石膏对超细硫铝酸盐注浆材料水化硬化影响

2020-10-31王菲

四川建材 2020年10期

王菲

(山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西长治 046000)

0 前言

在硫铝酸盐水泥体系中，石膏掺量不仅影响水化产物的形成过程和种类，还在水泥水化早期起到一定的加速作用，影响其水化速率[2-3]。张鸣等[4]研究发现不同水化龄期和水化条件会形成不同形态的钙矾石；石膏不足和反应未达到平衡时生成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)，能够与溶液中的氢氧化钙发生二次反应，形成钙矾石。Glasser F P等[5]研究发现硫铝酸盐水泥的水化产物取决于石膏的掺量，其中最主要的水化产物是钙矾石和AFm，同时还发现有铝相。Wang等[6]研究了0.3水灰比系列的水化特性，结果表明15%～20%的石膏掺量在1天水化龄期主要生成钙矾石，石膏掺量大于25%时，水化产物滞后生成，同时试块发生膨胀。要秉文等[7]研究发现，石膏掺量存在一个最佳值：石膏不足时生成的钙钒石会转化成AFm；石膏掺量过大，会影响水泥水化，从而影响强度；只有适宜的石膏掺量，才能促进水泥水化，形成较密实的结构，进而提高强度。

本文以最大粒径小于15 μm的超细硫铝酸盐水泥熟料为研究对象，在1.5的水灰比条件下，测定了不同石膏掺量下CSA水泥的凝结时间和抗压强度，并采用拉曼光谱技术，研究了石膏掺量对超细硫铝酸盐水泥的物理性能和水化硬化规律的影响。

1 实验

1.1 原材料

硫铝酸盐水泥(CSA)熟料取自焦作华岩水泥厂，其化学成分和矿物成分见表 1～2。石膏由焦作华岩水泥厂提供，由拉曼光谱测试确定为硬石膏，其化学成分见表 3，经计算CaSO4的相对含量为85.19%。所用原材料经超细粉气流磨进行分级后,CSA水泥熟料和石膏的比表面积分别为897.11、540.24 m2/kg。

表1 硫铝水泥熟料的化学成分 w%

表2 硫铝水泥熟料的矿物组成 w%

表3 硬石膏的化学组成 w%

1.2 试样制备

在超细硫铝酸盐水泥熟料中分别掺入0、10%、20%、30%、35%、40%和50%的硬石膏，制得硫铝酸盐水泥，分别编号为UG00、UG010、UG020、UG030、UG035、UG040 和UG050。以水灰比1.5加水调成水泥净浆，成型20 mm×20 mm×20 mm的试块，室温预养24 h脱模，再放入标准养护室(100%RH、20℃)中养护至规定龄期，制得水泥水化物。

1.3 测试方法

1)凝结时间测试：按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GBT 1346-2011)进行测试。

2)力学性能测试：采用型号为WDW-20电子式试验机进行测试，试件尺寸20 mm×20 mm×20 mm，水灰比为1.5。

3)拉曼测试：采用英国Renishaw公司生产的inVia激光显微拉曼光谱仪。测试中使用514 nm的激光束，曝光时间60 s，扫描范围为100～4 000 cm-1，扫描3次。

2 结果分析与讨论

2.1 水泥的物理性能分析

试验对不同石膏掺量下的CSA水泥进行了凝结时间测试和抗压强度测试，结果如表4所示。

由表4结果知，石膏掺量的变化对初凝和终凝时间的影响很大：随着石膏掺量的增加，初凝和终凝时间先迅速缩短，而后变化不大。与未掺石膏的初终凝时间进行对比，10%的石膏掺量下缩短了58%；20%的石膏掺量下缩短了74%；石膏掺量在30%～40%时，凝结时间缩短率基本维持在75%～80%；石膏掺量为50%时，凝结时间略微增大，缩短率为73%。

表4 水泥的凝结时间和抗压强度

对比抗压强度，发现CSA水泥各龄期抗压强度随石膏掺量的增加先减小后增大：当石膏掺量为35%时，强度达到最高值，这与理论计算值37.35%比较接近；继续增加石膏掺量，强度反而下降。同时，从表中结果可以看出，超细硫铝酸盐水泥1d抗压强度就能达到28d强度的60%，展现出了良好的早强特性。分析CSA水泥早期抗压强度较高的原因，主要有以下两个方面：一是水泥体系中含有具有早强型特性的矿物，硫铝酸钙；二是熟料中的氧化钡，能够固溶在C2S中，加大晶面间距，从而激发C2S的活性[8]。

2.2 水化产物分析

因此，由拉曼光谱分析知，石膏掺量的增加会加快CSA水泥水化进程，同一龄期下钙钒石生成量增多；纯水泥熟料的水化产物以AFm为主，掺入石膏后，钙钒石的生成量大大增加，35%以下的石膏掺量在水化前期有AFm生成，且随着石膏掺量的增加，AFm特征峰消失提前；石膏掺量为35%时，钙钒石能够持续稳定生成；35%以上的石膏掺量，石膏有剩余。