養護條件對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

王培芳 朱航宇 沈 燕

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

引言

目前，傳統硅酸鹽水泥是建筑領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[1-2]。不同于傳統硅酸鹽水泥，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，硫鋁酸鹽水泥在節能和減排方面有很大的優勢[5-8]。同時，硫鋁酸鹽水泥憑借其具有高早強、耐腐蝕性、低堿性、抗凍性、抗滲性等優異性能已經普遍運用于搶修搶建工程、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在早期快速發生水化反應生成鈣礬石(AFt)，在前24h的水化過程中釋放大量的水化熱[13-14]。同時，在實際工程中，由于不同地區、季節的環境溫度相差較大，尤其在夏季，部分地區的環境溫度可高達40℃左右，然而在高溫條件下AFt易發生分解形成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)[3]，以上情況將會導致水泥試件內外溫差大，產生水化熱裂縫，從而對水泥的性能和應用產生負面影響。廖宜順[15]研究發現升高養護溫度可以稍微提高水泥的3d抗壓強度，并且養護溫度的提高會逐漸增加水化前3d水泥體系中AFt的生成量，但50℃時AFt含量卻有所降低。王中平[16]發現當養護溫度由20℃升高至40℃時，硫鋁酸鹽水泥熟料的1d、3d和28d抗壓強度均明顯降低。本文主要圍繞不同養護溫度和養護濕度，對硫鋁酸鹽水泥的水化和硬化做了研究，這對在高溫環境下施工的工程有著重要的現實意義。

一、實驗

(一)原材料

水泥選用唐山六九水泥廠生產的硫鋁酸鹽水泥，表1和圖1分別為該水泥的化學組成和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標準砂。

表1 硫鋁酸鹽水泥的化學組成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)實驗方法

實驗將成型的試件在標準養護室養護1d后，將其放在20℃和50℃的恒溫水浴箱中分別采用泡水養護、干燥養護和覆膜養護的方式養護至相應齡期，水泥砂漿的膠砂比均為1:3，實驗統一采取0.5的水灰比。水泥砂漿的抗壓強度依據GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》進行測試。水泥砂漿的膨脹和收縮性能參照JC/T313—82(1996)《膨脹水泥膨脹率檢測方法》和JC/T603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》檢測。通過多晶X射線衍射儀的掃描圖譜分析各養護條件下水化產物的物相，采用掃描電子顯微鏡觀察水化產物的微觀形貌。

二、結果與討論

(一)強度

圖2反映了不同養護條件下硫鋁酸鹽水泥的抗壓強度。由圖2(a)、(b)和(c)可知，在泡水養護條件下，升高養護溫度可以顯著提高硫鋁酸鹽水泥的3d、7d、28d強度；在干燥養護條件下，硫鋁酸鹽水泥的3d、7d強度隨著溫度的升高有明顯的增強，水泥在50℃養護時的28d強度較20℃養護時有稍微的增強；在覆膜養護條件下，當養護溫度由20℃升高至50℃時，硫鋁酸鹽水泥的1d、3d抗壓強度明顯提高，但是在3d之后，硫鋁酸鹽水泥的強度隨著齡期的延長呈現逐漸下降的趨勢，并且水泥的28d強度明顯低于20℃溫度下的水泥強度。這是因為養護溫度的升高加快了水泥的早期水化速率，水化產物快速生成并堆積成更加密實的結構，從而大大地提高了水泥的早期強度[15]，但是由于水化產物包裹在水泥礦物表面使得水進程變得緩慢，阻礙后期強度的增長。對比圖2(a)和(b)發現，20℃溫度下采取泡水養護的硫鋁酸鹽水泥的7d和28d強度均略高于干燥養護的水泥強度，50℃溫度下采取泡水養護的硫鋁酸鹽水泥的3d、7d和28d強度均略高于干燥養護的水泥強度。分別對比圖2(a)和(c)、圖2(b)和(c)發現，采取泡水養護的水泥強度明顯高于覆膜養護的水泥強度，20℃時，干燥養護和覆膜養護的水泥強度趨于一致，50℃，干燥養護和覆膜養護的水泥3d、7d強度相近，但是干燥養護的水泥28d高度明顯高于覆膜養護的水泥28d強度。這表明養護濕度的提高可以促進水泥水化的充分進行。

(a)泡水養護

(b)干燥養護

(c)覆膜養護圖2 不同養護條件下硫鋁酸鹽水泥的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of sulphoaluminate cement under different curing conditions

(二)膨脹干縮率

圖3為養護條件對硫鋁酸鹽水泥的膨脹和干縮的影響效果。觀察圖3(a)可得，在泡水養護條件下，硫鋁酸鹽水泥砂漿會發生微小的膨脹，并且水泥砂漿各齡期的膨脹隨溫度的升高而增加。同時，水泥砂漿的早期膨脹率將會大幅度的提高，隨后增長速率趨于緩慢。這是因為硫鋁酸鹽水泥在高養護溫度下會快速進入加速期，AFt的大量形成使得水泥內部結構發生膨脹破壞，之后由于水化產物的大量堆積減弱了水泥的水化進程[15]。由圖3(b)、(c)可知，在干燥養護和覆膜養護條件下，水泥砂漿均發生了一定程度的收縮，并且養護溫度的提高都會顯著提高水泥砂漿的收縮，20℃時，覆膜養護和干燥養護的水泥砂漿收縮率幾乎一致，而50℃溫度下的覆膜養護的水泥砂漿收縮率比干燥養護的水泥高。這是因為與干燥養護條件相比，覆膜養護條件下的水泥試塊的早期水化熱很難釋放出來，導致水泥漿體內的自由水蒸發速率加快[18]。通過對三幅圖的分析發現，養護溫度的提高和濕度的降低都會對硫鋁酸鹽水泥砂漿的膨脹和收縮產生一定的負面影響。

(a)泡水養護

(b)干燥養護

(c)覆膜養護圖3 不同養護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)水化產物

實驗研究了不同養護條件下硫鋁酸鹽水泥的水化過程，結果見圖4。從圖4可以看出，改變養護條件并不會使硫鋁酸鹽水泥的水化產物種類發生變化，水化產物主要還是AFt，硫鋁酸鈣和硬石膏的衍射峰強度隨著水化齡期的延長逐漸減弱，說明硫鋁酸鹽水泥在發生水化。對比圖4(a)和(b)、圖4(c)和(d)發現，相同養護溫度下，泡水養護的水泥各齡期的AFt衍射峰強度略高于干燥養護條件。分析圖4(a)和(c)、圖4(b)和(d)可得，隨著養護溫度升高，3d、28d齡期的水泥試樣中AFt的衍射峰強度有所增強。以上分析分析與前面的水泥強度結果較為一致。

(a)20℃泡水養護

(b)20℃干燥養護

(c)50℃泡水養護

(d)50℃干燥養護圖4 不同養護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、結論

(1)養護溫度的升高可以顯著提高硫鋁酸鹽水泥的3d、7d和28d強度，但是在覆膜養護的條件下，溫度的升高會使水泥3d齡期之后的強度出現倒縮；養護濕度的升高對水泥強度有著積極的作用。

(2)泡水養護時，養護溫度的提高會明顯加大硫鋁酸鹽水泥的膨脹率；在干燥和覆膜養護時，水泥試件將出現收縮的現象，并且收縮程度隨著溫度的提高而加大。

(3)養護條件的改變并不會使硫鋁酸鹽水泥的水化產物有所變化，掩護溫度和濕度的提高均會加快水泥的水化速率。