水滑石/粉煤灰对注浆早强性能的影响研究

杨成梅，谢 竺

（乌鲁木齐职业大学 应用工程学院，新疆 乌鲁木齐830002）

前 言

水泥作为主要的建筑材料，被广泛用于各类建造场所，这就奠定了水泥及其衍生物在建筑行业的主导地位。但普通水泥在24h前强度发展较缓慢，水泥的改性显得尤为重要。目前最经济有效的改性方法是添加外加剂，其中早强剂因性能优良被广泛使用[1～2]。但目前市面上的早强剂，大多存在碱含量多的问题，进而对混凝土的耐久性产生不利影响。市场上早强剂大致可分为三类：无机类、复合类和有机类。无机类价格低廉，且早强性能优异，但无机类中包含大量的Cl-和离子，从而极易腐蚀混凝土中的钢筋。而为了解决早强水泥成本高的问题，人们在水泥中掺入部分粉煤灰替代，以此降低成本。但粉煤灰的使用需要在碱性激活后释放出发挥作用的组分SiO2及Al2O3,且单独使用时仍然存在很多问题，需要和其他添加剂复合使用[3～5]。由此，人们尝试将水滑石（Ca-Al-Cl LDH）（化学通式：结合粉煤灰掺入到水泥中，进而改善混凝土的性能。而之所以加入水滑石，是因为这种物质是一种双层的碱性黏土材料，能很好地改善混凝土的性能[6,7]。目前关于早强剂的研究中，人们开始改变以往单一的掺入，而在掺入水滑石的基础上，掺入复合有机或无机早强剂。但实验发现，水滑石结合TIPA等早强剂虽然可改善水泥早期的强度，但是提升的比例不大。因此本研究以水滑石作为主要的早强材料，在单掺传统有机早强剂的思路上，提出有机-无机早强剂联合水滑石和粉煤灰，进而探讨掺入后的改进性能，改变传统硅酸盐水泥性能，为提升混凝土性能提供有益的实验实践。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验采用的材料见表1所示。

表1实验主要化学材料Table 1 The main chemical materials for the experiment

1.2 实验设备

本实验主要采用的设备见表2所示。

表2实验主要设备Table 2 The main experimental equipment

1.3 实验思路

本实验的试验思路是以Ca-Al-Cl LDH作为主要早强剂，然后在该早强剂中掺入复合早强剂，并联合粉煤灰和少量的羧酸减水剂掺入水泥中，以查看水泥性能。其中，在Ca-Al-Cl LDH的制备中，参考马梦晓（2019）的实验，采用乙醇-水热法，以氢氧化钠、氯化钙、氯化铝作为原材料进行制备，最后对制备好的水泥性能进行分析。

1.4 测定指标

本实验主要测定以下几个指标：

1.4.1 抗压强度

将水泥浆体倒入70mm×70mm×70mm塑料三联模具中，在20℃、97%湿度下进行恒温恒湿养护12h。取养护试件放在压力试验机上，实验三次，最后取抗压强度的平均值。抗压强度计算公式为：

其中，f表示抗压强度；A表示受压面积；P为破坏荷载。

1.4.2 流动度

取600g水泥及外加剂，加入210g水搅拌2min，然后将混合的浆体倒入模具中，一边按下计时器，一边将水泥浆竖直提起。记录30s水泥浆互相垂直的两个流淌部分的最大直径，并根据该测量长度计算平均值。

1.4.3 初凝时间

初凝时间是指水泥从加水到开始失去塑性的时间。本实验采用维卡仪对初凝时间进行测定，具体则是将初凝试针安装在滑动杆的下方，下降到水泥表面，拧紧螺丝后让试针缓慢降落，直到不能再降，记录试针与底板的距离。每5min重复以上测量，直到试针与底板距离在3～5mm时停止。

1.4.4 SEM与XRD分析

通过表2的扫描电子显微镜和X射线衍射仪对制备的水泥试件进行分析，从而得到物质的微观结构和含量。

2 实验结果

为研究掺入Ca-Al-Cl LDH、有机-无机与粉煤灰后对水泥性能的影响，设定水灰比为0.35，然后采用单掺和递进复掺的方法向水泥中加入粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH等早强剂。

2.1 单掺水滑石的水泥试件抗压强度

单掺Ca-Al-Cl LDH，并测定水泥试件在1d后的抗压强度，具体如图1所示。

图1水滑石掺量对水泥试件抗压强度的影响Fig.1 The effect of hydrotalcite content on the compressive strength of cement specimens

根据抗压强度测试结果看出，当单掺的Ca-Al-Cl LDH量为2%时，得到的抗压强度最大，为13.5MPa。此后随着掺量的增加，抗压强度不断减小。

2.2 单掺TEA的水泥试件抗压强度

同样在水泥中单掺TEA早强剂，并通过公式（1）计算1d试件的抗压强度，得到表3的结果。

表3 TEA掺量对水泥试件抗压强度的影响Table 3 The influence of TEA content on the compressive strength of cement specimens

通过表3的结果看出，随着TEA有机早强剂掺量的增多，水泥试件的抗压强度也在不断增大，当TEA早强剂的掺量在0.03%时，得到的抗压强度最高，为8.6MPa。

2.3 单掺粉煤灰的水泥试件抗压强度

根据以上方法，在水泥中单掺入粉煤灰，然后养护1d，通过压力试验机测试水泥试件的抗压强度。通过计算得出表4所示的结果。

表4不同粉煤灰掺量下的试件抗压强度Table 4 The compressive strength of specimens with different fly ash contents

根据表4的统计结果看出，粉煤灰掺量设定为20%时，得到的水泥试件的抗压强度最大，为7.1MPa。

2.4 复配试验结果

2.4.1 复配方案

在上述单掺试验方案的基础上，采用复配的方式探讨不同组分协同作用下对水泥试件性能的影响。具体复配方案见表5所示。

表5早强剂复配方案Table 5 The compound scheme of early strength agent

2.4.2 抗压强度测试结果

通过上述的试验方案，得到表6所示的试件抗压强度测试结果。

表6抗压强度计算结果Table 6 The calculation results of compressive strength

从表6的实验结果看到，在单独掺入粉煤灰的基础上，依次加入Ca-Al-Cl LDH、TEA以及减水剂PC，得到水泥试件的抗压强度由最初的7.1MPa逐渐上升到了17.9MPa，说明粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH、TEA等复合使用对提高水泥试件的抗压强度具有协同加强效果，其中实验组D的抗压强度最好，对应的复合配比为粉煤灰20%+Ca-Al-Cl LDH 2%+TEA 0.02%+PC 0.2%。

2.4.3 流动度与初凝时间

作为水泥性能的另外重要指标，通过流动度测量和初凝时间测量，得到表7的结果。

表7不同实验浆体的流动度与初凝时间Table 7 The fluidity and initial setting time of different slurries

从测试结果看到，D组与A组相比，流动性提高接近3倍。而使得水泥净浆流动性提高原因主要为两方面：一是减水剂和水泥表面均有负电荷，根据同性相斥的原理，水泥可以进一步分散；二是粉煤灰是一种粒径较小的球体，可以均匀地分布在水泥中减少水分的滞留[8～9]。而在初凝时间方面，不同对比试验组的初凝时间比较接近，说明在掺入早强剂和减水剂后，对水泥浆体初凝时间的影响不大，甚至初凝时间有一定的减少。

2.4.4 微观结构的分析

（1）X射线衍射分析（XRD）

取A、C、D三组水泥净浆经过1d标准养护后，得到的XRD图谱如图2所示。

对比同组别的图谱可以发现，在钙矾石的衍射峰在18（2θ）位置处，可观察到实验组的峰高要明显的高于其他两组；CH结构在30（2θ）处的衍射峰有类似的现象；而在34（2θ）处的衍射峰以及C3S结构的衍射峰均要略低于其他两组；对于C2S结构的衍射峰来说，实验组的峰高则位于对照组和基准组之间；这就代表，粉煤灰、水滑石以及TEA的复合使用对标准养护1d的水泥来说有较大的促水化作用[10]。换句话说，粉煤灰与水滑石的复合作用促进了水泥熟料中C3S的水化反应。而促进的主要原因，一是因为粉煤灰的掺入增加了成核位点，水化得到的胶体C-S-H除了在未反应的熟料表面生长，还可以在粉煤灰颗粒表面生长，促进了水泥熟料的反应；二是因为水滑石的碱性对粉煤灰的激发作用，使其释放出活性成分SiO2和Al2O3与早期的水化产物Ca（OH）2作用生成水化C-S-H；此外，细小的粉煤灰和水滑石可以同时填充到水泥浆体中，使其原始堆积密度升高，减小缝隙，填充的水化产物减少。这些都是粉煤灰和水滑石协同使用促进早期强度提升的重要因素。

图2粉煤灰-水滑石的XRD图谱Fig.2 The XRD patterns of fly ash-hydrotalcite

2.4.5 扫描电镜（SEM）分析

图3 A组SEM图Fig.3 The SEM image of group A

图4 D组SEM图Fig.4 The SEM image of group D

A和D在标准养护1d后的扫摸电镜结果如果图3和4所示。

从A组和D组SEM结果分别看到，A组的结构是疏松多孔的，并且表面主要存在少量的棒状晶体，这些晶体的结构主要是C-S-H以及AFt晶体；而D组微观结构是几乎无空隙的紧密排列，并且表面可以观察到部分白色片状晶体，这些晶体的结构主要是CH晶体以及AFt晶体，这些结果与前面XRD分析结果一致。

3 结语

综上发现,粉煤灰可提供大量成核位点，水滑石可促进粉煤灰中活性物质的释放并为其提供碱性，因此二者的复合使用不仅对早期强度有很好的提升效果，而且可以促进C-S-H的大量生成，降低浆体的孔径。此外，二者均可通过吸水作用提高水泥的密度，得到的浆体通过流动性、初凝时间的检测判断其可以很好地满足水泥的泵送条件,所以水滑石/粉煤灰复合注浆可以很好地降低早强水泥的成本并提高其性能。