改性材料對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

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(濟南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南　250031)

引言

硫鋁酸鹽水泥作為世界水泥發(fā)展史上新出現(xiàn)的品種，因其具有早強、高強、低徐變、低收縮、微膨脹、堿度低(pH=10～10.5)、抗?jié)B、抗凍融、耐腐蝕等一系列優(yōu)異功能[1]，在海洋建筑工程、修補工程、防滲工程、噴射混凝土和錨桿、礦井高水基材料充填工程和GRC制品等方面有較好的應(yīng)用[2-5]。但硫鋁酸鹽水泥也存在著水化熱釋放集中、水化熱量大(水化熱約為190～210 kJ/kg)[6]、后期強度微倒縮[7]、凝結(jié)時間不易控制等問題，制約了這種水泥的推廣與應(yīng)用，因此有必要對其進行改性。

本文就摻合料尾礦粉(CaCO3)、粉煤灰、改性材料聚乙烯醇(PVA)纖維、減水劑、復(fù)合緩凝劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響進行了研究，以期為合理推廣應(yīng)用該水泥品種提供依據(jù)。

1　試驗部分

1.1　原材料

(1)硫鋁酸鹽水泥：河北唐山六九水泥有限公司生產(chǎn)，其化學成分見表1，性能指標見表2。

表1　硫鋁酸鹽水泥主要化學成分　%

表2　硫鋁酸鹽水泥主要性能指標

(2)粉煤灰：青島熱電廠提供的Ⅱ級干排灰，其化學成分見表3。

表3　粉煤灰的化學成分　%

(3)尾礦粉(CaCO3)：CaCO3含量≥98%，細度150～180 μm(80～100目)，含水率≤1.8%，在建材市場采購。

(4)聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纖維：由江蘇常州市天怡工程纖維有限公司提供，其主要技術(shù)指標見表4。

表4　PVA纖維技術(shù)性能指標

(5)JM-2高效減水劑：白色粉末，減水率30%，自制。

(6)硼酸(H3BO3)：煙臺市雙雙化工有限公司生產(chǎn)，化學式量61.83，分析純。

(7)復(fù)合緩凝劑：白色粉末，自制。

1.2　試件制備、測試方法

1.2.1膠結(jié)料力學性能測試

膠結(jié)料力學性能按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行測試，試件規(guī)格為160 mm×40 mm×40 mm。

1.2.2凈漿流動度測試

凈漿流動度參照GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A進行測試，基準配方為：m(水泥)∶m(H2O)=1∶0.36，基礎(chǔ)流動度為(70±1)mm。

1.2.3凝結(jié)時間測試

凝結(jié)時間按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行測試。

1.2.4水化熱測試

水化熱按照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》進行測試。

1.3　試驗用主要檢測儀器設(shè)備

(1)材料試驗機：WDW-20型微機控制電子萬能材料試驗機，濟南鑫光試驗機制造有限公司制造。

(2)水泥凈漿流動模：規(guī)格型號為：XN-36×60×60，紹興市新能儀器設(shè)備有限公司制造。

(3)水泥標準稠度、凝結(jié)時間測定儀：無錫建儀實驗器材有限公司制造。

(4)水泥水化熱測定儀：型號為SHR-650，精強(天津)實驗儀器科技有限公司制造。

2　結(jié)果與分析

2.1　尾礦粉摻量對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

圖1為尾礦粉(CaCO3)摻量對硫鋁酸鹽水泥性能的影響。

圖1　尾礦粉(CaCO3)摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

由圖1可以看出，用尾礦粉代替部分水泥，其強度出現(xiàn)先提高后降低的趨勢。摻加10%的尾礦粉時，試件各養(yǎng)護齡期的強度均高于空白對比試件；摻加20%尾礦粉時，其強度與對比空白試件持平；摻量超過20%后，試件早期強度逐漸下降，但養(yǎng)護到28 d時，即使摻加30%的尾礦粉，其強度仍然高于空白對比試件；摻量超過30%后，28 d強度開始下降，說明摻加過多的尾礦粉會影響到試件的早期強度和終期強度，摻量過高，微顆粒效應(yīng)降低[8]，體系中水泥含量相對減少，膠結(jié)性能下降，因此尾礦粉摻量應(yīng)控制在水泥質(zhì)量的30%以內(nèi)較適宜。

2.2　粉煤灰對硫鋁酸鹽水泥力學性能的影響

圖2為粉煤灰(FA)摻量對硫鋁酸鹽水泥力學性能的影響。

圖2　粉煤灰(FA)對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

由圖2可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的抗壓強度先提高后降低，且增長慢、下降快。粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的10%時，試件1 d、3 d和28 d強度比空白對比試件分別提高了6.54%、1.21%和7.49%；摻量為水泥質(zhì)量的20%時，試件1 d、3 d和28 d強度比對比試件分別下降了25.07%、28.52%和24.48%，強度下降明顯。分析其原因，一是隨著粉煤灰摻量的增加，體系中水泥含量相對減少，降低了膠凝性能，導(dǎo)致強度下降；二是粉煤灰對水泥混凝土強度的貢獻主要在于其活性效應(yīng)[9]。由于硫鋁酸鹽水泥漿液的堿度較低(pH=10～10.5)，粉煤灰的活性指數(shù)較低，其活性沒有被很好地激發(fā)出來，不能充分發(fā)揮其火山灰效應(yīng)，粉煤灰摻量越多，對水泥強度的影響越大，所以硫鋁酸鹽水泥中不宜摻入過多的粉煤灰。

2.3　聚乙烯醇纖維對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纖維相比其他的纖維具有高強、高模、耐酸堿腐蝕、無毒無污染等優(yōu)點，可有效提高混凝土抗彎強度、抗拉強度和韌性，廣泛應(yīng)用于水泥基材料中[10]，纖維與水泥基體間的界面粘結(jié)作用、纖維的橋聯(lián)作用和材料的多縫開裂特性，是纖維增強水泥基復(fù)合材料具有較好的力學性能的關(guān)鍵點。Said S H等[11]研究了PVA纖維對超高韌性水泥基復(fù)合材料抗拉性能的影響。研究表明，當PVA纖維摻量為2.0%時，試驗所用混凝土板在抗彎試驗中可明顯展現(xiàn)出應(yīng)變強化的特征。王海超等[12]研究了不同配合比下纖維增強混凝土的力學指標與纖維摻量及基體強度的關(guān)系。李爽等[13]的研究結(jié)果表明，在等體積纖維摻量時，直徑較小的PVA纖維具有更好的提高強度的效果。本試驗采用常州天怡工程纖維有限公司提供的PVA纖維作為增強增韌材料進行研究。

2.3.1聚乙烯醇(PVA)纖維對硫鋁酸鹽水泥抗折強度的影響

圖3為聚乙烯醇(PVA)纖維摻量對硫鋁酸鹽水泥抗折強度的影響。

圖3　聚乙烯醇纖維摻量對硫鋁酸鹽水泥抗折強度的影響

由圖3可以看出，隨著纖維摻量的提高，試件各養(yǎng)護齡期的抗折強度逐漸提高，當纖維摻量分別為0、0.3%、0.5%、0.8%、和1.2%時，試件養(yǎng)護1 d的抗折強度分別為5.35 MPa、6.91 MPa、7.42 MPa、7.55 MPa和7.94 MPa，依次分別是未摻加PVA纖維試件的100%、129.16%、138.69%、141.12%和148.41%；試件28 d的抗折強度分別為7.78 MPa、8.56 MPa、8.72 MPa、9.55 MPa和9.98 MPa，依次分別是未摻加PVA纖維試件的100%、110.03%、112.08%、122.75%和128.28%。在試件破型過程中，未摻加PVA纖維的試件折斷后迅速斷為兩截，位移曲線沒有延伸過程；摻加纖維的試件，纖維束從斷頭有規(guī)律地抽出，位移曲線平緩延伸，說明PVA纖維直徑較小，根數(shù)相對較多，在試件斷裂過程中起到更好的橋接作用，并分散部分外部負荷，從而提高了抗折強度，增加了試件的韌性。

2.3.2聚乙烯醇(PVA)纖維對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

圖4為聚乙烯醇(PVA)纖維摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響。

由圖4可以看出，PVA纖維摻量從0到0.3%時，試件養(yǎng)護1 d、3 d、28 d的抗壓強度分別提高了38.84%、19.17%和27.62%，強度提高幅度較大；隨著纖維摻量的進一步提高，后期強度提升平緩，摻量為水泥質(zhì)量的1.2%時，養(yǎng)護28 d的抗壓強度比空白對比試件提高了28.4%，與纖維摻量0.3%時的抗壓強度增長幅度持平。許多文獻表明，多數(shù)的有機纖維摻加到無機膠凝材料中，抗折強度提高幅度較大，對減小折壓比、提高制品韌性很有幫助，但大幅度提高抗壓強度的報道則少見。筆者認為，由于PVA纖維的摻入可以在材料中形成互相搭接的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在試件受壓產(chǎn)生變形時，由于PVA纖維的牽拉作用，起到了限制試件變形以及開裂的滑移和發(fā)展的作用，并能夠吸收部分破壞能量，減緩裂痕的延伸，從而提高試件的抗壓強度。

圖4　聚乙烯醇纖維摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

2.4　減水劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

2.4.1JM-2減水劑對硫鋁酸鹽水泥凈漿流動度的影響

圖5為JM-2減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥凈漿流動度的影響。

圖5　JM-2減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥凈漿流動度的影響

由圖5可以看出，當減水劑摻量在0.1%～0.5%范圍內(nèi)，水泥凈漿流動度提高幅度較大；隨著減水劑摻量的增加，水泥凈漿流動度逐漸提高，當減水劑摻量為1%時，流動度是未摻減水劑試件的423.57%；當減水劑摻量超過1%后，流動度曲線趨于平緩，說明JM-2減水劑在硫鋁酸鹽水泥中的摻量以1%左右較合適。

2.4.2JM-2減水劑對硫鋁酸鹽水泥減水率的影響

JM-2減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥減水率的影響見表5。

表5　減水劑對硫鋁酸鹽水泥減水率的影響1)

由表5可以看出，隨著減水劑摻量的增加，用水量、水灰比逐漸減小，減水率逐漸提高，說明JM-2減水劑在硫鋁酸鹽水泥中具有較好的適應(yīng)性，減水效果明顯。

2.4.3減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響見圖6。

圖6　減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響

由圖6可以看出，在硫鋁酸鹽水泥中摻加JM-2減水劑，對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響表現(xiàn)為兩個方面：一是提高了水泥早期強度，當減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.5%時，試件1 d、3 d抗壓強度分別為55.18 MPa和63.26 MPa，分別占28 d抗壓強度(67.28 MPa)的82.0%和94.0%，具有明顯的早強性；二是對28 d強度的影響，減水劑摻量在0～0.8%時，試件各養(yǎng)護齡期的強度逐漸提高，當摻量為0.8%時，28 d抗壓強度比空白對比試件提高了45.08%；但當摻量>0.8%時，強度有所下降，說明JM-2減水劑的摻量不宜超過0.8%。

2.5　復(fù)合緩凝劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

硼酸(H3PO3)作為硫鋁酸鹽水泥常用的緩凝劑，存在著緩凝效果不穩(wěn)定且降低制品強度的現(xiàn)象。摻量較小時，緩凝效果不明顯，甚至不起作用；摻量過大時，又會長時間不凝固，并且影響各養(yǎng)護齡期強度的正常發(fā)揮[14]。基于以上問題，研究了復(fù)合緩凝劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響，結(jié)果見表6。

表6　復(fù)合緩凝劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

由表6可以看出，隨著硼酸摻量的提高，初凝時間和終凝時間大幅度延長，水化5 h后的水化熱放熱量逐漸降低，摻加復(fù)合緩凝劑的試件水化放熱量略高于摻加硼酸緩凝劑的試件，低于空白對比試件，水化熱峰值降低并延后。當硼酸摻量為水泥質(zhì)量的0.3%時，初凝時間比空白試件延長了13.66倍，終凝時間比空白試件延長了10.3倍，如此之長的凝結(jié)時間會嚴重影響工程施工進度和施工質(zhì)量。而復(fù)合緩凝劑是通過對硼酸、鋰鹽、鈉鹽和鋁鹽進行復(fù)配，相同摻量下，能夠明顯縮短初凝時間和終凝時間。

從試件的強度來看，摻加占水泥質(zhì)量0.15%和0.3%的硼酸試件，養(yǎng)護1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓強度均低于空白試件。其原因是加入硼酸后，產(chǎn)生的硼酸鈣包裹膜厚度大而且致密，水分子因擴散阻力過大而不易進入包裹膜內(nèi)，抑制了水泥的水化，造成水泥過度緩凝甚至不凝[15]。而復(fù)合緩凝劑通過在緩凝組分中復(fù)配了快硬早強組分，不僅彌補了緩凝組分帶來的負面影響，而且提高了試件各養(yǎng)護齡期的強度。

3　結(jié)論

3.1用尾礦粉(CaCO3)代替部分水泥，試驗范圍內(nèi)其強度先提高、后降低。尾礦粉摻量為水泥質(zhì)量的20%時，強度與空白對比試件持平；若再增加摻量，強度會持續(xù)下降。

3.2用粉煤灰代替部分水泥，強度依然是先提高、后降低，由于硫鋁酸鹽水泥漿液的堿度較低，無法激發(fā)粉煤灰的活性，不能完全發(fā)揮其火山灰效應(yīng)，摻加量超過水泥質(zhì)量的10%后，強度會有大幅度的下降。

3.3硫鋁酸鹽水泥中摻加適量的PVA纖維后，能夠大幅度提高試件抗折強度、抗壓強度和韌性。摻加量超過水泥質(zhì)量的0.5%后，抗壓強度提升平緩，但抗折強度和韌性仍然有明顯的提高。

3.4JM-2減水劑在硫鋁酸鹽水泥中具有較好的適應(yīng)性，摻加量為水泥質(zhì)量的0.8%時，料漿流動度是未摻加減水劑試件的4.27倍，減水率達到27.78%，抗壓強度提高45.08%。

3.5硼酸在硫鋁酸鹽水泥中的緩凝效果非常明顯，但存在著穩(wěn)定性差、對強度影響大的問題。復(fù)合緩凝劑解決了以上問題，與硼酸在同等摻量下相比，摻加復(fù)合緩凝劑試件比摻加硼酸的試件28 d強度提高22.12%，比空白試件提高12.83%，初凝時間縮短290 min，終凝時間縮短295 min。

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