養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)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(xué)材料與礦資學(xué)院，西安　710055)

?

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)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(xué)材料與礦資學(xué)院，西安710055)

實(shí)際修補(bǔ)工程的環(huán)境溫度變化大，而不同溫度會(huì)對(duì)膠凝體系水化反應(yīng)和水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，本文通過(guò)測(cè)試以不同比例復(fù)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(guò)測(cè)試復(fù)合體系在不同養(yǎng)溫度下的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、膨脹性和強(qiáng)度，研究不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系各項(xiàng)性能的影響規(guī)律，并采用XRD分析其變化機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增大，水化反應(yīng)加快，凝結(jié)時(shí)間縮短，強(qiáng)度發(fā)展快，但在溫度高于35℃時(shí)，復(fù)合體系水化產(chǎn)物后期發(fā)生分解，使強(qiáng)度和膨脹性能下降。

硅酸鹽水泥； 硫鋁酸鹽水泥； 鈣礬石； 養(yǎng)護(hù)溫度

1　引　言

現(xiàn)今混凝土由于各種原因而破壞，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全和建筑功能的正常使用，要對(duì)已破壞的混凝土進(jìn)行修復(fù)。硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥是以一定比例混合的復(fù)合體系,其成本較低，具有較好的使用性能，并且與原有結(jié)構(gòu)有很好的相容性，目前已經(jīng)在修補(bǔ)工程中大量使用。我國(guó)實(shí)際工程應(yīng)用中，施工環(huán)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(chǎn)物鈣礬石(AFt)很不穩(wěn)定，在溫度高于65 ℃時(shí)會(huì)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(huì)重結(jié)晶生成二次鈣礬石，對(duì)強(qiáng)度和膨脹性能產(chǎn)生影響[1]，而不同溫度對(duì)硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系水化過(guò)程和產(chǎn)物的影響規(guī)律和機(jī)理尚未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文研究不同溫度對(duì)該復(fù)合體系水化過(guò)程和性能的影響，旨在對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

2　試　驗(yàn)

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(chǎn)的P·O 42.5水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

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

表2　硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分

(3)其他試驗(yàn)原材料：標(biāo)準(zhǔn)砂由廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)。減水劑選用萘系減水劑，摻量1.5%，減水率30%。

2.2試驗(yàn)方法

水泥凈漿流動(dòng)度按GB/T8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間按GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)定，膠砂強(qiáng)度按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》測(cè)定。限制膨脹率測(cè)定按照《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定，試件的制備和養(yǎng)護(hù)與力學(xué)性能測(cè)定的試件相同。試驗(yàn)原材料、攪拌鍋和試模在試驗(yàn)前均放置于對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)溫度下48 h以上，以保證初始試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境。

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

3　結(jié)果與討論

3.1硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系配比優(yōu)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(fù)合，測(cè)試復(fù)合體系流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和膠砂強(qiáng)度，研究它們之間的變化規(guī)律最后確定復(fù)配合理比例，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　復(fù)合比例對(duì)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(fù)合體系中，隨著硫鋁酸鹽水泥所占比例增大初始流動(dòng)度變大，但流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失也隨之增大，4∶6和5∶5復(fù)合的樣品在30 min時(shí)就已經(jīng)失去了流動(dòng)性，而2∶8復(fù)合的樣品在50 min時(shí)仍具有流動(dòng)性。隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復(fù)合膠凝體系的初凝和終凝時(shí)間明顯縮短，初凝到終凝的時(shí)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(shí)會(huì)相互影響。硫鋁酸鹽水泥中無(wú)水硫鋁酸鈣礦物所占比例最大，并且其對(duì)減水劑的吸附性遠(yuǎn)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(dòng)度明顯增大。硅酸鹽水泥中C3S水化產(chǎn)生的氫氧化鈣(CH)也參與了AFt生成的反應(yīng)，此反應(yīng)可以促進(jìn)無(wú)水硫鋁酸鈣的水化，而CH的消耗同時(shí)也促進(jìn)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(fù)合體系水化反應(yīng)加快，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失變大，凝結(jié)時(shí)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(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到最大，后期強(qiáng)度基本不增長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)倒縮，而硫鋁酸鹽水泥摻量較少的兩組抗折強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，這是由于硫鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物AFt穩(wěn)定性差所致。復(fù)合體系的抗壓強(qiáng)度以5∶5試樣的強(qiáng)度發(fā)展最快，3 d抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)接近60 MPa，但后期發(fā)展較慢。

以強(qiáng)度等級(jí)為42.5的水泥為例，目前市售普通硅酸鹽水泥P·O42.5的價(jià)格為300～400元/t，而硫鋁酸鹽水泥SAC42.5的價(jià)格為600～1000元/t，雖然水泥價(jià)格因地區(qū)差異有所不同，但硫鋁酸鹽水泥的價(jià)格仍然遠(yuǎn)高于硅酸鹽水泥。綜合考慮施工性能、強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)的要求，硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥以2∶8比例復(fù)合使用效果最好，成本最低，故選用此比例研究不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝體系性能的影響。

3.2溫度對(duì)復(fù)合體系流動(dòng)性的影響

根據(jù)實(shí)際施工條件，選擇5 ℃、15 ℃、20 ℃和35 ℃不同試驗(yàn)溫度，測(cè)試復(fù)合體系的流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1　溫度對(duì)復(fù)合體系流動(dòng)性的影響Fig.1　Influence of temperature on the fluidity of compound cementitious system

圖2　溫度對(duì)復(fù)合體系凝結(jié)時(shí)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(duì)復(fù)合體系初始流動(dòng)度的影響不大，但對(duì)復(fù)合體系流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響較大，溫度越高復(fù)合體系的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失越大，35 ℃條件下漿體在20 min時(shí)就失去了流動(dòng)性，而5 ℃條件下漿體在60 min時(shí)仍具有流動(dòng)性。這是由于溫度越高，復(fù)合體系礦物水化反應(yīng)越快，溫度越低水化反應(yīng)越慢所致。

3.3溫度對(duì)復(fù)合體系凝結(jié)時(shí)間的影響

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試不同溫度下復(fù)合體系的凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果如圖2所示。可以看出，溫度越高復(fù)合體系初凝和終凝的時(shí)間越短，并且初凝到終凝之間的時(shí)間間隔越短。5 ℃時(shí)復(fù)合體系的初凝時(shí)間131 min，終凝時(shí)間為151 min，初凝和終凝之間相差20 min，而35 ℃時(shí)復(fù)合體系的初凝時(shí)間僅為35 min，終凝時(shí)間為37 min，初凝和終凝的時(shí)間間隔僅為2 min。這也是由于溫度對(duì)復(fù)合體系水化反應(yīng)的影響造成的，溫度越高水化反應(yīng)越快，晶體生長(zhǎng)速度越快[4]，水化產(chǎn)物相互交織，漿體很快硬化[5]。

圖3　養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)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(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系膨脹性能的影響

為了研究不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系膨脹性能的影響，測(cè)定了不同養(yǎng)護(hù)溫度下試樣1 d、3 d和7 d的膨脹率，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。溫度越高復(fù)合體系膨脹率越高，35 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣膨脹率達(dá)0.036%，而5 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣膨脹率只有0.02%，但35 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣后期膨脹率降低，其他溫度下的復(fù)合體系的膨脹率持續(xù)增長(zhǎng)，溫度越低增長(zhǎng)越慢。

復(fù)合體系膨脹率隨養(yǎng)護(hù)溫度上升而增高的原因是其水化反應(yīng)隨養(yǎng)護(hù)溫度上升而加快，體系產(chǎn)生的AFt增多[6]，所以復(fù)合體系的膨脹率越高，而35 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣后期膨脹率降低可能是由于AFt的分解造成的[7]，說(shuō)明在此復(fù)合體系中生成的AFt的分解溫度可能低于65 ℃。

3.5養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系強(qiáng)度的影響

研究測(cè)試了不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系抗折和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)復(fù)合體系強(qiáng)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(fù)合體系強(qiáng)度發(fā)展越快，5 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣各個(gè)齡期的強(qiáng)度均最低，15 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣早期強(qiáng)度低但后期增大幅度最大，20 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣早期強(qiáng)度僅次于35 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣并且后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，說(shuō)明此復(fù)合體系的最佳養(yǎng)護(hù)溫度是20 ℃。

35 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣1 d和3 d強(qiáng)度均最高，但后期強(qiáng)度倒縮，這可能是由以下三方面的原因造成：第一，養(yǎng)護(hù)溫度越高，水化反應(yīng)速度越快，早期強(qiáng)度發(fā)展越快，但膠凝材料快速水化形成的主要水化產(chǎn)物晶體粗大并且來(lái)不及在漿體中均勻分布，造成部分區(qū)域產(chǎn)物數(shù)量多，部分區(qū)域水化產(chǎn)物數(shù)量少[8]，水化產(chǎn)物分布不均會(huì)影響后期強(qiáng)度的發(fā)展；第二，硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物AFt不穩(wěn)定，極易分解釋放游離水而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定強(qiáng)度下降；第三，硅酸鹽礦物水化較慢，對(duì)復(fù)合體系后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大，而由于養(yǎng)護(hù)溫度高早期大量生成的水化產(chǎn)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(fù)合體系后期強(qiáng)度的發(fā)展。

3.6XRD分析

為了進(jìn)一步了解復(fù)合膠凝體系的水化產(chǎn)物，選取5 ℃、20 ℃和35 ℃ 溫度下養(yǎng)護(hù)60 min和1 d的水化樣品進(jìn)行XRD試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，復(fù)合體系主要的水化產(chǎn)物為AFt，溫度越高，AFt峰就越強(qiáng)，說(shuō)明產(chǎn)生AFt的量就越多，溫度越低無(wú)水硫鋁酸鈣峰的強(qiáng)度越大，說(shuō)明有大量的無(wú)水硫鋁酸鈣未反應(yīng)，可以證明復(fù)合體系早期水化中，溫度越低水化反應(yīng)越慢。水化1 d后AFt峰的數(shù)量明顯增多，說(shuō)明在此期間內(nèi)復(fù)合體系的水化反應(yīng)仍在進(jìn)行并且以硫鋁酸鹽水泥的水化為主。5 ℃養(yǎng)護(hù)的樣品仍有很強(qiáng)的無(wú)水硫鋁酸鈣峰，說(shuō)明在此養(yǎng)護(hù)溫度下1 d后無(wú)水硫鋁酸鈣仍在繼續(xù)水化。35 ℃和20 ℃養(yǎng)護(hù)的樣品無(wú)水硫鋁酸鈣峰消失，說(shuō)明在此溫度下無(wú)水硫鋁酸鈣已經(jīng)完全水化。35 ℃養(yǎng)護(hù)的樣品AFt峰強(qiáng)減弱說(shuō)明在此溫度下AFt已經(jīng)開(kāi)始分解[9]。

圖5　復(fù)合膠凝體系不同水化時(shí)間XRD測(cè)試結(jié)果Fig.5　XRD patterns of the compound cementitious at the different curing time

4　結(jié)　論

本文研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系性能的影響,得出以下結(jié)論：

(1)硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系中，隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復(fù)合體系的水化速度加快，凝結(jié)時(shí)間縮短，初凝和終凝時(shí)間間隔縮短，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失變大。無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸鹽礦物在水化過(guò)程中相互促進(jìn)，加速?gòu)?fù)合體系的水化，經(jīng)研究表明硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥以2∶8比例復(fù)合作為修補(bǔ)材料使用能夠獲得較好的性能和經(jīng)濟(jì)性。隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加，復(fù)合體系早期強(qiáng)度發(fā)展越快，但后期強(qiáng)度不穩(wěn)定并且抗折強(qiáng)度明顯降低，因此對(duì)于道路或抗折要求高的修復(fù)工程應(yīng)限制硫鋁酸鹽水泥的摻量;

(2)養(yǎng)護(hù)溫度越高，復(fù)合體系的水化速度越快，流動(dòng)度損失越大，凝結(jié)時(shí)間縮短，膨脹率越高，早期強(qiáng)度越高，但養(yǎng)護(hù)溫度大于35℃時(shí)復(fù)合體系后期會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮;

(3)XRD分析可知復(fù)合體系初期主要的水化產(chǎn)物是AFt，溫度越高，無(wú)水硫鋁酸鈣的水化反應(yīng)越完全，AFt生成量越大，對(duì)早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大，但當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度大于35 ℃時(shí)AFt就會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)造成強(qiáng)度及膨脹率的下降。

[1] 閻培渝,覃肖,楊文言.大體積補(bǔ)償收縮混凝土中鈣礬石的分解與二次生成[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2000,04:319-324.

[2] Laure P C,Frank W,Barbara L,et al.Influence of the calcium sulphate source on the hydration mechanism of Portland cement-calcium sulphoaluminate clinker-calcium sulphate binders[J].CementandConcreteComposite,2011,33:551-561.

[3] Wang P M,Xu L L.Hydration properties of portland cement plus calcium aluminate cement at 0-20 ℃[J].OriginalResearchArticleProcediaEngineering,2012,27:253-260.

[4] 許仲梓,周偉玲,鄧敏.硫鋁酸鹽水泥體系高溫穩(wěn)定性研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2001,02:104-108.

[5] 葉正茂,蘆令超,常鈞,等.硫鋁酸鹽水泥基防滲堵漏材料凝結(jié)時(shí)間調(diào)控機(jī)制的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2005,24(4):58-61.

[6] 劉建忠,繆昌文,劉加平,等.養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土變形性能影響的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2006,12:25-27．

[7] Nocun-Wczelik W,Konik Z,Stok A.Blended systems with calcium aluminate and calcium sulphate expansive additives[J].ConstructionandBuildingMaterials,2011,25:939-943.

[8] 王昕,劉晨,顏碧蘭,等.石膏摻量對(duì)硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥性能影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,23:5-8+44.

[9] Xu L L,Wang P M,Zhang G F.Formation of ettringite in Portland cement/calcium aluminate cement/calcium sulfate ternary system hydrates at lower temperature[J].ConstructionandBuildingMaterials,2012,31:347-352.

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(xué)校科技基金(QN1421);西安建筑科技大學(xué)校人才科技基金(RC1341);西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)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