极寒盐碱化条件下水泥—水玻璃材料性能研究

张 鑫

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443000)

水泥—水玻璃材料作为一种复合材料[1]，具有强度高、胶凝时间可控、污染程度较小等特点，在工程中为缩短工期，提高工程效率，以其为代表的速凝剂得到快速发展。在发展的过程中大量学者不断对其激发、硬化机理[2]以及力学特性等进行研究[3]。

目前的研究多考虑一般工况，而在实际情况下，因受到环境因素的影响，往往出现材料强度下降、凝结效果不佳、材料破坏严重而无法使用的情况。为此，选择不同水灰比、水玻璃模数、水泥—水玻璃体积比的材料，开展冻融循环试验及抗氯盐侵蚀试验,研究特殊环境下,材料参数变化对性能的影响，并优选出相对合适的材料配比，为施工提供理论支持。

1 试验原理及试验材料参数的确定

1.1 试验原理

水泥与水玻璃的反应主要是硅酸钠水解产生的硅酸与Ca(OH)2之间的反应，生成了难溶的水合硅酸钙，如下式：

3Ca(OH)2+NaO×nSiO2+mH2O→Ca×nSiO2×mH2O+2NaOH

(1)

水玻璃加速了水泥的水化反应，水合硅酸钙与水泥固体胶结促进了水泥—水玻璃结石体的形成。由于冬天气温较低，影响水泥的水化反应及初凝进程，所以水玻璃的加入具有缩短凝结时间、加快反应速度等实际意义。

1.2 试验材料参数确定

为确定试验参数的合理取值，避免重复试验，开展初步的探究试验，深入了解各参数的特性。

1.2.1 水泥

为充分考虑水泥流变特性的影响，利用旋转粘度计进行水泥浆液流变性试验，试验选择宜昌华新水泥公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。由图1，图2试验结果可知：当水灰比大于0.8时，水泥浆液粘度及屈服强度较小，呈负相关，属于牛顿流体；当水灰比大于1.3时，曲线趋于平缓，塑性粘度及屈服强度基本稳定。因而选择水灰比0.8～1.3的水泥浆液进行试验。

1.2.2 水玻璃

为探究水玻璃浓度[4]对水泥—水玻璃材料的影响，选用水灰比1.0，水泥—水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃模数1.2的配比进行试验，测定水玻璃浓度在15°Be′～45°Be′之间，材料初凝时间的变化。试验时室内温度22 ℃，相对湿度20%，水玻璃产自广州穗欣有限公司，SiO2含量27%，Na2O含量10%。试验结果如表1，图3所示。

表1 水玻璃浓度与初凝关系记录表

由图3可见，随着水玻璃浓度的增大，水泥—水玻璃材料的初凝时间逐渐增大，为尽量缩短初凝时间，降低温度对水泥反应过程的影响，选择25°Be′作为固定水玻璃浓度。

2 试验方案

为深入研究水泥—水玻璃材料各参数对材料性能的影响，开展多组不同配比的冻融循环试验及抗氯盐侵蚀试验，采用控制变量法对水灰比、水玻璃模数、水泥—水玻璃体积比三个参数进行分析，保证浓度、试验条件、养护方式不变。试验设计如表2所示。

表2 试验设计表

具体试验方法包括：

1)冻融循环试验。模拟西北冬季温度变化，设置冻融循环次数为80次，冻融温度变化范围-20 ℃～10 ℃。依据GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[5]制作100 mm×100 mm×100 mm的水泥—水玻璃试件，养护28 d后，放入冻融箱。

2)抗氯盐侵蚀试验。水泥—水玻璃材料长期与氯盐接触，氯离子通过扩散、电迁移作用等进入部件，高浓度的Cl-生成晶体产生膨胀力，使试件受到严重的破坏。开展抗氯盐侵蚀试验，参考GB/T 749—2008水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法[6]，试件尺寸设置为100 mm×100 mm×100 mm。将上述试验中制作的试件在养护箱养护7 d，放置于浓度10 g/L的NaCl溶液中浸泡28 d，养护结束后测定抗压强度。

另外，将一组水灰比1.0、水玻璃模数1.2、水泥浆液与水玻璃溶液体积比1∶1的试件先养护28 d，然后用10 g/L的NaCl溶液浸泡7 d，再进行冻融循环试验，试验结束测量其抗压强度。

3 试验结果分析

选取4组均为水灰比1.0、水玻璃模数1.2、水泥—水玻璃体积比1∶1的试件，分别进行冻融循环试验与抗氯盐侵蚀试验，试验设置及结果如表3所示。

表3 试验环境对材料强度影响 MPa

通过表3发现，经过80次冻融的试件，其强度远低于未处理试件，强度降低约25%；经过氯盐侵蚀的试件抗压强度降低超过50%。这说明在恶劣的环境条件下，水泥—水玻璃材料的性能受到极大影响，且盐类侵蚀的危害更加突出。

多组冻融循环试验及抗氯盐侵蚀试验结果如图4～图6所示。

图4表明，在控制水玻璃模数、体积比等参数时，材料抗压强度与水灰比关系呈负相关。其原因主要是随着水灰比增大，用水量增大，水化反应后形成的孔隙也越多，影响了材料密实性，从而导致试件强度降低。通过对曲线斜率的观察得出：在冻融循环试验中，曲线变化梯度随着水灰比的增大而增大，表现为强度降低越严重。

另外，对比发现，在相同水灰比条件下，抗氯盐侵蚀试验中材料的强度峰值远低于冻融循环试验，这与表3显示的试验规律一致。

综合来看，随着水灰比在从0.8加大到1.3的过程中，虽然适当提高了水泥的流变性，但大大降低了水泥与水玻璃之间的反应，增大了孔隙率，加剧了冻融破坏程度，使得材料强度降低。

从图5中可以看出：在抗氯盐侵蚀试验中，当体积比从1∶0.3变化到1∶1时，抗压强度仅从15 MPa提高到20 MPa；在冻融循环试验中，当体积比从1∶0.3变化到1∶1时，抗压强度从22.5 MPa提高到29 MPa。这说明体积比的增大虽然相对提高了水玻璃的

含量，但很有限，使得材料强度仅有小幅度的增长。

从图6得知，抗压强度与水玻璃模数呈显著正相关。同时，在水玻璃模数较低时，强度的变化梯度较大，曲线较陡。与图4,图5对比，从曲线变化率可以看出，水玻璃模数的影响大于体积比与水灰比。其主要原因是材料中SiO2的含量增加，一方面加快了水和硅酸钙的生成，一方面其本身也具有相当的强度。

另外，在试验中发现，经冻融循环试验的试件边缘出现细小裂缝。在经过氯盐侵蚀后，试件表面出现些许剥落情况，并且在试件剥落处出现薄的白色晶体，出现这种现象主要是因为高浓度的Cl-产生晶体的析出，产生张力，对试件造成破坏。

通过对比试验数据，并结合初步的探究试验，总结出水灰比不大于1，水泥—水玻璃体积比1∶1，水玻璃模数1.2～1.6的材料配比更为合理，其性能表现更好，材料抗压强度更大。

4 结语

为对极寒，盐碱化环境下水泥—水玻璃材料的性能进行深入研究，开展了关于水泥—水玻璃的探究性试验、冻融循环试验、抗氯盐侵蚀试验。主要结论如下：

1)水灰比大于0.8时，水泥浆液有着较好的流变性。水玻璃浓度与水泥—水玻璃材料凝结时间成正相关。

2)通过冻融试验及抗氯盐侵蚀试验，材料强度明显降低，并且氯盐的侵蚀破坏程度要大于冻融破坏。

3)抗压强度的变化与水灰比呈负相关。但与水玻璃模数、体积比呈正相关。并且在水玻璃模数较低时，强度增长梯度较大。

4)通过对比试验数据，得出在水灰比不大于1，水泥—水玻璃体积比1∶1，水玻璃模数1.2～1.6情况下，材料性能较好。