养护条件对硫铝酸盐水泥性能的影响

2020-09-09王培芳朱航宇

福建质量管理 2020年16期

王培芳朱航宇沈燕

(扬州大学江苏扬州 225000)

引言

目前，传统硅酸盐水泥是建筑领域中用量最大的建筑材料之一，但是由于该水泥的烧成温度较高(1450℃左右)，而且水泥熟料中阿利特矿物含量一般为60%左右，并且该矿物中氧化钙含量高达73.7%，因此该水泥存在煅烧温度高和温室气体排放量高的缺点[1-2]。不同于传统硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥是将石灰石、矾土和石膏在1250～1350℃下煅烧成水泥熟料，然后掺入适量石膏共同粉磨而成的水泥[3-4]。因此，相比普通硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥在节能和减排方面有很大的优势[5-8]。同时，硫铝酸盐水泥凭借其具有高早强、耐腐蚀性、低碱性、抗冻性、抗渗性等优异性能已经普遍运用于抢修抢建工程、冬季工程、防渗工程、海洋工程等[9-12]。

硫铝酸盐水泥中的无水硫铝酸钙矿物会在早期快速发生水化反应生成钙矾石(AFt)，在前24h的水化过程中释放大量的水化热[13-14]。同时，在实际工程中，由于不同地区、季节的环境温度相差较大，尤其在夏季，部分地区的环境温度可高达40℃左右，然而在高温条件下AFt易发生分解形成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)[3]，以上情况将会导致水泥试件内外温差大，产生水化热裂缝，从而对水泥的性能和应用产生负面影响。廖宜顺[15]研究发现升高养护温度可以稍微提高水泥的3d抗压强度，并且养护温度的提高会逐渐增加水化前3d水泥体系中AFt的生成量，但50℃时AFt含量却有所降低。王中平[16]发现当养护温度由20℃升高至40℃时，硫铝酸盐水泥熟料的1d、3d和28d抗压强度均明显降低。本文主要围绕不同养护温度和养护湿度，对硫铝酸盐水泥的水化和硬化做了研究，这对在高温环境下施工的工程有着重要的现实意义。

一、实验

(一)原材料

水泥选用唐山六九水泥厂生产的硫铝酸盐水泥，表1和图1分别为该水泥的化学组成和XRD图谱。由图1可知，该水泥的主要矿物为硫铝酸钙、贝利特、硬石膏和碳酸钙。砂为ISO标准砂。

表1 硫铝酸盐水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement

图1 硫铝酸盐水泥的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of sulphoaluminate cement

(二)实验方法

实验将成型的试件在标准养护室养护1d后，将其放在20℃和50℃的恒温水浴箱中分别采用泡水养护、干燥养护和覆膜养护的方式养护至相应龄期，水泥砂浆的胶砂比均为1:3，实验统一采取0.5的水灰比。水泥砂浆的抗压强度依据GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》进行测试。水泥砂浆的膨胀和收缩性能参照JC/T313—82(1996)《膨胀水泥膨胀率检测方法》和JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》检测。通过多晶X射线衍射仪的扫描图谱分析各养护条件下水化产物的物相，采用扫描电子显微镜观察水化产物的微观形貌。

二、结果与讨论

(一)强度

图2反映了不同养护条件下硫铝酸盐水泥的抗压强度。由图2(a)、(b)和(c)可知，在泡水养护条件下，升高养护温度可以显著提高硫铝酸盐水泥的3d、7d、28d强度；在干燥养护条件下，硫铝酸盐水泥的3d、7d强度随着温度的升高有明显的增强，水泥在50℃养护时的28d强度较20℃养护时有稍微的增强；在覆膜养护条件下，当养护温度由20℃升高至50℃时，硫铝酸盐水泥的1d、3d抗压强度明显提高，但是在3d之后，硫铝酸盐水泥的强度随着龄期的延长呈现逐渐下降的趋势，并且水泥的28d强度明显低于20℃温度下的水泥强度。这是因为养护温度的升高加快了水泥的早期水化速率，水化产物快速生成并堆积成更加密实的结构，从而大大地提高了水泥的早期强度[15]，但是由于水化产物包裹在水泥矿物表面使得水进程变得缓慢，阻碍后期强度的增长。对比图2(a)和(b)发现，20℃温度下采取泡水养护的硫铝酸盐水泥的7d和28d强度均略高于干燥养护的水泥强度，50℃温度下采取泡水养护的硫铝酸盐水泥的3d、7d和28d强度均略高于干燥养护的水泥强度。分别对比图2(a)和(c)、图2(b)和(c)发现，采取泡水养护的水泥强度明显高于覆膜养护的水泥强度，20℃时，干燥养护和覆膜养护的水泥强度趋于一致，50℃，干燥养护和覆膜养护的水泥3d、7d强度相近，但是干燥养护的水泥28d高度明显高于覆膜养护的水泥28d强度。这表明养护湿度的提高可以促进水泥水化的充分进行。

(a)泡水养护

(b)干燥养护

(c)覆膜养护图2 不同养护条件下硫铝酸盐水泥的抗压强度Fig.2 Compressive strength of sulphoaluminate cement under different curing conditions

(二)膨胀干缩率

图3为养护条件对硫铝酸盐水泥的膨胀和干缩的影响效果。观察图3(a)可得，在泡水养护条件下，硫铝酸盐水泥砂浆会发生微小的膨胀，并且水泥砂浆各龄期的膨胀随温度的升高而增加。同时，水泥砂浆的早期膨胀率将会大幅度的提高，随后增长速率趋于缓慢。这是因为硫铝酸盐水泥在高养护温度下会快速进入加速期，AFt的大量形成使得水泥内部结构发生膨胀破坏，之后由于水化产物的大量堆积减弱了水泥的水化进程[15]。由图3(b)、(c)可知，在干燥养护和覆膜养护条件下，水泥砂浆均发生了一定程度的收缩，并且养护温度的提高都会显著提高水泥砂浆的收缩，20℃时，覆膜养护和干燥养护的水泥砂浆收缩率几乎一致，而50℃温度下的覆膜养护的水泥砂浆收缩率比干燥养护的水泥高。这是因为与干燥养护条件相比，覆膜养护条件下的水泥试块的早期水化热很难释放出来，导致水泥浆体内的自由水蒸发速率加快[18]。通过对三幅图的分析发现，养护温度的提高和湿度的降低都会对硫铝酸盐水泥砂浆的膨胀和收缩产生一定的负面影响。

(a)泡水养护

(b)干燥养护

(c)覆膜养护图3 不同养护条件下硫铝酸盐水泥的自由膨胀率Fig.3 Free expansion rate of sulphoaluminate cement under different curing conditions

(三)水化产物

实验研究了不同养护条件下硫铝酸盐水泥的水化过程，结果见图4。从图4可以看出，改变养护条件并不会使硫铝酸盐水泥的水化产物种类发生变化，水化产物主要还是AFt，硫铝酸钙和硬石膏的衍射峰强度随着水化龄期的延长逐渐减弱，说明硫铝酸盐水泥在发生水化。对比图4(a)和(b)、图4(c)和(d)发现，相同养护温度下，泡水养护的水泥各龄期的AFt衍射峰强度略高于干燥养护条件。分析图4(a)和(c)、图4(b)和(d)可得，随着养护温度升高，3d、28d龄期的水泥试样中AFt的衍射峰强度有所增强。以上分析分析与前面的水泥强度结果较为一致。