激发剂对水泥基材料力学性能的影响研究

杨颖志（中国铁路总公司广州铁路（集团）公司职工住房建设指挥部，湖南　长沙　410001）



·建筑材料及应用·

激发剂对水泥基材料力学性能的影响研究

杨颖志
（中国铁路总公司广州铁路（集团）公司职工住房建设指挥部，湖南长沙410001）

摘要：以强度作为评价指标，选取硫酸钠、氯化钙、二水石膏三种激发剂进行了试验，分析了不同激发剂及其掺量对水泥基材料力学性能的影响，并得到了掺入激发剂水泥基材料的强度发展规律，结果表明：氯化钙的后期激发效果最好。

关键词：激发剂，水泥基材料，抗压强度

0　引言

生产1 t水泥熟料，将向大气排放1 t二氧化碳，严重污染了大气环境。随着人类对环境保护愈加重视，建材工业也提出了发展生态型、绿色环保材料的目标。如何减少水泥基材料中的水泥用量，同时又能达到材料的使用强度要求，已成为建筑材料研究中的一个热点问题［1］。目前，粉煤灰作为一种工业废渣，在建筑材料方面得到了较为广泛的应用［2］。

粉煤灰活性激发较为有效的方法主要有3种：

1）物理活化，在机械粉磨破坏作用下，粉煤灰的玻璃体将更加分散，比表面积大幅增加，从而分子热运动加速，促进粉煤灰的水化；

2）化学活化，即通过碱（石灰、水玻璃等）、硫酸盐（CaSO4，Na2SO4等）、氯盐等化学激发剂来激发粉煤灰的活性；

3）热力激发方法，热力激发是指粉煤灰在蒸汽养护的水热条件下，使其硅氧四面体聚合体解聚成单聚体和双聚体［3，4］。相比其他激发方式，化学激发受场地和工艺条件制约影响小，是较为常用的激发方式。到目前为止，许多学者采用不同化学激发剂，进行了一些水泥砂浆和混凝土的化学激发试验，取得了许多成果。蔺喜强等认为单掺氯化钙对粉煤灰水泥砂浆的激发效果优于氯化钠等化学分析［4］。刘妍等认为硫酸钠对钛石膏—粉煤灰复合胶凝材料的激发效果较好，并根据其具体试验条件得到了最佳掺量［5］。从许多研究可以看出，对于同种化学激发剂的激发效果存在一些矛盾的结论。事实上，化学激发的效果和具体试验条件密切相关，一些文献中的矛盾应归因于不同的实验条件［6］。通常，最佳的激发措施和激发剂的掺量都要通过试验得到。

本文拟通过选取不同激发剂，替代部分水泥用量，以强度作为评价指标，研究不同化学激发剂对水泥基材料力学性能的影响，为水泥基材料绿色环保化提供一定的试验依据。

1　原材料与配合比

水泥：宁波市售海螺32.5级复合硅酸盐水泥（P.C32.5），其物理力学性能指标见表1，化学成分指标见表2；粉煤灰为浙江宁波北仑港电厂生产的Ⅰ级粉煤灰（FA），化学成分指标和物理性质见表2和表3；水：自来水；砂：普通河砂，细度模数为2.7，Ⅱ区级配合格。激发剂：硫酸钠、氯化钙、二水石膏。试验配合比见表4。

表1　P.C32.5水泥的物理力学性能

表2　P.C32.5和FA的化学成分

表3　粉煤灰物理性质

为研究不同激发剂对水泥砂浆性能的影响，优选出较好效果的激发剂，选取硫酸钠、氯化钙、二水石膏作为激发剂进行了试验。采用标准砂，制作砂浆试件，来研究这几种激发剂对不同试块强度的影响。激发剂的用量按水泥用量的百分比来进行计算，分别为1%，3%，5%，试验配合比见表4。

表4　试验配合比　g

2　制备与测试方法

按照各配合比和规范GB/T 17671水泥砂浆强度检验方法进行试验，制作160 mm×40 mm×40 mm的水泥砂浆试块，24 h后拆模，并移入水池中进行室温下的浸水养护，到3 d，7 d，28 d时对水泥砂浆试块抗压强度进行测试。

3　试验结果与分析

3.1不同激发剂对抗压强度的影响

图1表示了各激发剂掺量均为1%时，3种激发剂对砂浆不同养护龄期时抗压强度的影响规律。由图1看出，掺加3种不同激发剂的粉煤灰水泥胶砂在3 d和7 d早期的强度均高于未掺加激发剂的空白样，但二水石膏对早期3 d的激发效果不明显，氯化钙和硫酸钠的激发效果较好，分别提高了20%和16%。在28 d时，各激发剂对强度增长的贡献较大。氯化钙的后期激发效果最好，比空白样高约5.7 MPa，二水石膏的后期激发效果最小，仅比空白样高3.9 MPa。上述3种激发剂对粉煤灰的激发作用大小为氯化钙＞硫酸钠＞二水石膏。这种现象应归因于粉煤灰的化学性质为弱酸性，主要成分是SiO2，Al2O3，其在碱性环境中OH-的作用下，粉煤灰颗粒表面的硅氧键和铝氧键断裂形成不饱和键，容易与水泥体系中形成的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙C-S-H和水化铝酸钙C-A-H等胶凝材料。然而粉煤灰火山灰反应所需的Ca（OH）2只有在后期才能较为充分地生成。这就是掺加激发剂试块的强度在早龄期略高于空白样，而水化后期强度比空白样有了很大的提高的原因。

3.2不同激发剂掺量对抗压强度的影响

对不同激发剂在不同掺量条件下的粉煤灰水泥胶砂强度进行了研究，根据表4的试验配合比成型试件进行测试，试验结果分别见图2～图4。

图1　激发剂种类对抗压强度的影响

图2　二水石膏掺量对抗压强度的影响

图3　硫酸钠掺量对抗压强度的影响

图4　氯化钙掺量对抗压强度的影响

图2表示了二水石膏对粉煤灰水泥胶砂抗压强度的影响。由图2中结果可知，在本论文研究的二水石膏0%～5%范围内，3 d龄期时，各种二水石膏掺量的水泥胶砂试块抗压强度差别不大，均略高于基准空白胶砂，这说明在3 d龄期时水泥胶砂的抗压强度提高不明显，起不到早期使水泥能够强度变快的作用。但随着龄期增加，掺二水石膏的胶砂强度增长较快，在28 d时，掺1%二水石膏的水泥胶砂比基准胶砂强度提高22%。

图3表示了硫酸钠对粉煤灰水泥胶砂抗压强度的影响。由图3可知，在本文研究的硫酸钠0%～5%范围内，3 d龄期时，各种硫酸钠掺量的水泥胶砂试块抗压强度差别不大，均略高于基准空白胶砂，但可看出，随着硫酸钠掺量增大到5%，抗压强度相比1%和3%掺量时更低。随着龄期增加，掺硫酸钠的粉煤灰水泥胶砂强度增长较快，在28 d时，掺1%硫酸钠的水泥胶砂比基准胶砂强度提高27%。

图4表示了氯化钙对粉煤灰水泥胶砂抗压强度的影响。由图4可知，在本文研究的氯化钙0%～5%范围内，3 d龄期时，相比前述的硫酸钠和二水石膏，各种氯化钙掺量的水泥胶砂试块抗压强度较高，可见氯化钙的早期激发效果更好；但亦可看出，随着氯化钙掺量增大到5%，28 d抗压强度相比1%和3%掺量时更低，对于氯化钙而言，掺量不宜过高；随着龄期增加，掺氯化钙的粉煤灰水泥胶砂强度增长较快，在28 d时，掺1%硫酸钠的水泥胶砂比基准胶砂强度提高32%。

本文采用的激发剂对粉煤灰水泥胶砂的激发机理主要有以下几个方面，试验中所用激发剂主要成分为硅酸盐和硫酸盐，二水石膏的主要成分为二水硫酸钙，含有较多的钙离子，因此激发剂中的硫酸根离子在钙离子的作用下，可以与溶解在液相石膏中的氧化铝发生水化反应生成钙矾石（AFt），与此同时，和水泥水化机理一样，激发剂中所含有的硅酸盐水化后也能够形成C-S-H凝胶，这些水化生成的钙矾石和C-S-H凝胶可以填充粉煤灰水泥砂浆中的孔隙和空隙，降低其孔隙率，使水泥砂浆更加致密，从而强度更高。

从图2～图4的结果可以看出，各种激发剂的掺量存在极限，在给定的实验条件下有一个最佳掺量。这要归因于激发剂本身的组成与性质，其主要成分是盐，如果掺量过高，在粉煤灰水泥胶砂水化后期，激发剂会在试样表面以薄层结晶的形态析出，即激发剂中的硫酸盐成分会引起泛霜现象［7］。

3.3掺激发剂对粉煤灰水泥胶砂经济性的影响

根据本文的实验结果，在掺1%胶凝材料总量的激发剂时，以粉煤灰等量取代20%水泥配制的粉煤灰水泥砂浆，其力学性能（抗压强度）高于不掺激发剂的空白组试件22%～30%，明显优于空白组的抗压强度。相比水泥的价格，粉煤灰是工业废渣，非常廉价，本文采用的氯化钙激发剂的掺量很小，仅为1%。所以，选择合适的激发剂种类，掺加适量的激发剂，可以节约水泥20%，既能满足其力学性能要求，又是环保节能的绿色建材，且降低了建材的成本。

4　结语

1）掺有激发剂的粉煤灰水泥胶砂早期强度均高于空白样，相比氯化钙，硫酸钠和二水石膏激发剂对粉煤灰早期活性的激发作用不明显；在水化28 d时，各激发剂单掺对粉煤灰的激发作用大小为氯化钙＞硫酸钠＞二水石膏。

2）各种激发剂在不同掺量的情况下，硫酸钠与二水石膏对粉煤灰的激发效果随着其掺量的增加而减弱，在1%掺量时最佳；氯化钙对粉煤灰的激发效果在其掺量为1%和3%时均较好，在5%掺量时反而抗压强度下降。

3）氯化钙激发剂对粉煤灰活性的激发效果最好。这表明选择合适的激发剂种类，掺加适量的激发剂，可以节约水泥20%，既能满足其力学性能要求，又是环保节能的绿色建材，且降低了建材的成本。

参考文献：

［1］张传行.用工业废渣生产缓凝水泥的方法探讨［J］.新世纪水泥导报，2010（1）：13-16.

［2］钱觉时，肖保怀，袁江，等.粉煤灰—石灰—硫酸盐系统［J］.新型建筑材料，1998（8）：19-21.

［3］倪坤，陈维灯，钟世云.粉煤灰—脱硫石膏—矿渣复合胶凝材料性能初步研究［J］.粉煤灰综合利用，2010（6）：9-11.

［4］蔺喜强，王栋民，许晨阳，等.硫酸盐类及氯盐类激发剂对粉煤灰活性的影响［J］.粉煤灰，2012（1）：4-7.

［5］刘妍，李国忠.不同激发剂对钛石膏—粉煤灰复合胶凝材料力学性能影响的研究［J］.粉煤灰，2015（1）：46-49.

［6］刘民荣，田颖，赵帅.碱性激发剂对钛石膏—粉煤灰复合胶结材料性能的研究［J］.粉煤灰，2008（6）：15-17.

［7］刘研，李国忠.粉煤灰、激发剂和防水剂对石膏自保温砌块性能的影响［J］.砖瓦，2015（1）：46-49.

Study on the impact of excitant upon mechanical performance of cement-based materials

Yang Yingzhi
（Headquarter of Staff Housing Construction，China Railway Guangzhou Railway（Group）Co.，Ltd，Changsha 410001，China）

Abstract：Taking the strength as evaluation index，the paper carries out an experiment by selecting three kinds of excitants including sodium sulfate，calcium chloride and dihydration gypsum，analyzes the impact of different excitants and mixing amount upon mechanical performance of cement-based materials，and obtains the strength development law of mixing excitant upon cement-based material.Results show that：the post excitation effect of calcium chloride is the best.

Key words：excitant，cement-based materials，compressive strength

中图分类号：TU502

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0103-03

收稿日期：2015-12-17

作者简介：杨颖志（1974-），男，工程师