高性能硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的制备及性能研究*

2021-09-13魏婧

功能材料 2021年8期

魏婧

(榆林学院建筑工程学院，陕西榆林 719000)

0 引言

目前，水泥混凝土已成为世界上用量最大、最广泛的建筑材料[1-2]。水泥混凝土的品质直接影响到了工程的使用寿命和安全性能。水泥按照组成可以分为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和低熟料水泥等[3-5]。硅酸盐水泥主要是指以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料、5%以下的石灰石或粒化高炉矿渣以及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥因其具有凝结硬化快、早期强度及后期强度高、抗冻性好、抗碳化性能好和耐磨性好等优点而广泛应用于高强混凝土和预应力混凝土工程[6-8]。但硅酸盐水泥也存在着一些缺点，如水化热大、耐腐蚀性差，不宜用于经常与流动淡水或硫酸盐等腐蚀介质接触的工程和大体积混凝土工程，这些问题也大大限制了硅酸盐水泥的应用[9-12]。硫铝酸盐水泥主要是以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的新型水泥，是当今世界上最主要的建筑用胶材料[13-14]。硫铝酸盐水泥具有高抗冻性能、良好的耐腐蚀性能、高抗渗性能和高早强性能等优点，这使得硫铝酸盐水泥可以广泛应用于抢修抢建工程、预制构件、玻璃纤维增强混凝土(GRC)制品、低温施工工程、抗海水腐蚀工程等[15-17]。随着研究者们对水泥化学理论研究的逐渐深入和检测手段的进步，人们开始着手于对两种及两种以上水泥进行复合，旨在将两种水泥的优点进行结合，从而制备出具有优异综合性能的复合胶凝体系[18-19]。丁向群等[20]制备了硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系，分析发现，随着硅酸盐水泥掺量的增大，硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系的凝结时间和强度先减小再增大。王洪镇等[21]研究了不同普通硅酸盐水泥掺量对硫铝酸盐水泥基复合胶凝体系的流动度、凝结时间和水泥砂浆强度等的影响，结果表明普通硅酸盐水泥掺量<50%(质量分数)时，普通硅酸盐水泥-低碱度硫铝酸盐水泥混合体系的凝结时间和流动度随着普通硅酸盐水泥掺量的增加而减小，强度则随着普通硅酸盐水泥掺量的增加先减小后增大，当掺量为40%(质量分数)时，水泥砂浆的强度达到了最大值。本文制备了硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系，通过调整两种水泥的配比，探究硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的力学性能和微观形貌。

1 实验

1.1 实验原材料

硫铝酸盐水泥：初凝时间30～50 min，终凝时间40～90 min，临沂市绿森化工有限公司，化学组成如表1所示；硅酸盐水泥：初凝时间>45 min，终凝<390 min,临沂市绿森化工有限公司，化学组成如表1所示；粉煤灰：南京热电厂生产的Ⅰ级灰，径粒在10～10.5μm；脱硫石膏：临沂市绿森化工有限公司。

表1 硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的化学组成

1.2 样品制备

水泥砂浆的成型按照《水泥胶砂强度》( GB/T17671 1991 )的要求进行操作。按照实验配合比称取硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、石膏，实验用自来水和外加剂制备样品，待试样制备成型后，放入标准养护箱养护24 h 后，拆模并放入标准养护箱中养护 1，3和28 d，然后对样品的抗压强度进行测试。制备的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的配比如表2所示。

表2 硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的配比

1.3 测试和表征

采用Bruker, DX2700B型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析；使用日立FE-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)显微结构进行分析；采用德国耐驰公司449F3型热失重分析仪对不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系进行测试分析，选择氮气作为保护气体，仪器循环水温控制为25 ℃，升温速率设定10 ℃/min，温度范围选定为25～1 100 ℃；水泥砂浆力学性能测试按照国标《水泥胶砂强度试验方法》( GB/T17671 1999)的要求进行操作，抗折抗压试验机的加压速度为2.4 kN/s 。

2 结果与讨论

2.1 硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的XRD分析

图1为不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系3和28 d的XRD图谱。从图1可以看出，硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系中主要检测到Ca(OH)2、Mulite、钙矾石(AFT)、水硫铝钙石(Kuzelite)、单硫型硫铝酸钙(AFm)和Ca3SiO5等产物相，在2θ=17.91和34°处出现的明显的衍射峰为Ca(OH)2的衍射峰，在2θ=26.17°处出现的是Mulite的衍射峰。当硫铝酸盐的掺量为0时，体系中Ca(OH)2的衍射峰最高，随着硫铝酸盐掺量的增加，体系水化产物中Ca(OH)2的峰均有降低趋势，说明Ca(OH)2的含量逐渐减少。对比图1(a)和(b)可以发现，Ca(OH)2的含量均较少，分析其原因可能是因为硫铝酸盐掺量的增加，硅酸盐水泥的量逐渐减少，使得溶液中的钙离子含量降低，从而产生的Ca(OH)2逐渐减少。

图1 不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系3和28 d的XRD图谱

2.2 硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的SEM分析

图2为不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系28 d的SEM图。从图2(a)～(d)可以看出，不同硫铝酸盐掺量的复合胶凝体系的结构致密性相差不大，随着硫铝酸盐掺量的增加，大量针状的钙矾石(AFT)的含量明显增加，块状的Ca3SiO5含量减少，这与XRD分析结果相对应。钙矾石(AFT)含量的增加，会导致复合胶凝体系整体结构在早期的硬化时间缩短，在早期会大大提升体系的强度；而钙矾石(AFT)的含量继续增加，会导致整个浆体膨胀，产生较多的微裂纹。可知硫铝酸盐的引入会对硅酸盐水泥有水化抑制作用，使Ca离子的含量降低，加速了水化产物的生成[22]。

图2 不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的SEM图

2.3 硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的TG-DTG分析

图3为不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的TG-DTG分析。

从图3(a)可以看出，复合胶凝体系在40～400 ℃温度范围内，出现了明显的失重现象，这是由毛细水蒸发导致的。从图3(b)可以看出，复合胶凝体系在400～550℃出现的吸热峰为Ca(OH)2分解对应的吸热峰，在 550～750 ℃范围内出现的吸热峰为CaCO3分解对应的吸热峰。由图3可知，4种硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的失重曲线规律较为相似，且掺杂硫铝酸盐水泥的复合胶凝体系的失重率均明显高于不掺杂的试样，当硫铝酸盐掺量为25%(质量分数)时，复合胶凝体系的失重最严重。这是因为Ca(OH)2的存在可以维持水泥内部的碱度，而随着硫铝酸盐水泥掺量的增加，水泥体系的碱度降低，Ca离子的饱和度也降低，进而使复合胶凝体系的失重现象加剧。

图3 不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的TG-DTG分析

2.4 硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系的力学性能分析

图4为不同硫铝酸盐掺量的硫铝酸盐-硅酸盐复合胶凝体系在1,3和28 d的抗压强度。从图4和表3可以看出，随着硫铝酸盐掺量的增加，复合胶凝体系在1,3和28 d的抗压强度均呈现逐渐增大的趋势。当硫铝酸盐的掺量为25%(质量分数)时，复合胶凝体系在28 d的抗压强度达到了最大值49.3 MPa，相比在1 d时36.5 MPa，增加了35.1%；此外，当硫铝酸盐掺量为25%(质量分数)时，复合胶凝体系的抗压强度在前期的上升速率为23.56%，远大于后期的9.31%。这是因为随着硫铝酸盐掺量的增加，AFT的含量明显增加，从而导致整体结构在早期的硬化时间缩短，对早期体系的强度有显著的提高；而继续增加硫铝酸盐，会产生较多的微裂纹，从而使强度的提升减慢。