶液中浸泡28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后測(cè)定抗壓強(qiáng)度。

另外，將一組水灰比1.0、水玻璃模數(shù)1.2、水泥漿液與水玻璃溶液體積比1∶1的試件先養(yǎng)護(hù)28 d，然后用10 g/L的NaCl溶液浸泡7 d，再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束測(cè)量其抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取4組均為水灰比1.0、水玻璃模數(shù)1.2、水泥—水玻璃體積比1∶1的試件，分別進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)與抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)環(huán)境對(duì)材料強(qiáng)度影響 MPa

通過(guò)表3發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)80次凍融的試件，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于未處理試件，強(qiáng)度降低約25%；經(jīng)過(guò)氯鹽侵蝕的試件抗壓強(qiáng)度降低超過(guò)50%。這說(shuō)明在惡劣的環(huán)境條件下，水泥—水玻璃材料的性能受到極大影響，且鹽類侵蝕的危害更加突出。

多組凍融循環(huán)試驗(yàn)及抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4表明，在控制水玻璃模數(shù)、體積比等參數(shù)時(shí)，材料抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。其原因主要是隨著水灰比增大，用水量增大，水化反應(yīng)后形成的孔隙也越多，影響了材料密實(shí)性，從而導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低。通過(guò)對(duì)曲線斜率的觀察得出：在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，曲線變化梯度隨著水灰比的增大而增大，表現(xiàn)為強(qiáng)度降低越嚴(yán)重。

另外，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同水灰比條件下，抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)中材料的強(qiáng)度峰值遠(yuǎn)低于凍融循環(huán)試驗(yàn)，這與表3顯示的試驗(yàn)規(guī)律一致。

綜合來(lái)看，隨著水灰比在從0.8加大到1.3的過(guò)程中，雖然適當(dāng)提高了水泥的流變性，但大大降低了水泥與水玻璃之間的反應(yīng)，增大了孔隙率，加劇了凍融破壞程度，使得材料強(qiáng)度降低。

從圖5中可以看出：在抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)中，當(dāng)體積比從1∶0.3變化到1∶1時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅從15 MPa提高到20 MPa；在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，當(dāng)體積比從1∶0.3變化到1∶1時(shí)，抗壓強(qiáng)度從22.5 MPa提高到29 MPa。這說(shuō)明體積比的增大雖然相對(duì)提高了水玻璃的

含量，但很有限，使得材料強(qiáng)度僅有小幅度的增長(zhǎng)。

從圖6得知，抗壓強(qiáng)度與水玻璃模數(shù)呈顯著正相關(guān)。同時(shí)，在水玻璃模數(shù)較低時(shí)，強(qiáng)度的變化梯度較大，曲線較陡。與圖4,圖5對(duì)比，從曲線變化率可以看出，水玻璃模數(shù)的影響大于體積比與水灰比。其主要原因是材料中SiO2的含量增加，一方面加快了水和硅酸鈣的生成，一方面其本身也具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

另外，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)的試件邊緣出現(xiàn)細(xì)小裂縫。在經(jīng)過(guò)氯鹽侵蝕后，試件表面出現(xiàn)些許剝落情況，并且在試件剝落處出現(xiàn)薄的白色晶體，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楦邼舛鹊腃l-產(chǎn)生晶體的析出，產(chǎn)生張力，對(duì)試件造成破壞。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合初步的探究試驗(yàn)，總結(jié)出水灰比不大于1，水泥—水玻璃體積比1∶1，水玻璃模數(shù)1.2～1.6的材料配比更為合理，其性能表現(xiàn)更好，材料抗壓強(qiáng)度更大。

4 結(jié)語(yǔ)

為對(duì)極寒，鹽堿化環(huán)境下水泥—水玻璃材料的性能進(jìn)行深入研究，開(kāi)展了關(guān)于水泥—水玻璃的探究性試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1)水灰比大于0.8時(shí)，水泥漿液有著較好的流變性。水玻璃濃度與水泥—水玻璃材料凝結(jié)時(shí)間成正相關(guān)。

2)通過(guò)凍融試驗(yàn)及抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)，材料強(qiáng)度明顯降低，并且氯鹽的侵蝕破壞程度要大于凍融破壞。

3)抗壓強(qiáng)度的變化與水灰比呈負(fù)相關(guān)。但與水玻璃模數(shù)、體積比呈正相關(guān)。并且在水玻璃模數(shù)較低時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)梯度較大。

4)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出在水灰比不大于1，水泥—水玻璃體積比1∶1，水玻璃模數(shù)1.2～1.6情況下，材料性能較好。