養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硫鋁酸鹽水泥性能的影響

王培芳 朱航宇 沈 燕

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000)

引言

目前，傳統(tǒng)硅酸鹽水泥是建筑領(lǐng)域中用量最大的建筑材料之一，但是由于該水泥的燒成溫度較高(1450℃左右)，而且水泥熟料中阿利特礦物含量一般為60%左右，并且該礦物中氧化鈣含量高達(dá)73.7%，因此該水泥存在煅燒溫度高和溫室氣體排放量高的缺點(diǎn)[1-2]。不同于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥是將石灰石、礬土和石膏在1250～1350℃下煅燒成水泥熟料，然后摻入適量石膏共同粉磨而成的水泥[3-4]。因此，相比普通硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥在節(jié)能和減排方面有很大的優(yōu)勢(shì)[5-8]。同時(shí)，硫鋁酸鹽水泥憑借其具有高早強(qiáng)、耐腐蝕性、低堿性、抗凍性、抗?jié)B性等優(yōu)異性能已經(jīng)普遍運(yùn)用于搶修搶建工程、冬季工程、防滲工程、海洋工程等[9-12]。

硫鋁酸鹽水泥中的無水硫鋁酸鈣礦物會(huì)在早期快速發(fā)生水化反應(yīng)生成鈣礬石(AFt)，在前24h的水化過程中釋放大量的水化熱[13-14]。同時(shí)，在實(shí)際工程中，由于不同地區(qū)、季節(jié)的環(huán)境溫度相差較大，尤其在夏季，部分地區(qū)的環(huán)境溫度可高達(dá)40℃左右，然而在高溫條件下AFt易發(fā)生分解形成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)[3]，以上情況將會(huì)導(dǎo)致水泥試件內(nèi)外溫差大，產(chǎn)生水化熱裂縫，從而對(duì)水泥的性能和應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。廖宜順[15]研究發(fā)現(xiàn)升高養(yǎng)護(hù)溫度可以稍微提高水泥的3d抗壓強(qiáng)度，并且養(yǎng)護(hù)溫度的提高會(huì)逐漸增加水化前3d水泥體系中AFt的生成量，但50℃時(shí)AFt含量卻有所降低。王中平[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由20℃升高至40℃時(shí)，硫鋁酸鹽水泥熟料的1d、3d和28d抗壓強(qiáng)度均明顯降低。本文主要圍繞不同養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)濕度，對(duì)硫鋁酸鹽水泥的水化和硬化做了研究，這對(duì)在高溫環(huán)境下施工的工程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、實(shí)驗(yàn)

(一)原材料

水泥選用唐山六九水泥廠生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥，表1和圖1分別為該水泥的化學(xué)組成和XRD圖譜。由圖1可知，該水泥的主要礦物為硫鋁酸鈣、貝利特、硬石膏和碳酸鈣。砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

表1 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement

圖1 硫鋁酸鹽水泥的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of sulphoaluminate cement

(二)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)將成型的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)1d后，將其放在20℃和50℃的恒溫水浴箱中分別采用泡水養(yǎng)護(hù)、干燥養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的方式養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，水泥砂漿的膠砂比均為1:3，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采取0.5的水灰比。水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法(ISO法)》進(jìn)行測(cè)試。水泥砂漿的膨脹和收縮性能參照J(rèn)C/T313—82(1996)《膨脹水泥膨脹率檢測(cè)方法》和JC/T603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》檢測(cè)。通過多晶X射線衍射儀的掃描圖譜分析各養(yǎng)護(hù)條件下水化產(chǎn)物的物相，采用掃描電子顯微鏡觀察水化產(chǎn)物的微觀形貌。

二、結(jié)果與討論

(一)強(qiáng)度

圖2反映了不同養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度。由圖2(a)、(b)和(c)可知，在泡水養(yǎng)護(hù)條件下，升高養(yǎng)護(hù)溫度可以顯著提高硫鋁酸鹽水泥的3d、7d、28d強(qiáng)度；在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，硫鋁酸鹽水泥的3d、7d強(qiáng)度隨著溫度的升高有明顯的增強(qiáng)，水泥在50℃養(yǎng)護(hù)時(shí)的28d強(qiáng)度較20℃養(yǎng)護(hù)時(shí)有稍微的增強(qiáng)；在覆膜養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由20℃升高至50℃時(shí)，硫鋁酸鹽水泥的1d、3d抗壓強(qiáng)度明顯提高，但是在3d之后，硫鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，并且水泥的28d強(qiáng)度明顯低于20℃溫度下的水泥強(qiáng)度。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)溫度的升高加快了水泥的早期水化速率，水化產(chǎn)物快速生成并堆積成更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)，從而大大地提高了水泥的早期強(qiáng)度[15]，但是由于水化產(chǎn)物包裹在水泥礦物表面使得水進(jìn)程變得緩慢，阻礙后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。對(duì)比圖2(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，20℃溫度下采取泡水養(yǎng)護(hù)的硫鋁酸鹽水泥的7d和28d強(qiáng)度均略高于干燥養(yǎng)護(hù)的水泥強(qiáng)度，50℃溫度下采取泡水養(yǎng)護(hù)的硫鋁酸鹽水泥的3d、7d和28d強(qiáng)度均略高于干燥養(yǎng)護(hù)的水泥強(qiáng)度。分別對(duì)比圖2(a)和(c)、圖2(b)和(c)發(fā)現(xiàn)，采取泡水養(yǎng)護(hù)的水泥強(qiáng)度明顯高于覆膜養(yǎng)護(hù)的水泥強(qiáng)度，20℃時(shí)，干燥養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的水泥強(qiáng)度趨于一致，50℃，干燥養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的水泥3d、7d強(qiáng)度相近，但是干燥養(yǎng)護(hù)的水泥28d高度明顯高于覆膜養(yǎng)護(hù)的水泥28d強(qiáng)度。這表明養(yǎng)護(hù)濕度的提高可以促進(jìn)水泥水化的充分進(jìn)行。

(a)泡水養(yǎng)護(hù)

(b)干燥養(yǎng)護(hù)

(c)覆膜養(yǎng)護(hù)圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of sulphoaluminate cement under different curing conditions

(二)膨脹干縮率

圖3為養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硫鋁酸鹽水泥的膨脹和干縮的影響效果。觀察圖3(a)可得，在泡水養(yǎng)護(hù)條件下，硫鋁酸鹽水泥砂漿會(huì)發(fā)生微小的膨脹，并且水泥砂漿各齡期的膨脹隨溫度的升高而增加。同時(shí)，水泥砂漿的早期膨脹率將會(huì)大幅度的提高，隨后增長(zhǎng)速率趨于緩慢。這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥在高養(yǎng)護(hù)溫度下會(huì)快速進(jìn)入加速期，AFt的大量形成使得水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹破壞，之后由于水化產(chǎn)物的大量堆積減弱了水泥的水化進(jìn)程[15]。由圖3(b)、(c)可知，在干燥養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)條件下，水泥砂漿均發(fā)生了一定程度的收縮，并且養(yǎng)護(hù)溫度的提高都會(huì)顯著提高水泥砂漿的收縮，20℃時(shí)，覆膜養(yǎng)護(hù)和干燥養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿收縮率幾乎一致，而50℃溫度下的覆膜養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿收縮率比干燥養(yǎng)護(hù)的水泥高。這是因?yàn)榕c干燥養(yǎng)護(hù)條件相比，覆膜養(yǎng)護(hù)條件下的水泥試塊的早期水化熱很難釋放出來，導(dǎo)致水泥漿體內(nèi)的自由水蒸發(fā)速率加快[18]。通過對(duì)三幅圖的分析發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)溫度的提高和濕度的降低都會(huì)對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿的膨脹和收縮產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

(a)泡水養(yǎng)護(hù)

(b)干燥養(yǎng)護(hù)

(c)覆膜養(yǎng)護(hù)圖3 不同養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥的自由膨脹率Fig.3 Free expansion rate of sulphoaluminate cement under different curing conditions

(三)水化產(chǎn)物

實(shí)驗(yàn)研究了不同養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥的水化過程，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，改變養(yǎng)護(hù)條件并不會(huì)使硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物種類發(fā)生變化，水化產(chǎn)物主要還是AFt，硫鋁酸鈣和硬石膏的衍射峰強(qiáng)度隨著水化齡期的延長(zhǎng)逐漸減弱，說明硫鋁酸鹽水泥在發(fā)生水化。對(duì)比圖4(a)和(b)、圖4(c)和(d)發(fā)現(xiàn)，相同養(yǎng)護(hù)溫度下，泡水養(yǎng)護(hù)的水泥各齡期的AFt衍射峰強(qiáng)度略高于干燥養(yǎng)護(hù)條件。分析圖4(a)和(c)、圖4(b)和(d)可得，隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，3d、28d齡期的水泥試樣中AFt的衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)。以上分析分析與前面的水泥強(qiáng)度結(jié)果較為一致。

(a)20℃泡水養(yǎng)護(hù)

(b)20℃干燥養(yǎng)護(hù)

(c)50℃泡水養(yǎng)護(hù)

(d)50℃干燥養(yǎng)護(hù)圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of sulphoaluminate cement under different curing conditions

三、結(jié)論

(1)養(yǎng)護(hù)溫度的升高可以顯著提高硫鋁酸鹽水泥的3d、7d和28d強(qiáng)度，但是在覆膜養(yǎng)護(hù)的條件下，溫度的升高會(huì)使水泥3d齡期之后的強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮；養(yǎng)護(hù)濕度的升高對(duì)水泥強(qiáng)度有著積極的作用。

(2)泡水養(yǎng)護(hù)時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度的提高會(huì)明顯加大硫鋁酸鹽水泥的膨脹率；在干燥和覆膜養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥試件將出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，并且收縮程度隨著溫度的提高而加大。

(3)養(yǎng)護(hù)條件的改變并不會(huì)使硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物有所變化，掩護(hù)溫度和濕度的提高均會(huì)加快水泥的水化速率。