硅酸鹽水泥水化歷程中化學(xué)外加劑的影響研究

＊王曉玲

（貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 550023）

硅酸鹽水泥水化歷程中化學(xué)外加劑的影響研究

＊王曉玲

（貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 550023）

隨著社會(huì)的發(fā)展，國際大型建筑工程不斷增加，給水泥工業(yè)帶來了極大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)水泥生產(chǎn)提出更高的要求。本文結(jié)合國內(nèi)外水泥研究的諸多優(yōu)秀成功，全面系統(tǒng)的研究化學(xué)外加劑作用下水泥的水化歷程及其漿體結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展規(guī)律，并深入探討化學(xué)外加劑對(duì)硅酸鹽水泥水化歷程影響。

硅酸鹽水泥；化學(xué)外加劑；水化歷程

硅酸鹽水泥在加入水之后會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)的結(jié)果是水泥和混凝土的硬化表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，在水泥水化歷程中，水泥水化、凝結(jié)與強(qiáng)度存在一定客觀的影響因素，其中化學(xué)外加劑發(fā)揮重要的調(diào)控作用。在實(shí)驗(yàn)室條件下，本文選取了幾種常見的化學(xué)外加劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，并記錄試驗(yàn)過程中水泥水化歷程中的各種參數(shù)，包括水化程度、體積穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間以及硬化力學(xué)性能等，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析來探討化學(xué)外加劑對(duì)水泥水化歷程的調(diào)控作用。在本文試驗(yàn)中，水灰比是固定。

1.鋁鹽對(duì)水泥水化歷程的影響

水泥工業(yè)中，鋁鹽類外加劑對(duì)水泥水化產(chǎn)生顯著的影響。鋁鹽類外加劑在特定化學(xué)環(huán)境下通過電離水解作用與水泥中的石膏作用，起到水泥速凝的作用。水泥漿體中CaSO4會(huì)受到鋁鹽類外加劑影響而迅速降低濃度，進(jìn)而促使C3A反應(yīng)，起到速凝作用。本文選擇實(shí)驗(yàn)室常用的硝酸鋁與硫酸鋁進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)鋁鹽對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

在固定水灰比下添加不同摻量的兩種鋁鹽，并記錄各自初凝與終凝時(shí)間。在特定水灰比下水泥空白樣的初凝和終凝時(shí)間分別為330min與470min。然后在兩份水泥樣中分別添加Al(NO3)3與Al2(SO4)3。其中Al2(SO4)3的摻量從0．5%、1%、1．5%到2．0%，在以上摻量狀態(tài)下水泥樣初凝的時(shí)間分別為150min、60min、15min與7min，終凝時(shí)間分別為255min、180min、110min與45min，而且在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著Al2(SO4)3摻量的增大，水泥凝結(jié)時(shí)間不斷縮短，到達(dá)2%的摻量時(shí)，水泥的初凝時(shí)間為7min，終凝時(shí)間為45分鐘。

此外對(duì)于Al(NO3)3而言，其實(shí)驗(yàn)過程與Al2(SO4)3類似，只是水泥凝結(jié)時(shí)間不同。在1%、2%、3%的摻量下，水泥初凝時(shí)間分別為195min、20min、7min，終凝時(shí)間分別為300min、60min、20min。由此可見，在相同的摻量下，Al2(SO4)3比Al(NO3)3對(duì)水泥的快速凝結(jié)效果更明顯。

(2)鋁鹽對(duì)水泥水化程度的影響

實(shí)驗(yàn)室研究水泥水化程度時(shí)，通常會(huì)選用化學(xué)結(jié)合水量作為實(shí)驗(yàn)觀察的主要參數(shù)。Al2(SO4)3與Al(NO3)3的不同摻量下，通過觀察不同水化齡期下化學(xué)結(jié)合水量，研究其各自對(duì)水泥水化程度的影響。在Al2(SO4)3試驗(yàn)中，隨著Al2(SO4)3的加入，水泥早期水化進(jìn)程較空白水泥樣提前。隨著實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行，Al2(SO4)3水泥樣中的化學(xué)結(jié)合水量不斷增加，在不同的時(shí)段，其化學(xué)結(jié)合水量的增長幅度與速度不同，在6h以內(nèi)時(shí)化學(xué)結(jié)合水量增長較快，6～12h增加趨于平緩，但12h之后又觀察到其緩慢增加。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在4h范圍之內(nèi)的實(shí)驗(yàn)階段，選擇相同的水化齡期，Al2(SO4)3摻量變化與化學(xué)結(jié)合水量呈線性關(guān)系，影響程度排序?yàn)椋?．5%＜1%,1．5%,2%，這說明，在實(shí)驗(yàn)條件下，同一水化齡期時(shí)，Al2(SO4)3的摻量越高水泥水化程度越高，也就是說，Al2(SO4)3摻量對(duì)水泥水化促進(jìn)作用越顯著。

與Al2(SO4)3不同，Al(NO3)3對(duì)水泥水化程度的影響分為兩個(gè)階段，在4h以內(nèi)的早起階段，Al(NO3)3的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)與Al2(SO4)3的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)基本一致，隨摻量的增加而化學(xué)結(jié)合水量增大，這說明Al(NO3)3在反應(yīng)早期對(duì)水泥的水化程度具有促進(jìn)影響。但在水泥漿體凝結(jié)后，實(shí)驗(yàn)觀察顯示，Al(NO3)3對(duì)水泥水化的影響并不明顯。

(3)鋁鹽對(duì)水泥水化體積穩(wěn)定性的影響

在對(duì)水泥水化體積穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究中，選擇干燥收縮率作為實(shí)驗(yàn)觀察參數(shù)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可看出，無論是Al2(SO4)3還是Al(NO3)3均對(duì)水泥的干燥收縮起到了促進(jìn)作用。在Al2(SO4)3水泥樣中，不同摻量對(duì)水泥干燥收縮的影響不同，0．5%與2．0%的摻量下，水泥干縮率在7d后出現(xiàn)迅速的變化，期干縮率明顯大于空白水泥樣。而在1．5%摻量下，水泥水化的前14d內(nèi)其體積變形緩慢，而在14d之后，水泥干縮率逐漸比空白水泥樣增大。對(duì)于Al(NO3)3水泥樣而言，以10d為分界線，10d之內(nèi)時(shí)，隨著Al(NO3)3摻量的增加，水泥干縮率降低，而水泥水化10d之后，隨著Al(NO3)3摻量的增加，水泥干縮率增加。從整體上來看，Al(NO3)3對(duì)水泥水化的干縮率具有促進(jìn)作用。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋁鹽類外加劑在水泥水化干縮率方面具有顯著的影響，其增大了水泥干縮率，但其對(duì)水泥混凝土制品的裂縫控制不利。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行分析可知，鋁鹽加速了水泥的凝結(jié)，但由于水泥凝結(jié)太快導(dǎo)致水泥凝結(jié)的初始結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)許多孔隙，水分遷移過程中干縮應(yīng)力增大。

(4)鋁鹽對(duì)水泥硬化程度的影響

在觀察水泥硬化程度的實(shí)驗(yàn)中，選擇抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)觀察分析的參數(shù)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在Al2(SO4)3水泥樣中，Al2(SO4)3對(duì)水泥強(qiáng)度具有一定的影響，但其影響結(jié)果卻與其摻量具有直接的關(guān)系。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水泥水化的早期，Al2(SO4)3確實(shí)能夠增加水泥的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，但不同摻量下表現(xiàn)出不同的效果。在1．5%以內(nèi)的摻量時(shí)，隨著摻量的增加，水泥抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度不斷增大；當(dāng)Al2(SO4)3摻量剛好達(dá)到1．5%時(shí)，水泥強(qiáng)度發(fā)展最好；當(dāng)Al2(SO4)3摻量超過1．5%時(shí)，水泥強(qiáng)度發(fā)展出現(xiàn)了下降的趨勢。這說明Al0(SO4)3對(duì)水泥強(qiáng)度的影響與其摻量具有直接的關(guān)聯(lián)，選擇最為合適的摻量有助于提升水泥硬化強(qiáng)度。在Al(NO3)3水泥樣的實(shí)驗(yàn)中，Al(NO3)3雖然能夠促進(jìn)水泥的快速凝結(jié)的，但在1d水化齡期中水泥強(qiáng)度的發(fā)展卻受到抑制。隨著水泥水化齡期的進(jìn)展，后期水泥強(qiáng)度發(fā)展良好。

2.硅酸鈉對(duì)水泥水化歷程的影響

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水泥水化歷程中，硅酸鈉（NaSiO3）對(duì)其水化歷程具有顯著的影響，而且實(shí)驗(yàn)研究表明，NaSiO3溶液中的架狀結(jié)構(gòu)類型的硅氧四面體離子基團(tuán)與水泥中的鈣結(jié)合，能夠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低流動(dòng)性。由此可見，NaSiO3能夠加速水泥的凝結(jié)過程，但在實(shí)踐中，NaSiO3又不利于水泥混凝土強(qiáng)度的保持。本文在實(shí)驗(yàn)條件下，通過實(shí)驗(yàn)的方式研究NaSiO3對(duì)水泥水化歷程的影響。

(1)硅酸鈉對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在不同摻量下，水泥凝結(jié)時(shí)間表現(xiàn)的不同。當(dāng)NaSiO3摻量分別為2．0%、4．0%與6．0%時(shí)，水泥樣的初凝時(shí)間分別為：180min、50min、2min；終凝時(shí)間分別為：285min、170min、4min；水泥空白樣的初凝時(shí)間為330min，終凝時(shí)間為470min。從實(shí)驗(yàn)的具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，隨著NaSiO3摻量的不斷增加，水泥凝結(jié)時(shí)間不斷縮短，當(dāng)NaSiO3摻量設(shè)定為6%時(shí)，水泥樣的初凝與終凝時(shí)間分別為2min和4min，達(dá)到水泥的迅速凝結(jié)。從實(shí)驗(yàn)機(jī)理的視角分析，由于NaSiO3溶液中存在大量硅氧四面體離子基團(tuán)，其余水泥中的鈣離子能夠快速結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得水泥漿體流動(dòng)性下降，加速了水泥凝結(jié)硬化。

表1 NaSiO3對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

(2)硅酸鈉水泥水化程度的影響

在2%、4%、6%不同的NaSiO3摻量狀態(tài)下，對(duì)水泥水化齡期1d內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。實(shí)驗(yàn)觀察統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在水泥水化的早期，即4h范圍以內(nèi)時(shí)，無論哪種摻量下的水泥漿體，其化學(xué)結(jié)合水量均大于空白水泥樣，而且隨著NaSiO3摻量越大，化學(xué)結(jié)合水量越大，這說明在水泥水化的早期，NaSiO3對(duì)水泥水化程度具有明顯的促進(jìn)作用。但隨著水泥水化歷程的不斷推進(jìn)，空白水泥樣在4～6h水化齡期內(nèi)迎來快速水化，而且其化學(xué)結(jié)合水量逐漸超過同期的NaSiO3摻量為2%和4%的水泥樣組，當(dāng)水泥水化齡期到24h時(shí)，含有不同NaSiO3摻量的水泥樣的化學(xué)結(jié)合水量均低于空白水泥樣組。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明，在水泥水化的早期，NaSiO3能夠促進(jìn)水泥水化，但在后期，水泥水化接近1d時(shí)，NaSiO3對(duì)水泥水化沒有明顯促進(jìn)作用。

(3)硅酸鈉對(duì)水泥水化體積穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)水泥樣中加入NaSiO3之后，水泥的干燥收縮變形迅速增加，且一直持續(xù)到水泥水化齡期的前3d，在這個(gè)階段，NaSiO3水泥樣的干縮比高于空白水泥。但隨著實(shí)驗(yàn)的不斷推進(jìn)，在3～7d水化齡期范圍內(nèi)，NaSiO3水泥樣的干燥收縮反而不斷變小。經(jīng)過這一階段后，7d后的水泥干縮率又重新增加，而且隨著水泥水化齡期的延長而變形增大。但在7d后的水泥水化齡期，NaSiO3水泥樣的整體收縮變形小于空白樣。從摻量關(guān)系來看，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，隨著NaSiO3摻量的增加，水泥水化的干燥收縮變形越小。

(4)硅酸鈉水泥硬化程度的影響

在加入NaSiO3之后，分別對(duì)水泥樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)可知，隨著NaSiO3的加入，無論是水泥抗折強(qiáng)度還是水泥抗壓強(qiáng)度均大幅降低，而且隨著NaSiO3摻量的增加，水泥抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度越低，這說明NaSiO3對(duì)水泥硬化程度具有阻礙作用。

3.結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究可發(fā)現(xiàn)，鋁鹽類外加劑能夠顯著加快水泥凝結(jié)，有較為明顯的加速調(diào)控效果，而且鋁鹽有提升水泥強(qiáng)度的效果，但鋁鹽使水泥干燥收縮變形增大，不利于水泥制品的開裂控制。NaSiO3在適當(dāng)?shù)膿搅肯履軌蚣涌焖嘤不?，但?duì)水泥強(qiáng)度發(fā)展有抑制作用。因此在不同的工業(yè)需求下，可選擇最合適的化學(xué)外加劑來提升水泥性能。

[1]黃士元,鄔長森,楊榮俊.混凝土外加劑對(duì)硫鋁酸鹽水泥水化歷程的影響[J].混凝土與水泥制品,2011.1.

[2]申富強(qiáng).復(fù)合使用外加劑對(duì)水泥水化歷程的影響[D].西安建筑科技大學(xué),2007.5.

[3]于錦,李偉峰.CSA水泥作為礦物外加劑對(duì)硅酸鹽水泥性能及水化的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2016.6.

[4]王衛(wèi)山.早強(qiáng)礦物添加劑對(duì)混合材硅酸鹽水泥性能的影響[D].濟(jì)南大學(xué),2013.5.

王曉玲（1967～），女，貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：建筑材料化學(xué)分析。

((責(zé)任編：李燕)

Study of the Influence of Chemical Additive in the Hydration Process of Portland cement

Wang Xiaoling

(Guizhou Polytechnic of Construction, Guizhou, 550023)

With the development of the society, the constant increase of international large scale of construction projects has brought great opportunities to the development of cement industry, meanwhile also put forward higher requirement for cement production. Based on lots of outstanding and success cases of researches at home and abroad, this paper has taken comprehensive and systematical studies on the cement hydration process, paste structure formation and development regularity under the action of chemical additive, besides, it has taken further study of the effects of chemical additive on Portland cement hydration process.

Portland cement；chemical additive；hydration process

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