高性能硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的制備及性能研究*

魏 婧

(榆林學(xué)院 建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前，水泥混凝土已成為世界上用量最大、最廣泛的建筑材料[1-2]。水泥混凝土的品質(zhì)直接影響到了工程的使用壽命和安全性能。水泥按照組成可以分為硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和低熟料水泥等[3-5]。硅酸鹽水泥主要是指以硅酸鈣為主的硅酸鹽水泥熟料、5%以下的石灰石或粒化高爐礦渣以及適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。硅酸鹽水泥因其具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度高、抗凍性好、抗碳化性能好和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程[6-8]。但硅酸鹽水泥也存在著一些缺點(diǎn)，如水化熱大、耐腐蝕性差，不宜用于經(jīng)常與流動(dòng)淡水或硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)接觸的工程和大體積混凝土工程，這些問題也大大限制了硅酸鹽水泥的應(yīng)用[9-12]。硫鋁酸鹽水泥主要是以硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物組成的新型水泥，是當(dāng)今世界上最主要的建筑用膠材料[13-14]。硫鋁酸鹽水泥具有高抗凍性能、良好的耐腐蝕性能、高抗?jié)B性能和高早強(qiáng)性能等優(yōu)點(diǎn)，這使得硫鋁酸鹽水泥可以廣泛應(yīng)用于搶修搶建工程、預(yù)制構(gòu)件、玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(GRC)制品、低溫施工工程、抗海水腐蝕工程等[15-17]。隨著研究者們對(duì)水泥化學(xué)理論研究的逐漸深入和檢測(cè)手段的進(jìn)步，人們開始著手于對(duì)兩種及兩種以上水泥進(jìn)行復(fù)合，旨在將兩種水泥的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，從而制備出具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)合膠凝體系[18-19]。丁向群等[20]制備了硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系，分析發(fā)現(xiàn)，隨著硅酸鹽水泥摻量的增大，硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度先減小再增大。王洪鎮(zhèn)等[21]研究了不同普通硅酸鹽水泥摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥基復(fù)合膠凝體系的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和水泥砂漿強(qiáng)度等的影響，結(jié)果表明普通硅酸鹽水泥摻量<50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，普通硅酸鹽水泥-低堿度硫鋁酸鹽水泥混合體系的凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加而減小，強(qiáng)度則隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加先減小后增大，當(dāng)摻量為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥砂漿的強(qiáng)度達(dá)到了最大值。本文制備了硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系，通過調(diào)整兩種水泥的配比，探究硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的力學(xué)性能和微觀形貌。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

硫鋁酸鹽水泥：初凝時(shí)間30～50 min，終凝時(shí)間40～90 min，臨沂市綠森化工有限公司，化學(xué)組成如表1所示；硅酸鹽水泥：初凝時(shí)間>45 min，終凝<390 min,臨沂市綠森化工有限公司，化學(xué)組成如表1所示；粉煤灰：南京熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，徑粒在10～10.5μm；脫硫石膏：臨沂市綠森化工有限公司。

表1 硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成

1.2 樣品制備

水泥砂漿的成型按照《水泥膠砂強(qiáng)度》( GB/T17671 1991 )的要求進(jìn)行操作。按照實(shí)驗(yàn)配合比稱取硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、石膏，實(shí)驗(yàn)用自來水和外加劑制備樣品，待試樣制備成型后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h 后，拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù) 1，3和28 d，然后對(duì)樣品的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。制備的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的配比如表2所示。

表2 硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的配比

1.3 測(cè)試和表征

采用Bruker, DX2700B型X射線衍射儀(XRD)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析；使用日立FE-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；采用德國耐馳公司449F3型熱失重分析儀對(duì)不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系進(jìn)行測(cè)試分析，選擇氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，儀器循環(huán)水溫控制為25 ℃，升溫速率設(shè)定10 ℃/min，溫度范圍選定為25～1 100 ℃；水泥砂漿力學(xué)性能測(cè)試按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》( GB/T17671 1999)的要求進(jìn)行操作，抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)的加壓速度為2.4 kN/s 。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的XRD分析

圖1為不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系3和28 d的XRD圖譜。從圖1可以看出，硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系中主要檢測(cè)到Ca(OH)2、Mulite、鈣礬石(AFT)、水硫鋁鈣石(Kuzelite)、單硫型硫鋁酸鈣(AFm)和Ca3SiO5等產(chǎn)物相，在2θ=17.91和34°處出現(xiàn)的明顯的衍射峰為Ca(OH)2的衍射峰，在2θ=26.17°處出現(xiàn)的是Mulite的衍射峰。當(dāng)硫鋁酸鹽的摻量為0時(shí)，體系中Ca(OH)2的衍射峰最高，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，體系水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的峰均有降低趨勢(shì)，說明Ca(OH)2的含量逐漸減少。對(duì)比圖1(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，Ca(OH)2的含量均較少，分析其原因可能是因?yàn)榱蜾X酸鹽摻量的增加，硅酸鹽水泥的量逐漸減少，使得溶液中的鈣離子含量降低，從而產(chǎn)生的Ca(OH)2逐漸減少。

圖1 不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系3和28 d的XRD圖譜

2.2 硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的SEM分析

圖2為不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系28 d的SEM圖。從圖2(a)～(d)可以看出，不同硫鋁酸鹽摻量的復(fù)合膠凝體系的結(jié)構(gòu)致密性相差不大，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，大量針狀的鈣礬石(AFT)的含量明顯增加，塊狀的Ca3SiO5含量減少，這與XRD分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。鈣礬石(AFT)含量的增加，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系整體結(jié)構(gòu)在早期的硬化時(shí)間縮短，在早期會(huì)大大提升體系的強(qiáng)度；而鈣礬石(AFT)的含量繼續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)漿體膨脹，產(chǎn)生較多的微裂紋。可知硫鋁酸鹽的引入會(huì)對(duì)硅酸鹽水泥有水化抑制作用，使Ca離子的含量降低，加速了水化產(chǎn)物的生成[22]。

圖2 不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的SEM圖

2.3 硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的TG-DTG分析

圖3為不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的TG-DTG分析。

從圖3(a)可以看出，復(fù)合膠凝體系在40～400 ℃溫度范圍內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的失重現(xiàn)象，這是由毛細(xì)水蒸發(fā)導(dǎo)致的。從圖3(b)可以看出，復(fù)合膠凝體系在400～550℃出現(xiàn)的吸熱峰為Ca(OH)2分解對(duì)應(yīng)的吸熱峰，在 550～750 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)的吸熱峰為CaCO3分解對(duì)應(yīng)的吸熱峰。由圖3可知，4種硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的失重曲線規(guī)律較為相似，且摻雜硫鋁酸鹽水泥的復(fù)合膠凝體系的失重率均明顯高于不摻雜的試樣，當(dāng)硫鋁酸鹽摻量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系的失重最嚴(yán)重。這是因?yàn)镃a(OH)2的存在可以維持水泥內(nèi)部的堿度，而隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，水泥體系的堿度降低，Ca離子的飽和度也降低，進(jìn)而使復(fù)合膠凝體系的失重現(xiàn)象加劇。

圖3 不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的TG-DTG分析

2.4 硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的力學(xué)性能分析

圖4為不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系在1,3和28 d的抗壓強(qiáng)度。從圖4和表3可以看出，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，復(fù)合膠凝體系在1,3和28 d的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)硫鋁酸鹽的摻量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系在28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值49.3 MPa，相比在1 d時(shí)36.5 MPa，增加了35.1%；此外，當(dāng)硫鋁酸鹽摻量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系的抗壓強(qiáng)度在前期的上升速率為23.56%，遠(yuǎn)大于后期的9.31%。這是因?yàn)殡S著硫鋁酸鹽摻量的增加，AFT的含量明顯增加，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)在早期的硬化時(shí)間縮短，對(duì)早期體系的強(qiáng)度有顯著的提高；而繼續(xù)增加硫鋁酸鹽，會(huì)產(chǎn)生較多的微裂紋，從而使強(qiáng)度的提升減慢。

圖4 不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系在1,3和28 d的抗壓強(qiáng)度

表3 不同硫鋁酸鹽摻量的硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系的抗壓強(qiáng)度值

3 結(jié)論

(1)XRD分析表明，硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合膠凝體系中主要檢測(cè)到Ca(OH)2、Mulite、鈣礬石(AFT)、水硫鋁鈣石(Kuzelite)、單硫型硫鋁酸鈣(AFm)和Ca3SiO5等產(chǎn)物相，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，體系水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的峰均有降低趨勢(shì)，Ca(OH)2的含量逐漸減少。

(2)通過SEM分析發(fā)現(xiàn)，不同硫鋁酸鹽摻量的復(fù)合膠凝體系的結(jié)構(gòu)致密性相差不大，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，大量針狀的鈣礬石(AFT)的含量明顯增加，塊狀的Ca3SiO5含量減少，硫鋁酸鹽的引入會(huì)對(duì)硅酸鹽水泥有水化抑制作用，使Ca離子的含量降低，加速了水化產(chǎn)物的生成。

(3)TG-DTG分析可知，所有復(fù)合膠凝體系的失重曲線規(guī)律較為相似，且摻雜硫鋁酸鹽水泥的體系的失重率均明顯高于不摻雜的試樣，當(dāng)硫鋁酸鹽摻量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系的失重最嚴(yán)重。

(4)力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，復(fù)合膠凝體系在1,3和28 d的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)硫鋁酸鹽的摻量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系在28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值49.3 MPa，相比在1 d時(shí)36.5 MPa，增加了35.1%。