硅酸盐水泥水化历程中化学外加剂的影响研究

＊王晓玲

（贵州建设职业技术学院 贵州 550023）

硅酸盐水泥水化历程中化学外加剂的影响研究

＊王晓玲

（贵州建设职业技术学院 贵州 550023）

随着社会的发展，国际大型建筑工程不断增加，给水泥工业带来了极大的发展机遇，同时也对水泥生产提出更高的要求。本文结合国内外水泥研究的诸多优秀成功，全面系统的研究化学外加剂作用下水泥的水化历程及其浆体结构形成与发展规律，并深入探讨化学外加剂对硅酸盐水泥水化历程影响。

硅酸盐水泥；化学外加剂；水化历程

硅酸盐水泥在加入水之后会发生一系列复杂的水化反应，水化反应的结果是水泥和混凝土的硬化表现。实验环境下，在水泥水化历程中，水泥水化、凝结与强度存在一定客观的影响因素，其中化学外加剂发挥重要的调控作用。在实验室条件下，本文选取了几种常见的化学外加剂进行试验研究，并记录试验过程中水泥水化历程中的各种参数，包括水化程度、体积稳定性、凝结时间以及硬化力学性能等，进而通过数据分析来探讨化学外加剂对水泥水化历程的调控作用。在本文试验中，水灰比是固定。

1.铝盐对水泥水化历程的影响

水泥工业中，铝盐类外加剂对水泥水化产生显著的影响。铝盐类外加剂在特定化学环境下通过电离水解作用与水泥中的石膏作用，起到水泥速凝的作用。水泥浆体中CaSO4会受到铝盐类外加剂影响而迅速降低浓度，进而促使C3A反应，起到速凝作用。本文选择实验室常用的硝酸铝与硫酸铝进行试验。

(1)铝盐对水泥凝结时间的影响

在固定水灰比下添加不同掺量的两种铝盐，并记录各自初凝与终凝时间。在特定水灰比下水泥空白样的初凝和终凝时间分别为330min与470min。然后在两份水泥样中分别添加Al(NO3)3与Al2(SO4)3。其中Al2(SO4)3的掺量从0．5%、1%、1．5%到2．0%，在以上掺量状态下水泥样初凝的时间分别为150min、60min、15min与7min，终凝时间分别为255min、180min、110min与45min，而且在实验过程中发现，随着Al2(SO4)3掺量的增大，水泥凝结时间不断缩短，到达2%的掺量时，水泥的初凝时间为7min，终凝时间为45分钟。

此外对于Al(NO3)3而言，其实验过程与Al2(SO4)3类似，只是水泥凝结时间不同。在1%、2%、3%的掺量下，水泥初凝时间分别为195min、20min、7min，终凝时间分别为300min、60min、20min。由此可见，在相同的掺量下，Al2(SO4)3比Al(NO3)3对水泥的快速凝结效果更明显。

(2)铝盐对水泥水化程度的影响

实验室研究水泥水化程度时，通常会选用化学结合水量作为实验观察的主要参数。Al2(SO4)3与Al(NO3)3的不同掺量下，通过观察不同水化龄期下化学结合水量，研究其各自对水泥水化程度的影响。在Al2(SO4)3试验中，随着Al2(SO4)3的加入，水泥早期水化进程较空白水泥样提前。随着实验的不断进行，Al2(SO4)3水泥样中的化学结合水量不断增加，在不同的时段，其化学结合水量的增长幅度与速度不同，在6h以内时化学结合水量增长较快，6～12h增加趋于平缓，但12h之后又观察到其缓慢增加。实验数据统计结果显示，在4h范围之内的实验阶段，选择相同的水化龄期，Al2(SO4)3掺量变化与化学结合水量呈线性关系，影响程度排序为：0．5%＜1%,1．5%,2%，这说明，在实验条件下，同一水化龄期时，Al2(SO4)3的掺量越高水泥水化程度越高，也就是说，Al2(SO4)3掺量对水泥水化促进作用越显著。

与Al2(SO4)3不同，Al(NO3)3对水泥水化程度的影响分为两个阶段，在4h以内的早起阶段，Al(NO3)3的实验反应与Al2(SO4)3的实验反应基本一致，随掺量的增加而化学结合水量增大，这说明Al(NO3)3在反应早期对水泥的水化程度具有促进影响。但在水泥浆体凝结后，实验观察显示，Al(NO3)3对水泥水化的影响并不明显。

(3)铝盐对水泥水化体积稳定性的影响

在对水泥水化体积稳定性的实验研究中，选择干燥收缩率作为实验观察参数。从实验数据统计可看出，无论是Al2(SO4)3还是Al(NO3)3均对水泥的干燥收缩起到了促进作用。在Al2(SO4)3水泥样中，不同掺量对水泥干燥收缩的影响不同，0．5%与2．0%的掺量下，水泥干缩率在7d后出现迅速的变化，期干缩率明显大于空白水泥样。而在1．5%掺量下，水泥水化的前14d内其体积变形缓慢，而在14d之后，水泥干缩率逐渐比空白水泥样增大。对于Al(NO3)3水泥样而言，以10d为分界线，10d之内时，随着Al(NO3)3掺量的增加，水泥干缩率降低，而水泥水化10d之后，随着Al(NO3)3掺量的增加，水泥干缩率增加。从整体上来看，Al(NO3)3对水泥水化的干缩率具有促进作用。

试验中发现，铝盐类外加剂在水泥水化干缩率方面具有显著的影响，其增大了水泥干缩率，但其对水泥混凝土制品的裂缝控制不利。对实验进程进行分析可知，铝盐加速了水泥的凝结，但由于水泥凝结太快导致水泥凝结的初始结构中出现许多孔隙，水分迁移过程中干缩应力增大。

(4)铝盐对水泥硬化程度的影响

在观察水泥硬化程度的实验中，选择抗折强度和抗压强度作为实验观察分析的参数。试验中发现，在Al2(SO4)3水泥样中，Al2(SO4)3对水泥强度具有一定的影响，但其影响结果却与其掺量具有直接的关系。在试验中发现，水泥水化的早期，Al2(SO4)3确实能够增加水泥的抗折强度和抗压强度，但不同掺量下表现出不同的效果。在1．5%以内的掺量时，随着掺量的增加，水泥抗折强度与抗压强度不断增大；当Al2(SO4)3掺量刚好达到1．5%时，水泥强度发展最好；当Al2(SO4)3掺量超过1．5%时，水泥强度发展出现了下降的趋势。这说明Al0(SO4)3对水泥强度的影响与其掺量具有直接的关联，选择最为合适的掺量有助于提升水泥硬化强度。在Al(NO3)3水泥样的实验中，Al(NO3)3虽然能够促进水泥的快速凝结的，但在1d水化龄期中水泥强度的发展却受到抑制。随着水泥水化龄期的进展，后期水泥强度发展良好。

2.硅酸钠对水泥水化历程的影响

实验研究发现，在水泥水化历程中，硅酸钠（NaSiO3）对其水化历程具有显著的影响，而且实验研究表明，NaSiO3溶液中的架状结构类型的硅氧四面体离子基团与水泥中的钙结合，能够形成网状结构，进而降低流动性。由此可见，NaSiO3能够加速水泥的凝结过程，但在实践中，NaSiO3又不利于水泥混凝土强度的保持。本文在实验条件下，通过实验的方式研究NaSiO3对水泥水化历程的影响。

(1)硅酸钠对水泥凝结时间的影响

实验数据统计显示，在不同掺量下，水泥凝结时间表现的不同。当NaSiO3掺量分别为2．0%、4．0%与6．0%时，水泥样的初凝时间分别为：180min、50min、2min；终凝时间分别为：285min、170min、4min；水泥空白样的初凝时间为330min，终凝时间为470min。从实验的具体统计数据可看出，随着NaSiO3掺量的不断增加，水泥凝结时间不断缩短，当NaSiO3掺量设定为6%时，水泥样的初凝与终凝时间分别为2min和4min，达到水泥的迅速凝结。从实验机理的视角分析，由于NaSiO3溶液中存在大量硅氧四面体离子基团，其余水泥中的钙离子能够快速结合形成网状结构，进而使得水泥浆体流动性下降，加速了水泥凝结硬化。

表1 NaSiO3对水泥凝结时间的影响

(2)硅酸钠水泥水化程度的影响

在2%、4%、6%不同的NaSiO3掺量状态下，对水泥水化龄期1d内进行实验观察。实验观察统计数据显示，在水泥水化的早期，即4h范围以内时，无论哪种掺量下的水泥浆体，其化学结合水量均大于空白水泥样，而且随着NaSiO3掺量越大，化学结合水量越大，这说明在水泥水化的早期，NaSiO3对水泥水化程度具有明显的促进作用。但随着水泥水化历程的不断推进，空白水泥样在4～6h水化龄期内迎来快速水化，而且其化学结合水量逐渐超过同期的NaSiO3掺量为2%和4%的水泥样组，当水泥水化龄期到24h时，含有不同NaSiO3掺量的水泥样的化学结合水量均低于空白水泥样组。实验统计数据说明，在水泥水化的早期，NaSiO3能够促进水泥水化，但在后期，水泥水化接近1d时，NaSiO3对水泥水化没有明显促进作用。

(3)硅酸钠对水泥水化体积稳定性的影响

实验统计显示，当水泥样中加入NaSiO3之后，水泥的干燥收缩变形迅速增加，且一直持续到水泥水化龄期的前3d，在这个阶段，NaSiO3水泥样的干缩比高于空白水泥。但随着实验的不断推进，在3～7d水化龄期范围内，NaSiO3水泥样的干燥收缩反而不断变小。经过这一阶段后，7d后的水泥干缩率又重新增加，而且随着水泥水化龄期的延长而变形增大。但在7d后的水泥水化龄期，NaSiO3水泥样的整体收缩变形小于空白样。从掺量关系来看，实验统计数据显示，随着NaSiO3掺量的增加，水泥水化的干燥收缩变形越小。

(4)硅酸钠水泥硬化程度的影响

在加入NaSiO3之后，分别对水泥样的抗折强度和抗压强度进行数据统计，从实验统计可知，随着NaSiO3的加入，无论是水泥抗折强度还是水泥抗压强度均大幅降低，而且随着NaSiO3掺量的增加，水泥抗折强度与抗压强度越低，这说明NaSiO3对水泥硬化程度具有阻碍作用。

3.结论

通过实验研究可发现，铝盐类外加剂能够显著加快水泥凝结，有较为明显的加速调控效果，而且铝盐有提升水泥强度的效果，但铝盐使水泥干燥收缩变形增大，不利于水泥制品的开裂控制。NaSiO3在适当的掺量下能够加快水泥硬化，但对水泥强度发展有抑制作用。因此在不同的工业需求下，可选择最合适的化学外加剂来提升水泥性能。

[1]黄士元,邬长森,杨荣俊.混凝土外加剂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响[J].混凝土与水泥制品,2011.1.

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[3]于锦,李伟峰.CSA水泥作为矿物外加剂对硅酸盐水泥性能及水化的影响[J].硅酸盐通报,2016.6.

[4]王卫山.早强矿物添加剂对混合材硅酸盐水泥性能的影响[D].济南大学,2013.5.

王晓玲（1967～），女，贵州建设职业技术学院，研究方向：建筑材料化学分析。

((责任编：李燕)

Study of the Influence of Chemical Additive in the Hydration Process of Portland cement

Wang Xiaoling

(Guizhou Polytechnic of Construction, Guizhou, 550023)

With the development of the society, the constant increase of international large scale of construction projects has brought great opportunities to the development of cement industry, meanwhile also put forward higher requirement for cement production. Based on lots of outstanding and success cases of researches at home and abroad, this paper has taken comprehensive and systematical studies on the cement hydration process, paste structure formation and development regularity under the action of chemical additive, besides, it has taken further study of the effects of chemical additive on Portland cement hydration process.

Portland cement；chemical additive；hydration process

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