極寒鹽堿化條件下水泥—水玻璃材料性能研究

張 鑫

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443000)

水泥—水玻璃材料作為一種復合材料[1]，具有強度高、膠凝時間可控、污染程度較小等特點，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展。在發展的過程中大量學者不斷對其激發、硬化機理[2]以及力學特性等進行研究[3]。

目前的研究多考慮一般工況，而在實際情況下，因受到環境因素的影響，往往出現材料強度下降、凝結效果不佳、材料破壞嚴重而無法使用的情況。為此，選擇不同水灰比、水玻璃模數、水泥—水玻璃體積比的材料，開展凍融循環試驗及抗氯鹽侵蝕試驗,研究特殊環境下,材料參數變化對性能的影響，并優選出相對合適的材料配比，為施工提供理論支持。

1 試驗原理及試驗材料參數的確定

1.1 試驗原理

水泥與水玻璃的反應主要是硅酸鈉水解產生的硅酸與Ca(OH)2之間的反應，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，水合硅酸鈣與水泥固體膠結促進了水泥—水玻璃結石體的形成。由于冬天氣溫較低，影響水泥的水化反應及初凝進程，所以水玻璃的加入具有縮短凝結時間、加快反應速度等實際意義。

1.2 試驗材料參數確定

為確定試驗參數的合理取值，避免重復試驗，開展初步的探究試驗，深入了解各參數的特性。

1.2.1 水泥

為充分考慮水泥流變特性的影響，利用旋轉粘度計進行水泥漿液流變性試驗，試驗選擇宜昌華新水泥公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。由圖1，圖2試驗結果可知：當水灰比大于0.8時，水泥漿液粘度及屈服強度較小，呈負相關，屬于牛頓流體；當水灰比大于1.3時，曲線趨于平緩，塑性粘度及屈服強度基本穩定。因而選擇水灰比0.8～1.3的水泥漿液進行試驗。

1.2.2 水玻璃

為探究水玻璃濃度[4]對水泥—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1.2的配比進行試驗，測定水玻璃濃度在15°Be′～45°Be′之間，材料初凝時間的變化。試驗時室內溫度22 ℃，相對濕度20%，水玻璃產自廣州穗欣有限公司，SiO2含量27%，Na2O含量10%。試驗結果如表1，圖3所示。

表1 水玻璃濃度與初凝關系記錄表

由圖3可見，隨著水玻璃濃度的增大，水泥—水玻璃材料的初凝時間逐漸增大，為盡量縮短初凝時間，降低溫度對水泥反應過程的影響，選擇25°Be′作為固定水玻璃濃度。

2 試驗方案

為深入研究水泥—水玻璃材料各參數對材料性能的影響，開展多組不同配比的凍融循環試驗及抗氯鹽侵蝕試驗，采用控制變量法對水灰比、水玻璃模數、水泥—水玻璃體積比三個參數進行分析，保證濃度、試驗條件、養護方式不變。試驗設計如表2所示。

表2 試驗設計表

具體試驗方法包括：

1)凍融循環試驗。模擬西北冬季溫度變化，設置凍融循環次數為80次，凍融溫度變化范圍-20 ℃～10 ℃。依據GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[5]制作100 mm×100 mm×100 mm的水泥—水玻璃試件，養護28 d后，放入凍融箱。

2)抗氯鹽侵蝕試驗。水泥—水玻璃材料長期與氯鹽接觸，氯離子通過擴散、電遷移作用等進入部件，高濃度的Cl-生成晶體產生膨脹力，使試件受到嚴重的破壞。開展抗氯鹽侵蝕試驗，參考GB/T 749—2008水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法[6]，試件尺寸設置為100 mm×100 mm×100 mm。將上述試驗中制作的試件在養護箱養護7 d，放置于濃度10 g/L的NaCl溶液中浸泡28 d，養護結束后測定抗壓強度。

另外，將一組水灰比1.0、水玻璃模數1.2、水泥漿液與水玻璃溶液體積比1∶1的試件先養護28 d，然后用10 g/L的NaCl溶液浸泡7 d，再進行凍融循環試驗，試驗結束測量其抗壓強度。

3 試驗結果分析

選取4組均為水灰比1.0、水玻璃模數1.2、水泥—水玻璃體積比1∶1的試件，分別進行凍融循環試驗與抗氯鹽侵蝕試驗，試驗設置及結果如表3所示。

表3 試驗環境對材料強度影響 MPa

通過表3發現，經過80次凍融的試件，其強度遠低于未處理試件，強度降低約25%；經過氯鹽侵蝕的試件抗壓強度降低超過50%。這說明在惡劣的環境條件下，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。

多組凍融循環試驗及抗氯鹽侵蝕試驗結果如圖4～圖6所示。

圖4表明，在控制水玻璃模數、體積比等參數時，材料抗壓強度與水灰比關系呈負相關。其原因主要是隨著水灰比增大，用水量增大，水化反應后形成的孔隙也越多，影響了材料密實性，從而導致試件強度降低。通過對曲線斜率的觀察得出：在凍融循環試驗中，曲線變化梯度隨著水灰比的增大而增大，表現為強度降低越嚴重。

另外，對比發現，在相同水灰比條件下，抗氯鹽侵蝕試驗中材料的強度峰值遠低于凍融循環試驗，這與表3顯示的試驗規律一致。

綜合來看，隨著水灰比在從0.8加大到1.3的過程中，雖然適當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，增大了孔隙率，加劇了凍融破壞程度，使得材料強度降低。

從圖5中可以看出：在抗氯鹽侵蝕試驗中，當體積比從1∶0.3變化到1∶1時，抗壓強度僅從15 MPa提高到20 MPa；在凍融循環試驗中，當體積比從1∶0.3變化到1∶1時，抗壓強度從22.5 MPa提高到29 MPa。這說明體積比的增大雖然相對提高了水玻璃的

含量，但很有限，使得材料強度僅有小幅度的增長。

從圖6得知，抗壓強度與水玻璃模數呈顯著正相關。同時，在水玻璃模數較低時，強度的變化梯度較大，曲線較陡。與圖4,圖5對比，從曲線變化率可以看出，水玻璃模數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的強度。

另外，在試驗中發現，經凍融循環試驗的試件邊緣出現細小裂縫。在經過氯鹽侵蝕后，試件表面出現些許剝落情況，并且在試件剝落處出現薄的白色晶體，出現這種現象主要是因為高濃度的Cl-產生晶體的析出，產生張力，對試件造成破壞。

通過對比試驗數據，并結合初步的探究試驗，總結出水灰比不大于1，水泥—水玻璃體積比1∶1，水玻璃模數1.2～1.6的材料配比更為合理，其性能表現更好，材料抗壓強度更大。

4 結語

為對極寒，鹽堿化環境下水泥—水玻璃材料的性能進行深入研究，開展了關于水泥—水玻璃的探究性試驗、凍融循環試驗、抗氯鹽侵蝕試驗。主要結論如下：

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

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

3)抗壓強度的變化與水灰比呈負相關。但與水玻璃模數、體積比呈正相關。并且在水玻璃模數較低時，強度增長梯度較大。

4)通過對比試驗數據，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1.2～1.6情況下，材料性能較好。