石膏對超細硫鋁酸鹽注漿材料水化硬化影響

2020-10-31 04:11:18王菲

四川建材 2020年10期

王菲

(山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西長治 046000)

0 前言

在硫鋁酸鹽水泥體系中，石膏摻量不僅影響水化產物的形成過程和種類，還在水泥水化早期起到一定的加速作用，影響其水化速率[2-3]。張鳴等[4]研究發現不同水化齡期和水化條件會形成不同形態的鈣礬石；石膏不足和反應未達到平衡時生成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)，能夠與溶液中的氫氧化鈣發生二次反應，形成鈣礬石。Glasser F P等[5]研究發現硫鋁酸鹽水泥的水化產物取決于石膏的摻量，其中最主要的水化產物是鈣礬石和AFm，同時還發現有鋁相。Wang等[6]研究了0.3水灰比系列的水化特性，結果表明15%～20%的石膏摻量在1天水化齡期主要生成鈣礬石，石膏摻量大于25%時，水化產物滯后生成，同時試塊發生膨脹。要秉文等[7]研究發現，石膏摻量存在一個最佳值：石膏不足時生成的鈣釩石會轉化成AFm；石膏摻量過大，會影響水泥水化，從而影響強度；只有適宜的石膏摻量，才能促進水泥水化，形成較密實的結構，進而提高強度。

本文以最大粒徑小于15 μm的超細硫鋁酸鹽水泥熟料為研究對象，在1.5的水灰比條件下，測定了不同石膏摻量下CSA水泥的凝結時間和抗壓強度，并采用拉曼光譜技術，研究了石膏摻量對超細硫鋁酸鹽水泥的物理性能和水化硬化規律的影響。

1 實驗

1.1 原材料

硫鋁酸鹽水泥(CSA)熟料取自焦作華巖水泥廠，其化學成分和礦物成分見表 1～2。石膏由焦作華巖水泥廠提供，由拉曼光譜測試確定為硬石膏，其化學成分見表 3，經計算CaSO4的相對含量為85.19%。所用原材料經超細粉氣流磨進行分級后,CSA水泥熟料和石膏的比表面積分別為897.11、540.24 m2/kg。

表1 硫鋁水泥熟料的化學成分 w%

表2 硫鋁水泥熟料的礦物組成 w%

表3 硬石膏的化學組成 w%

1.2 試樣制備

在超細硫鋁酸鹽水泥熟料中分別摻入0、10%、20%、30%、35%、40%和50%的硬石膏，制得硫鋁酸鹽水泥，分別編號為UG00、UG010、UG020、UG030、UG035、UG040 和UG050。以水灰比1.5加水調成水泥凈漿，成型20 mm×20 mm×20 mm的試塊，室溫預養24 h脫模，再放入標準養護室(100%RH、20℃)中養護至規定齡期，制得水泥水化物。

1.3 測試方法

1)凝結時間測試：按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GBT 1346-2011)進行測試。

2)力學性能測試：采用型號為WDW-20電子式試驗機進行測試，試件尺寸20 mm×20 mm×20 mm，水灰比為1.5。

3)拉曼測試：采用英國Renishaw公司生產的inVia激光顯微拉曼光譜儀。測試中使用514 nm的激光束，曝光時間60 s，掃描范圍為100～4 000 cm-1，掃描3次。

2 結果分析與討論

2.1 水泥的物理性能分析

試驗對不同石膏摻量下的CSA水泥進行了凝結時間測試和抗壓強度測試，結果如表4所示。

由表4結果知，石膏摻量的變化對初凝和終凝時間的影響很大：隨著石膏摻量的增加，初凝和終凝時間先迅速縮短，而后變化不大。與未摻石膏的初終凝時間進行對比，10%的石膏摻量下縮短了58%；20%的石膏摻量下縮短了74%；石膏摻量在30%～40%時，凝結時間縮短率基本維持在75%～80%；石膏摻量為50%時，凝結時間略微增大，縮短率為73%。

表4 水泥的凝結時間和抗壓強度

對比抗壓強度，發現CSA水泥各齡期抗壓強度隨石膏摻量的增加先減小后增大：當石膏摻量為35%時，強度達到最高值，這與理論計算值37.35%比較接近；繼續增加石膏摻量，強度反而下降。同時，從表中結果可以看出，超細硫鋁酸鹽水泥1d抗壓強度就能達到28d強度的60%，展現出了良好的早強特性。分析CSA水泥早期抗壓強度較高的原因，主要有以下兩個方面：一是水泥體系中含有具有早強型特性的礦物，硫鋁酸鈣；二是熟料中的氧化鋇，能夠固溶在C2S中，加大晶面間距，從而激發C2S的活性[8]。

2.2 水化產物分析

因此，由拉曼光譜分析知，石膏摻量的增加會加快CSA水泥水化進程，同一齡期下鈣釩石生成量增多；純水泥熟料的水化產物以AFm為主，摻入石膏后，鈣釩石的生成量大大增加，35%以下的石膏摻量在水化前期有AFm生成，且隨著石膏摻量的增加，AFm特征峰消失提前；石膏摻量為35%時，鈣釩石能夠持續穩定生成；35%以上的石膏摻量，石膏有剩余。