關(guān)于水利工程中Na+和K+與水泥基材料早期收縮性能的關(guān)系探究

(1. 上饒市水利科學研究所， 江西 上饒 334000；2. 上饒市水利水電工程建設監(jiān)理中心，江西 上饒 334000)

關(guān)于水利工程中Na+和K+與水泥基材料早期收縮性能的關(guān)系探究

賈世鋒1,2

(1. 上饒市水利科學研究所， 江西 上饒 334000；2. 上饒市水利水電工程建設監(jiān)理中心，江西 上饒 334000)

本文通過改變水泥砂漿及水泥凈漿中Na+、K+的不同比例，設計多種試驗構(gòu)件，探究Na+、K+堿金屬離子比例變化對水泥基材料早期收縮性能的影響。 試驗結(jié)果表明：K+、Na+堿金屬離子可以促進水泥砂漿的自收縮性、干燥收縮性，其中K+的促進效果高于Na+；Na+堿金屬離子可以改變水泥砂漿中的孔徑結(jié)構(gòu)比例、Al相結(jié)構(gòu)及各成分比例，提升漿體收縮特性。

水泥基材料；早期收縮性；堿金屬離子；Na+；K+

1 引 言

早期學者對于在水泥基材料中混入可溶性堿后兩者的化學反應做了大量研究，而忽視了可溶性堿對于水泥基材料早期收縮性的影響。在水泥基材料中，堿主要以K2O和Na2O兩種形式存在，由于中國水泥基材料各地生產(chǎn)原材料的差異，造成其相互比例不斷波動，無法確定。為探究堿對水泥基材料早期收縮性的影響，以K+、Na+作為研究對象，從本質(zhì)上揭示K+、Na+堿金屬離子與水泥材料早期收縮性的關(guān)系，為防止水泥基材料的早期收縮提供實踐參考。

國內(nèi)關(guān)于堿金屬離子與水泥基材料早期收縮性的研究較少，何真等人[1-6]一直關(guān)注這方面研究，就水泥基材料的早期收縮性、開裂敏感程度展開分析，依次分析可溶性堿、高效減水劑、K+、Na+對水泥基材料早期收縮性、體積穩(wěn)定性、開裂敏感程度的影響關(guān)系。王茹、王國立[7-8]等人針對聚合物、納米材料進行探討，分析各化學物質(zhì)對水泥基材料性能的影響，指出影響機理，完善水泥基材料性能變化因素。李中華[9]就磷酸鎂水泥的特殊性，研究其早期收縮性能，探究其影響因素及變化規(guī)律。吳福飛[10]等人設計不同試驗樣本，分別改變外摻合料含量、水膠比例，試驗分析各自的水化產(chǎn)物及化學性能，得到各因變量與自變量間的定性關(guān)系。綜合分析上述文獻成果，大部分提及可溶性堿對水泥基材料早期收縮性具有顯著影響，但由于各種水泥中所含堿的存在形式及比例不同，無法把握各種堿對水泥基材料早期收縮性能的影響關(guān)系。

本文以改變K+、Na+的不同比例設計多種試驗構(gòu)件，探究堿金屬離子比例變化對水泥基材料早期收縮性的影響。主要借助壓汞法、固體核磁共振等測試技術(shù)測定各指標，從其收縮性、孔結(jié)構(gòu)、AFt晶體變化三方面分析測定結(jié)果，從不同角度揭示K+、Na+堿金屬離子不同含量與水泥基材料收縮性能的關(guān)系變化。

2 試驗設計

2.1 試驗材料及樣本設計

根據(jù)研究目的，設計試驗樣本，變化Na+、K+堿金屬離子含量。水泥選取普通水泥，其中堿含量當量值所占比重0.55%，具體化學成分見表1。砂選用2區(qū)2.54的中砂，顆粒大小分類見表2。水選用自來水即可。一般普通水泥中堿含量當量值所占比例最高是1.5%，為了探究堿金屬離子含量對水泥基材料收縮性的影響，添加NaOH、KOH使其堿含量所占比例達1.6%。試驗樣本中水泥：砂：水的配合比是2.5∶5∶1，依據(jù)該比例依次設計基準水泥砂漿、過量Na+水泥砂漿、過量K+水泥砂漿、基準水泥凈漿、過量Na+水泥凈漿、過量K+水泥凈漿試驗樣本，各自編號依次是JM、GNM、GKM、J、GN、GK，各試驗樣本配合比具體見表3。

表1 水泥化學成分情況 單位： %

表2 砂顆粒大小分類

表3 試驗樣本設計情況

2.2 試驗方法

a. 收縮性。依據(jù)表3制成規(guī)格一致的各試驗樣本4個，在標準養(yǎng)護1d后拆模，2個樣本密封后放入恒溫20℃環(huán)境里養(yǎng)護，2個樣本放入恒溫20℃、相對濕度50%的環(huán)境中養(yǎng)護，分別借助砂漿比長儀測定各齡期的自收縮值與干燥收縮值。

b. 孔結(jié)構(gòu)。結(jié)束4d的齡期，將各凈漿試驗樣本利用酒精停止水化，置于54℃真空干燥12h，利用試驗儀器運用壓汞法進行孔結(jié)構(gòu)測定。

c. 固體核磁共振技術(shù)。分別對12h、4d齡期的基準水泥凈漿、過量Na+水泥凈漿、過量K+水泥凈漿試驗樣本(J-12h、GN-12h、GK-12h、J-4d、GN-4d、GK-4d)經(jīng)過處理終止水化作用后，借助核磁共振技術(shù)測定水泥漿體中的Al相結(jié)構(gòu)，用Al[t]表示，對相結(jié)構(gòu)比例進行分析。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 收縮性

圖1是基準水泥砂漿、過量Na+水泥砂漿、過量K+水泥砂漿自收縮對比曲線圖。分析圖1可知堿金屬離子能有效改變水泥砂漿的自收縮變形，Na+、K+對比可知，Na+的促進效果弱于K+，且在早期尤為顯著，在4d齡期時，GNM、GKM相對于JM增幅分別是28%、50%。圖2是基準水泥砂漿、過量Na+水泥砂漿、過量K+水泥砂漿干燥收縮對比曲線圖。分析圖2可知，Na+、K同樣可以改變水泥砂漿的干燥收縮變形，但對于早期水泥砂漿干燥收縮程度不同，在4d齡期時，Na+、K+對水泥砂漿的增幅分別是4%、33%。綜合分析圖1、圖2可得：在各種養(yǎng)護條件下，過量堿對水泥基材料早期收縮性影響較大，且K+高于Na+的促進作用，特別在干燥條件下，效果更加明顯。不同堿金屬離子對于水泥基材料收縮性的影響是研究其與水泥基材料早期收縮性的重點。

圖1 JM、GNM、GKM自收縮對比曲線

圖2 JM、GNM、GKM干燥收縮對比曲線

3.2 孔結(jié)構(gòu)

表4是過量Na+、K+堿金屬離子凈漿4d齡期時測定的孔結(jié)構(gòu)數(shù)值。分析表4不難看出，GN-4d、GK-4d與J-4d相比較，在5～25nm范圍內(nèi)孔徑分布提升，在大于75nm時孔徑分布則下降。J-4d、GN-4d、GK-4d三者孔隙率基本保持一致，但比表面積依次升高。深入分析，可以得到堿金屬離子對水泥凈漿早期的總孔隙率影響不大，對其孔徑分布影響較大，尤其是5～75nm的孔徑。通過改變5～75nm孔徑比例，維持總孔隙率不變，提升漿體收縮性能。

表4 過量Na+、K+建金屬離子凈漿4d齡期時測定的孔結(jié)構(gòu)數(shù)值

3.3 AFt晶體變化

表5是過量Na+、K+堿金屬離子不同齡期的Al相組成情況。分析表5不難看出，各個試驗樣本的水泥凈漿Al相組成不斷變化，尤其是AFt、AFm變化較大。在12h齡期測定AFt含量比例，過量Na+、K+的水泥漿體較基準水泥凈漿下降顯著，高達40%左右；在4d齡期測定的AFt含量比例，過量Na+、K+的水泥漿體較基準水泥凈漿下降幅度高達75%左右。在4d齡期測定的AFm含量比例，過量Na+、K+的水泥漿體較基準水泥凈漿增長顯著，高達97.6%。

表5 過量Na+、K+堿金屬離子不同齡期的Al相組成

在水泥砂漿水化前期，AFt主要是骨架作用，過量堿金屬離子抑制AFt形成的同時，加速形成AFm的化學反應，一系列作用最終導致AFt含量降低，其骨架地位被削弱[11-12]。漿體內(nèi)部孔徑形成的毛細管應力使得堿金屬離子收縮變形作用更加明顯。除此之外，AFm分子體積遠小于AFt分子體積，在一定程度上縮小了漿體體積。綜上所述，堿金屬離子主要是調(diào)整水泥砂漿中的Al相結(jié)構(gòu)及各成分比例，進而影響漿體收縮特性。

4 結(jié) 論

本文改變Na+、K+的不同比例設計多種試驗樣本，探究堿金屬離子比例變化對水泥基材料早期收縮性的影響。主要借助壓汞法、納米壓痕、固體核磁共振等測試技術(shù)測定各指標，從其收縮性、孔結(jié)構(gòu)、AFt晶體變化三方面分析其測定結(jié)果，從不同角度揭示Na+、K+堿金屬離子不同含量與水泥基材料收縮性能的關(guān)系變化。最終得到如下結(jié)論：

a. Na+、K+堿金屬離子對水泥基材料早期收縮性影響較大，且K+促進作用大于Na+，尤其是在干燥條件下更為顯著。

b. Na+、K+堿金屬離子凈漿早期總孔隙率影響不大，主要增加其75nm以下的孔隙結(jié)構(gòu)，增加其比表面積，改變漿體收縮特性。

c. Na+、K+堿金屬離子主要是調(diào)整水泥砂漿中Al相結(jié)構(gòu)及各成分的比例，進而影響漿體收縮特性。

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DiscussiononrelationshipofNa+andK+withearlyshrinkageperformanceofcementbasedmaterialsinhydraulicengineering

JIA Shifeng1, 2

(1.ShangraoWaterConservancyScientificResearchInstitute,Shangrao334000,China;2.ShangraoWaterConservancyandHydropowerEngineeringConstructionSupervisionCenter,Shangrao334000,China)

In the paper, a variety of test components are designed through changing different proportions of Na+and K+in cement mortar and cement slurry, thereby exploring the influence of Na+and K+alkali metal ion proportion change on early shrinkage performance of cement base material. The test results indicate that K+and Na+alkali metal ions can promote the self-contraction and drying shrinkage of cement mortar, wherein the promotion effect of K+is higher than that of Na+. K+and Na+alkali metal ions can change pore diameter structure ratio in cement mortar, Al phase structure and proportion of all components, and improve the shrinkage property of the mortar.

cement base material; early shrinkage; alkali metal ions; Na+; K+

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.013

TV42

A

1005-4774(2017)012-0050-04