石膏對超細硫鋁酸鹽注漿材料水化硬化影響

王 菲

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000)

0 前 言

在硫鋁酸鹽水泥體系中，石膏摻量不僅影響水化產(chǎn)物的形成過程和種類，還在水泥水化早期起到一定的加速作用，影響其水化速率[2-3]。張鳴等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同水化齡期和水化條件會形成不同形態(tài)的鈣礬石；石膏不足和反應未達到平衡時生成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)，能夠與溶液中的氫氧化鈣發(fā)生二次反應，形成鈣礬石。Glasser F P等[5]研究發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物取決于石膏的摻量，其中最主要的水化產(chǎn)物是鈣礬石和AFm，同時還發(fā)現(xiàn)有鋁相。Wang等[6]研究了0.3水灰比系列的水化特性，結果表明15%～20%的石膏摻量在1天水化齡期主要生成鈣礬石，石膏摻量大于25%時，水化產(chǎn)物滯后生成，同時試塊發(fā)生膨脹。要秉文等[7]研究發(fā)現(xiàn)，石膏摻量存在一個最佳值：石膏不足時生成的鈣釩石會轉(zhuǎn)化成AFm；石膏摻量過大，會影響水泥水化，從而影響強度；只有適宜的石膏摻量，才能促進水泥水化，形成較密實的結構，進而提高強度。

本文以最大粒徑小于15 μm的超細硫鋁酸鹽水泥熟料為研究對象，在1.5的水灰比條件下，測定了不同石膏摻量下CSA水泥的凝結時間和抗壓強度，并采用拉曼光譜技術，研究了石膏摻量對超細硫鋁酸鹽水泥的物理性能和水化硬化規(guī)律的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

硫鋁酸鹽水泥(CSA)熟料取自焦作華巖水泥廠，其化學成分和礦物成分見表 1～2。石膏由焦作華巖水泥廠提供，由拉曼光譜測試確定為硬石膏，其化學成分見表 3，經(jīng)計算CaSO4的相對含量為85.19%。所用原材料經(jīng)超細粉氣流磨進行分級后,CSA水泥熟料和石膏的比表面積分別為897.11、540.24 m2/kg。

表1 硫鋁水泥熟料的化學成分 w%

表2 硫鋁水泥熟料的礦物組成 w%

表3 硬石膏的化學組成 w%

1.2 試樣制備

在超細硫鋁酸鹽水泥熟料中分別摻入0、10%、20%、30%、35%、40%和50%的硬石膏，制得硫鋁酸鹽水泥，分別編號為UG00、UG010、UG020、UG030、UG035、UG040 和UG050。以水灰比1.5加水調(diào)成水泥凈漿，成型20 mm×20 mm×20 mm的試塊，室溫預養(yǎng)24 h脫模，再放入標準養(yǎng)護室(100%RH、20℃)中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，制得水泥水化物。

1.3 測試方法

1)凝結時間測試：按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GBT 1346-2011)進行測試。

2)力學性能測試：采用型號為WDW-20電子式試驗機進行測試，試件尺寸20 mm×20 mm×20 mm，水灰比為1.5。

3)拉曼測試：采用英國Renishaw公司生產(chǎn)的inVia激光顯微拉曼光譜儀。測試中使用514 nm的激光束，曝光時間60 s，掃描范圍為100～4 000 cm-1，掃描3次。

2 結果分析與討論

2.1 水泥的物理性能分析

試驗對不同石膏摻量下的CSA水泥進行了凝結時間測試和抗壓強度測試，結果如表4所示。

由表4結果知，石膏摻量的變化對初凝和終凝時間的影響很大：隨著石膏摻量的增加，初凝和終凝時間先迅速縮短，而后變化不大。與未摻石膏的初終凝時間進行對比，10%的石膏摻量下縮短了58%；20%的石膏摻量下縮短了74%；石膏摻量在30%～40%時，凝結時間縮短率基本維持在75%～80%；石膏摻量為50%時，凝結時間略微增大，縮短率為73%。

表4 水泥的凝結時間和抗壓強度

對比抗壓強度，發(fā)現(xiàn)CSA水泥各齡期抗壓強度隨石膏摻量的增加先減小后增大：當石膏摻量為35%時，強度達到最高值，這與理論計算值37.35%比較接近；繼續(xù)增加石膏摻量，強度反而下降。同時，從表中結果可以看出，超細硫鋁酸鹽水泥1d抗壓強度就能達到28d強度的60%，展現(xiàn)出了良好的早強特性。分析CSA水泥早期抗壓強度較高的原因，主要有以下兩個方面：一是水泥體系中含有具有早強型特性的礦物，硫鋁酸鈣；二是熟料中的氧化鋇，能夠固溶在C2S中，加大晶面間距，從而激發(fā)C2S的活性[8]。

2.2 水化產(chǎn)物分析

因此，由拉曼光譜分析知，石膏摻量的增加會加快CSA水泥水化進程，同一齡期下鈣釩石生成量增多；純水泥熟料的水化產(chǎn)物以AFm為主，摻入石膏后，鈣釩石的生成量大大增加，35%以下的石膏摻量在水化前期有AFm生成，且隨著石膏摻量的增加，AFm特征峰消失提前；石膏摻量為35%時，鈣釩石能夠持續(xù)穩(wěn)定生成；35%以上的石膏摻量，石膏有剩余。

3 結 論

1)在1.5水灰比下，35%石膏摻量的水泥力學性能達到最優(yōu)，隨著石膏摻量的增加，初凝和終凝時間先迅速縮短，后變化不大，強度呈先增大后減小的趨勢。

2)CSA水泥的水化產(chǎn)物種類受石膏摻量的影響較大，35%以下的石膏摻量會有AFm生成；35%的石膏摻量能夠保證鈣礬石持續(xù)穩(wěn)定生成，35%以上的石膏摻量，鈣礬石生成量不再增加，石膏有所剩余。

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