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水泥特性对低碱液体速凝剂的适应性影响

作者:吴华明,张建纲,于诚,陆海梅  发布:2017/7/12  浏览:
单位:

摘 要:江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京211103)摘要: 结合水泥的物理和化学特性,探讨其对液体速凝剂的适应性影响,并通过SEM、XRD 等手段进行了机理分析。结果表明: 铝酸盐液体速凝剂在C3A 含量较低和标准稠度用水量较低的水泥中适应性较差,需要大幅度提高速凝剂掺量才能满足凝结时间要求。经过硅酸盐改性的液体速凝剂表现出更好的适应性,但是在C3 S、硫酸盐含量较低的水泥中,砂浆早期强度较低。

0 引言

我国幅员辽阔、山脉纵横,铁路、公路和水电等大型基础设施在进行大规模建设时,隧道的施工量巨大[1]。同时,随着国家对基础设施建设耐久性和环保性等要求的提高,采用液体速凝剂的湿喷技术将逐步取代传统的干喷技术[2 - 4]。由于我国水泥产量大、生产企业多、材料来源广且不同水泥矿物及其化学成分存在着差异,此外,混合材也广泛地应用于水泥生产中,受到矿物掺合材的种类和品质的影响,混凝土外加剂的适应性问题较为突出[5]。速凝剂的水泥适应性问题成为困扰化学外加剂开发人员和工程技术人员的重要难题。

液体速凝剂与水泥的适应性受水泥的性能和速凝剂的组分影响显著,表现为不同的水泥所需要的速凝剂掺量、所需凝结时间以及混凝强度发展变化差异很大。适应性问题是液体速凝剂的研究重点之一。文献[6 - 7]认为水泥中的调凝石膏是铝酸类速凝剂适应性问题的主要影响因素,文献[8 - 9]认为水泥中的硫酸盐以及温度等是影响液体速凝剂适应性的主要原因。然而,已有文献对于速凝剂与水泥适应性的表现主要关注在凝结时间上,而对于适应性的另一种表现———力学性能关注较少。在探究其原因时也主要集中在石膏、可溶性硫酸盐等条件的影响,而对水泥其他矿物组分对适应性的影响研究较少。本文从水泥的矿物组分和物化性能等方面出发,综合分析了不同水泥与液体速凝剂之间的适应性,并探索了造成凝结时间以及早期强度差异的机理和原因。

1 原材料与试验方法

1. 1 原材料

1) 水泥。选取了基准水泥P•I 42. 5、江南小野田水泥P•Ⅱ52. 5、芜湖海螺水泥P•O 42. 5、鹤林水泥P•O 42. 5和泰隆水泥P•O 42. 5 进行试验。水泥的基本物理性能见表1,采用X 射线衍射( XRD) 定量分析方法测定的水泥矿物组成见表2。

表1 水泥物理性能

表2 XRD 定量分析水泥矿物组成

2) 标准砂。厦门艾思欧标准砂有限公司生产,符合GB /T 17671 中有关ISO 标准砂的规定。

3) 液体速凝剂。江苏苏博特新材料股份有限公司生产的低碱型液体速凝剂SN1 和SN2。其中,SN1为铝酸盐类液体速凝剂,含固量52%; SN2 为硅酸盐改性的铝酸盐液体速凝剂,含固量50%。

1. 2 试验方法

1) 水泥净浆凝结时间及砂浆强度。参照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行凝结时间和砂浆强度试验。

2) 水泥矿物组成分析。采用德国Bruker AXS 生产的D8 ADVANCE X 射线衍射仪( XRD) 定量分析、测试不同水泥的矿物组成,使用CuKα 辐射、石墨单色器,步长( ° 2Th) 0. 02,扫描范围( ° 2Th) 为5. 00 ~70. 00,测试温度为25 ℃。

3) 水化产物分析。采用X 射线衍射仪( XRD) 和美国FEI 公司生产的QUANTA 250 扫描电子显微镜观察、测试不同水泥净浆终凝以及1 d 时的水化产物及其形貌。

2 试验结果与分析

2. 1 水泥凝结时间及砂浆强度

分别对比不同水泥使用2 种速凝剂的凝结时间及胶砂强度,试验结果见表3 和表4。按照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行试验,1d 和28 d 强度值为绝对值,28 d 强度比为与基准砂浆( 不掺速凝剂) 的抗压强度比。

表3 凝结时间

表4 砂浆强度

凝结时间试验结果表明,2 种液体速凝剂在不同水泥中表现出非常显著的适应性差异。结合水泥的物理性能分析可以发现,当满足JC 477—2005 对于凝结时间的要求时,标准稠度用水量( 以下简称标稠用水量) 较高的水泥需要的液体速凝剂掺量较低,而标稠用水量较低的水泥需要的液体速凝剂掺量较高。结合水泥矿物组成分析,C3A 含量较高的水泥需要的液体速凝剂掺量较低,而C3A 含量较低的水泥则需要较高的速凝剂掺量。2 种速凝剂在不同水泥中也表现出较明显的差异,SN2 在凝结时间方面表现出较好的适应性,尤其是在C3A 含量较低的水泥中,其所需掺量明显低于SN1。

在砂浆强度方面,不同的水泥和液体速凝剂也表现出一定的适应性差异: SN1 普遍表现为较高的早期强度和后期强度; 在相同的水泥中使用SN2,砂浆各龄期强度均低于SN1,尤其是在C3S 含量较低的水泥中,早期强度下降的更为明显,甚至不能满足相关标准的要求。

2. 2 水化产物分析

针对以上凝结时间和砂浆强度表现出的适应性问题,选取基准水泥和泰隆水泥分别掺入SN1 和SN2 进行了微观分析和测试。采用扫描电镜和XRD 分析水泥在掺速凝剂后15 min 和1 d 时的水化产物发展变化情况,试验中2 种速凝剂在基准水泥中的掺量均为3%,在泰隆水泥中的掺量均为4%。

采用SN1 速凝剂时,所得扫描电镜试验结果如图1—4 所示。由图1 和图2 可以看出,采用SN1 速凝剂时,2种水泥在15 min 时的主要水化产物均为片状的水化铝酸钙( 其中基准水泥中还有少量的针棒状钙矾石,泰隆水泥的水化产物中六方片状铝酸钙的量较少,钙矾石含量也非常少) ,此时并未达到终凝。在图3和图4 中,当水化龄期到1 d 时,2种水泥的水化产物中均出现了花簇状的水化硅酸钙,而且相差并不明显,因此,其1 d 强度相差也不明显。

图1 基准水泥/SN1 速凝剂15 min

图2 泰隆水泥/SN1 速凝剂15 min

图3 基准水泥/SN1 速凝剂1 d

图4 泰隆水泥/SN1 速凝剂1 d

采用SN2 速凝剂时,所得扫描电镜试验结果如图5—8 所示。由图5 和图6 可以看出,当使用SN2 时,2种水泥的水化产物较使用SN1 时区别较大。由于SN2中含有部分活性硅酸盐组分,在15 min 时,2种水泥的主要水化产物较使用SN1 时明显增多,而且水化产物中不但有片状的水化铝酸钙,在铝酸钙之间还出现了部分非晶态的水化硅酸钙。因此,SN2 表现出更加优异的凝结时间性能。对比2 种水泥的水化产物,泰隆水泥颗粒表面的水化产物更为致密,水化硅酸钙的含量更多,导致水分和离子传输困难; 而在基准水泥中,由于其C3A 含量较高,水泥完成凝结时表面晶体状的水化产物较多,致密度较差,容易形成水分和离子传输的通道。当继续水化至1 d 时( 见图7 和图8) ,基准水泥出现了针棒状钙矾石、C - S - H 凝胶以及大量的片状氢氧化钙,而泰隆水泥的水化产物较15 min 时变化不明显,可能是由于初期形成的水化产物过于致密,严重影响了水分和离子的扩散,延缓其进一步水化。

图5 基准水泥/SN2 速凝剂15 min

图6 泰隆水泥/SN2 速凝剂15 min

图7 基准水泥/SN2 速凝剂1 d

图8 泰隆水泥/SN2 速凝剂1 d

采用SN1 速凝剂时,所得XRD 分析结果如图9—12 所示。由图9 和图10 可以看出,掺有SN1 速凝剂的浆体在水化15 min 时的主要水化产物为钙矾石( AFt)和氢氧化钙,说明水泥的终凝主要是速凝剂中的铝酸盐与水泥溶解出的SO42 -、Ca2 + 反应以及水泥自身铝酸钙矿物的水化。而当龄期到达1 d 时,由于速凝剂中的活性组分已经消耗完成,水泥自身的水化起到了主要作用,同时,速凝剂引入的碱金属离子会在一定程度上促进水泥的水化,但其水化产物主要来自于水泥矿物本身的水化。到1 d 龄期时,水化产物中氢氧化钙衍射峰较终凝时明显增强,C3S 衍射峰减弱,见图11 和图12,表明水泥矿物中的C3S 水化程度有较大幅度的提高。

图9 基准水泥/SN1 速凝剂15 min

图10 泰隆水泥/SN1 速凝剂15 min

图11 基准水泥/SN1 速凝剂1 d

图12 泰隆水泥/SN1 速凝剂1 d

采用SN2 速凝剂时,所得XRD 分析结果如图13—16 所示。由图13 和图14 可以看出,与使用SN1相比: 1) 掺有SN2 速凝剂的浆体在水化15 min 时,基准水泥的C3S 衍射峰明显减弱,表明C3S 水化程度提高; 2) 钙矾石衍射峰减弱表明SN2 并不是通过生成钙矾石促凝; 3) 泰隆水泥的C3S 衍射峰变化程度小于基准水泥。由图15 和图16 可以看出,当龄期到1 d 时,C3S 衍射峰都有一定程度地减弱,氢氧化钙衍射峰增强,这种现象在基准水泥中表现更为突出。由此可见,在掺有SN2 的情况下,1d 龄期时基准水泥的水化程度更高。

图13 基准水泥/SN2 速凝剂15 min

图14 泰隆水泥/SN2 速凝剂15 min

图15 基准水泥/SN2 速凝剂1 d

图16 泰隆水泥/SN2 速凝剂1 d

2. 3 适应性分析与讨论

水泥的标稠用水量与速凝剂的水泥适应性表现出明显的相关性。试验所选的几种水泥中,标稠用水量较高的鹤林水泥和泰隆水泥需要较高的速凝剂掺量才能满足凝结时间要求。标稠用水量受到水泥矿物组成和粒度分布等因素的影响[10]。当采用相同的用水量测试凝结时间时,标稠用水量低的水泥凝结时间会延长。同理,在速凝剂试验中,标稠用水量低的水泥浆体自由水含量高,浆体稠化和自由水消耗的时间就会延长。为了达到凝结时间的要求,需提高速凝剂的掺量,增加活性组分的含量,从而消耗更多的自由水。

水泥生产一般通过调节硫酸盐( 主要是石膏) 的含量来满足其凝结时间要求,使硫酸盐与C3A 处于相对平衡的状态[11 - 12]。而水泥水化速凝主要取决于水泥矿物中C3A 的含量以及C3A 与石膏的相对含量,速凝剂的主要作用就是改变这种平衡[13 - 14],其主要水化反应为:

2NaOH + CaSO4 = Ca( OH)2 + Na2SO4;2NaAlO2 + CaO +7H2O =3CaO•Al2O3•6H2O +2NaOH。

若水泥中本身的C3A 含量较低,其硫酸盐组分也会相应地降低来满足凝结时间要求,此时加入少量的速凝剂虽然能够打破这种平衡,但其活性铝酸盐( 速凝剂中的铝酸盐与C3A) 总量不足,不能形成完整的网络结构,水泥颗粒不能完成搭接,消耗自由水缓慢,因此不足以使浆体速凝,需要增加速凝剂的用量才能满足速凝要求。在铝酸盐含量较低的水泥中,由于水泥自身凝结时间的需要,相应石膏含量也较低。这种情况下,以水化铝酸钙、钙矾石为主要水化产物的铝酸盐速凝剂表现较差,需要大幅度地提高速凝剂掺量才能满足凝结时间的要求。速凝剂中引入活性的硅酸盐组分后,硅酸盐组分能够迅速地与水泥中溶解出的Ca2 +反应,生成硅酸钙凝胶,其非常高的比表面积能够迅速消耗浆体中的自由水,使其迅速凝结。同时,这种液相反应中产生的水化硅酸钙能够作为晶核进一步地促进水泥矿物的水化[15]。但是,这种活性硅酸盐的水化反应速度非常快,会在水泥颗粒表面形成致密的水化硅酸钙层,阻止水分向水泥颗粒内部扩散和熟料中离子的向外扩散,因此会降低终凝至1 d 期间的水化速率,进而降低砂浆的1 d 强度。此时,若水泥本身的C3A、C3S 含量较高,水化早期生成的晶体状水化铝酸钙矿物较多( 由于晶体生长具有明显的取向性,容易在水泥颗粒表面形成水分、离子可以自由传输的通道) ,因此其强度受到的影响相对较小[10],反之就会影响其早期强度。

3 结论与讨论

通过水泥的物理化学性能分析以及凝结时间、砂浆强度等试验,分析了不同水泥与低碱型液体速凝剂的适应性,并通过微观测试方法分析了适应性差异的机理和原因,得出以下主要结论。

1) 在水灰比相同的条件下,标准稠度用水量较低的水泥,表现为自由水较多,凝结时间长,需要提高速凝剂的掺量满足凝结时间要求。

2) 当水泥中C3A、硫酸盐含量较低时,以水化铝酸钙、钙矾石为主要水化产物的铝酸盐速凝剂适应性变差,需要大幅度提高掺量。而经过硅酸盐改性的液体速凝剂由于其能够与钙离子反应生成C - S - H 凝胶,消耗大量的自由水,因此能够缩短凝结时间,表现出较好的适应性。

3) 与铝酸盐速凝剂相比,硅酸盐改性的液体速凝剂早期强度较低,主要是由于早期生成C - S - H 凝胶阻碍了水分和离子的传输。

本文通过几种组分差异较大的水泥研究了2 种速凝剂在水泥中的适应性问题,研究结果表明,速凝剂的适应性不仅仅取决于C3A 和硫酸盐含量,与水泥中的C3S 含量以及需水量等物理性能也密切相关。然而,不同的水泥由于其烧成制度、混合材种类等差异较大,影响速凝剂适应性的因素非常复杂,仍需要进一步深入研究。在工程应用方面,喷射混凝土作为一种特殊的施工方式,在原材料的选择上应综合考虑水泥与速凝剂的适应性,既而有利于保证工程质量的同时节约成本。

摘自:隧道建设

水泥特性对低碱液体速凝剂的适应性影响

作者:吴华明,张建纲,于诚,陆海梅  发布:2017/7/12  浏览:
单位:

摘 要:江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京211103)摘要: 结合水泥的物理和化学特性,探讨其对液体速凝剂的适应性影响,并通过SEM、XRD 等手段进行了机理分析。结果表明: 铝酸盐液体速凝剂在C3A 含量较低和标准稠度用水量较低的水泥中适应性较差,需要大幅度提高速凝剂掺量才能满足凝结时间要求。经过硅酸盐改性的液体速凝剂表现出更好的适应性,但是在C3 S、硫酸盐含量较低的水泥中,砂浆早期强度较低。

0 引言

我国幅员辽阔、山脉纵横,铁路、公路和水电等大型基础设施在进行大规模建设时,隧道的施工量巨大[1]。同时,随着国家对基础设施建设耐久性和环保性等要求的提高,采用液体速凝剂的湿喷技术将逐步取代传统的干喷技术[2 - 4]。由于我国水泥产量大、生产企业多、材料来源广且不同水泥矿物及其化学成分存在着差异,此外,混合材也广泛地应用于水泥生产中,受到矿物掺合材的种类和品质的影响,混凝土外加剂的适应性问题较为突出[5]。速凝剂的水泥适应性问题成为困扰化学外加剂开发人员和工程技术人员的重要难题。

液体速凝剂与水泥的适应性受水泥的性能和速凝剂的组分影响显著,表现为不同的水泥所需要的速凝剂掺量、所需凝结时间以及混凝强度发展变化差异很大。适应性问题是液体速凝剂的研究重点之一。文献[6 - 7]认为水泥中的调凝石膏是铝酸类速凝剂适应性问题的主要影响因素,文献[8 - 9]认为水泥中的硫酸盐以及温度等是影响液体速凝剂适应性的主要原因。然而,已有文献对于速凝剂与水泥适应性的表现主要关注在凝结时间上,而对于适应性的另一种表现———力学性能关注较少。在探究其原因时也主要集中在石膏、可溶性硫酸盐等条件的影响,而对水泥其他矿物组分对适应性的影响研究较少。本文从水泥的矿物组分和物化性能等方面出发,综合分析了不同水泥与液体速凝剂之间的适应性,并探索了造成凝结时间以及早期强度差异的机理和原因。

1 原材料与试验方法

1. 1 原材料

1) 水泥。选取了基准水泥P•I 42. 5、江南小野田水泥P•Ⅱ52. 5、芜湖海螺水泥P•O 42. 5、鹤林水泥P•O 42. 5和泰隆水泥P•O 42. 5 进行试验。水泥的基本物理性能见表1,采用X 射线衍射( XRD) 定量分析方法测定的水泥矿物组成见表2。

表1 水泥物理性能

表2 XRD 定量分析水泥矿物组成

2) 标准砂。厦门艾思欧标准砂有限公司生产,符合GB /T 17671 中有关ISO 标准砂的规定。

3) 液体速凝剂。江苏苏博特新材料股份有限公司生产的低碱型液体速凝剂SN1 和SN2。其中,SN1为铝酸盐类液体速凝剂,含固量52%; SN2 为硅酸盐改性的铝酸盐液体速凝剂,含固量50%。

1. 2 试验方法

1) 水泥净浆凝结时间及砂浆强度。参照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行凝结时间和砂浆强度试验。

2) 水泥矿物组成分析。采用德国Bruker AXS 生产的D8 ADVANCE X 射线衍射仪( XRD) 定量分析、测试不同水泥的矿物组成,使用CuKα 辐射、石墨单色器,步长( ° 2Th) 0. 02,扫描范围( ° 2Th) 为5. 00 ~70. 00,测试温度为25 ℃。

3) 水化产物分析。采用X 射线衍射仪( XRD) 和美国FEI 公司生产的QUANTA 250 扫描电子显微镜观察、测试不同水泥净浆终凝以及1 d 时的水化产物及其形貌。

2 试验结果与分析

2. 1 水泥凝结时间及砂浆强度

分别对比不同水泥使用2 种速凝剂的凝结时间及胶砂强度,试验结果见表3 和表4。按照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行试验,1d 和28 d 强度值为绝对值,28 d 强度比为与基准砂浆( 不掺速凝剂) 的抗压强度比。

表3 凝结时间

表4 砂浆强度

凝结时间试验结果表明,2 种液体速凝剂在不同水泥中表现出非常显著的适应性差异。结合水泥的物理性能分析可以发现,当满足JC 477—2005 对于凝结时间的要求时,标准稠度用水量( 以下简称标稠用水量) 较高的水泥需要的液体速凝剂掺量较低,而标稠用水量较低的水泥需要的液体速凝剂掺量较高。结合水泥矿物组成分析,C3A 含量较高的水泥需要的液体速凝剂掺量较低,而C3A 含量较低的水泥则需要较高的速凝剂掺量。2 种速凝剂在不同水泥中也表现出较明显的差异,SN2 在凝结时间方面表现出较好的适应性,尤其是在C3A 含量较低的水泥中,其所需掺量明显低于SN1。

在砂浆强度方面,不同的水泥和液体速凝剂也表现出一定的适应性差异: SN1 普遍表现为较高的早期强度和后期强度; 在相同的水泥中使用SN2,砂浆各龄期强度均低于SN1,尤其是在C3S 含量较低的水泥中,早期强度下降的更为明显,甚至不能满足相关标准的要求。

2. 2 水化产物分析

针对以上凝结时间和砂浆强度表现出的适应性问题,选取基准水泥和泰隆水泥分别掺入SN1 和SN2 进行了微观分析和测试。采用扫描电镜和XRD 分析水泥在掺速凝剂后15 min 和1 d 时的水化产物发展变化情况,试验中2 种速凝剂在基准水泥中的掺量均为3%,在泰隆水泥中的掺量均为4%。

采用SN1 速凝剂时,所得扫描电镜试验结果如图1—4 所示。由图1 和图2 可以看出,采用SN1 速凝剂时,2种水泥在15 min 时的主要水化产物均为片状的水化铝酸钙( 其中基准水泥中还有少量的针棒状钙矾石,泰隆水泥的水化产物中六方片状铝酸钙的量较少,钙矾石含量也非常少) ,此时并未达到终凝。在图3和图4 中,当水化龄期到1 d 时,2种水泥的水化产物中均出现了花簇状的水化硅酸钙,而且相差并不明显,因此,其1 d 强度相差也不明显。

图1 基准水泥/SN1 速凝剂15 min

图2 泰隆水泥/SN1 速凝剂15 min

图3 基准水泥/SN1 速凝剂1 d

图4 泰隆水泥/SN1 速凝剂1 d

采用SN2 速凝剂时,所得扫描电镜试验结果如图5—8 所示。由图5 和图6 可以看出,当使用SN2 时,2种水泥的水化产物较使用SN1 时区别较大。由于SN2中含有部分活性硅酸盐组分,在15 min 时,2种水泥的主要水化产物较使用SN1 时明显增多,而且水化产物中不但有片状的水化铝酸钙,在铝酸钙之间还出现了部分非晶态的水化硅酸钙。因此,SN2 表现出更加优异的凝结时间性能。对比2 种水泥的水化产物,泰隆水泥颗粒表面的水化产物更为致密,水化硅酸钙的含量更多,导致水分和离子传输困难; 而在基准水泥中,由于其C3A 含量较高,水泥完成凝结时表面晶体状的水化产物较多,致密度较差,容易形成水分和离子传输的通道。当继续水化至1 d 时( 见图7 和图8) ,基准水泥出现了针棒状钙矾石、C - S - H 凝胶以及大量的片状氢氧化钙,而泰隆水泥的水化产物较15 min 时变化不明显,可能是由于初期形成的水化产物过于致密,严重影响了水分和离子的扩散,延缓其进一步水化。

图5 基准水泥/SN2 速凝剂15 min

图6 泰隆水泥/SN2 速凝剂15 min

图7 基准水泥/SN2 速凝剂1 d

图8 泰隆水泥/SN2 速凝剂1 d

采用SN1 速凝剂时,所得XRD 分析结果如图9—12 所示。由图9 和图10 可以看出,掺有SN1 速凝剂的浆体在水化15 min 时的主要水化产物为钙矾石( AFt)和氢氧化钙,说明水泥的终凝主要是速凝剂中的铝酸盐与水泥溶解出的SO42 -、Ca2 + 反应以及水泥自身铝酸钙矿物的水化。而当龄期到达1 d 时,由于速凝剂中的活性组分已经消耗完成,水泥自身的水化起到了主要作用,同时,速凝剂引入的碱金属离子会在一定程度上促进水泥的水化,但其水化产物主要来自于水泥矿物本身的水化。到1 d 龄期时,水化产物中氢氧化钙衍射峰较终凝时明显增强,C3S 衍射峰减弱,见图11 和图12,表明水泥矿物中的C3S 水化程度有较大幅度的提高。

图9 基准水泥/SN1 速凝剂15 min

图10 泰隆水泥/SN1 速凝剂15 min

图11 基准水泥/SN1 速凝剂1 d

图12 泰隆水泥/SN1 速凝剂1 d

采用SN2 速凝剂时,所得XRD 分析结果如图13—16 所示。由图13 和图14 可以看出,与使用SN1相比: 1) 掺有SN2 速凝剂的浆体在水化15 min 时,基准水泥的C3S 衍射峰明显减弱,表明C3S 水化程度提高; 2) 钙矾石衍射峰减弱表明SN2 并不是通过生成钙矾石促凝; 3) 泰隆水泥的C3S 衍射峰变化程度小于基准水泥。由图15 和图16 可以看出,当龄期到1 d 时,C3S 衍射峰都有一定程度地减弱,氢氧化钙衍射峰增强,这种现象在基准水泥中表现更为突出。由此可见,在掺有SN2 的情况下,1d 龄期时基准水泥的水化程度更高。

图13 基准水泥/SN2 速凝剂15 min

图14 泰隆水泥/SN2 速凝剂15 min

图15 基准水泥/SN2 速凝剂1 d

图16 泰隆水泥/SN2 速凝剂1 d

2. 3 适应性分析与讨论

水泥的标稠用水量与速凝剂的水泥适应性表现出明显的相关性。试验所选的几种水泥中,标稠用水量较高的鹤林水泥和泰隆水泥需要较高的速凝剂掺量才能满足凝结时间要求。标稠用水量受到水泥矿物组成和粒度分布等因素的影响[10]。当采用相同的用水量测试凝结时间时,标稠用水量低的水泥凝结时间会延长。同理,在速凝剂试验中,标稠用水量低的水泥浆体自由水含量高,浆体稠化和自由水消耗的时间就会延长。为了达到凝结时间的要求,需提高速凝剂的掺量,增加活性组分的含量,从而消耗更多的自由水。

水泥生产一般通过调节硫酸盐( 主要是石膏) 的含量来满足其凝结时间要求,使硫酸盐与C3A 处于相对平衡的状态[11 - 12]。而水泥水化速凝主要取决于水泥矿物中C3A 的含量以及C3A 与石膏的相对含量,速凝剂的主要作用就是改变这种平衡[13 - 14],其主要水化反应为:

2NaOH + CaSO4 = Ca( OH)2 + Na2SO4;2NaAlO2 + CaO +7H2O =3CaO•Al2O3•6H2O +2NaOH。

若水泥中本身的C3A 含量较低,其硫酸盐组分也会相应地降低来满足凝结时间要求,此时加入少量的速凝剂虽然能够打破这种平衡,但其活性铝酸盐( 速凝剂中的铝酸盐与C3A) 总量不足,不能形成完整的网络结构,水泥颗粒不能完成搭接,消耗自由水缓慢,因此不足以使浆体速凝,需要增加速凝剂的用量才能满足速凝要求。在铝酸盐含量较低的水泥中,由于水泥自身凝结时间的需要,相应石膏含量也较低。这种情况下,以水化铝酸钙、钙矾石为主要水化产物的铝酸盐速凝剂表现较差,需要大幅度地提高速凝剂掺量才能满足凝结时间的要求。速凝剂中引入活性的硅酸盐组分后,硅酸盐组分能够迅速地与水泥中溶解出的Ca2 +反应,生成硅酸钙凝胶,其非常高的比表面积能够迅速消耗浆体中的自由水,使其迅速凝结。同时,这种液相反应中产生的水化硅酸钙能够作为晶核进一步地促进水泥矿物的水化[15]。但是,这种活性硅酸盐的水化反应速度非常快,会在水泥颗粒表面形成致密的水化硅酸钙层,阻止水分向水泥颗粒内部扩散和熟料中离子的向外扩散,因此会降低终凝至1 d 期间的水化速率,进而降低砂浆的1 d 强度。此时,若水泥本身的C3A、C3S 含量较高,水化早期生成的晶体状水化铝酸钙矿物较多( 由于晶体生长具有明显的取向性,容易在水泥颗粒表面形成水分、离子可以自由传输的通道) ,因此其强度受到的影响相对较小[10],反之就会影响其早期强度。

3 结论与讨论

通过水泥的物理化学性能分析以及凝结时间、砂浆强度等试验,分析了不同水泥与低碱型液体速凝剂的适应性,并通过微观测试方法分析了适应性差异的机理和原因,得出以下主要结论。

1) 在水灰比相同的条件下,标准稠度用水量较低的水泥,表现为自由水较多,凝结时间长,需要提高速凝剂的掺量满足凝结时间要求。

2) 当水泥中C3A、硫酸盐含量较低时,以水化铝酸钙、钙矾石为主要水化产物的铝酸盐速凝剂适应性变差,需要大幅度提高掺量。而经过硅酸盐改性的液体速凝剂由于其能够与钙离子反应生成C - S - H 凝胶,消耗大量的自由水,因此能够缩短凝结时间,表现出较好的适应性。

3) 与铝酸盐速凝剂相比,硅酸盐改性的液体速凝剂早期强度较低,主要是由于早期生成C - S - H 凝胶阻碍了水分和离子的传输。

本文通过几种组分差异较大的水泥研究了2 种速凝剂在水泥中的适应性问题,研究结果表明,速凝剂的适应性不仅仅取决于C3A 和硫酸盐含量,与水泥中的C3S 含量以及需水量等物理性能也密切相关。然而,不同的水泥由于其烧成制度、混合材种类等差异较大,影响速凝剂适应性的因素非常复杂,仍需要进一步深入研究。在工程应用方面,喷射混凝土作为一种特殊的施工方式,在原材料的选择上应综合考虑水泥与速凝剂的适应性,既而有利于保证工程质量的同时节约成本。

摘自:隧道建设

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