水滑石/粉煤灰對(duì)注漿早強(qiáng)性能的影響研究

楊成梅，謝 竺

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830002）

前 言

水泥作為主要的建筑材料，被廣泛用于各類(lèi)建造場(chǎng)所，這就奠定了水泥及其衍生物在建筑行業(yè)的主導(dǎo)地位。但普通水泥在24h前強(qiáng)度發(fā)展較緩慢，水泥的改性顯得尤為重要。目前最經(jīng)濟(jì)有效的改性方法是添加外加劑，其中早強(qiáng)劑因性能優(yōu)良被廣泛使用[1～2]。但目前市面上的早強(qiáng)劑，大多存在堿含量多的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。市場(chǎng)上早強(qiáng)劑大致可分為三類(lèi)：無(wú)機(jī)類(lèi)、復(fù)合類(lèi)和有機(jī)類(lèi)。無(wú)機(jī)類(lèi)價(jià)格低廉，且早強(qiáng)性能優(yōu)異，但無(wú)機(jī)類(lèi)中包含大量的Cl-和離子，從而極易腐蝕混凝土中的鋼筋。而為了解決早強(qiáng)水泥成本高的問(wèn)題，人們?cè)谒嘀袚饺氩糠址勖夯姨娲?，以此降低成本。但粉煤灰的使用需要在堿性激活后釋放出發(fā)揮作用的組分SiO2及Al2O3,且單獨(dú)使用時(shí)仍然存在很多問(wèn)題，需要和其他添加劑復(fù)合使用[3～5]。由此，人們嘗試將水滑石（Ca-Al-Cl LDH）（化學(xué)通式：結(jié)合粉煤灰摻入到水泥中，進(jìn)而改善混凝土的性能。而之所以加入水滑石，是因?yàn)檫@種物質(zhì)是一種雙層的堿性黏土材料，能很好地改善混凝土的性能[6,7]。目前關(guān)于早強(qiáng)劑的研究中，人們開(kāi)始改變以往單一的摻入，而在摻入水滑石的基礎(chǔ)上，摻入復(fù)合有機(jī)或無(wú)機(jī)早強(qiáng)劑。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水滑石結(jié)合TIPA等早強(qiáng)劑雖然可改善水泥早期的強(qiáng)度，但是提升的比例不大。因此本研究以水滑石作為主要的早強(qiáng)材料，在單摻傳統(tǒng)有機(jī)早強(qiáng)劑的思路上，提出有機(jī)-無(wú)機(jī)早強(qiáng)劑聯(lián)合水滑石和粉煤灰，進(jìn)而探討摻入后的改進(jìn)性能，改變傳統(tǒng)硅酸鹽水泥性能，為提升混凝土性能提供有益的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的材料見(jiàn)表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)主要化學(xué)材料Table 1 The main chemical materials for the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)主要采用的設(shè)備見(jiàn)表2所示。

表2實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備Table 2 The main experimental equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)思路

本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)思路是以Ca-Al-Cl LDH作為主要早強(qiáng)劑，然后在該早強(qiáng)劑中摻入復(fù)合早強(qiáng)劑，并聯(lián)合粉煤灰和少量的羧酸減水劑摻入水泥中，以查看水泥性能。其中，在Ca-Al-Cl LDH的制備中，參考馬夢(mèng)曉（2019）的實(shí)驗(yàn)，采用乙醇-水熱法，以氫氧化鈉、氯化鈣、氯化鋁作為原材料進(jìn)行制備，最后對(duì)制備好的水泥性能進(jìn)行分析。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定以下幾個(gè)指標(biāo)：

1.4.1 抗壓強(qiáng)度

將水泥漿體倒入70mm×70mm×70mm塑料三聯(lián)模具中，在20℃、97%濕度下進(jìn)行恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)12h。取養(yǎng)護(hù)試件放在壓力試驗(yàn)機(jī)上，實(shí)驗(yàn)三次，最后取抗壓強(qiáng)度的平均值?？箟簭?qiáng)度計(jì)算公式為：

其中，f表示抗壓強(qiáng)度；A表示受壓面積；P為破壞荷載。

1.4.2 流動(dòng)度

取600g水泥及外加劑，加入210g水?dāng)嚢?min，然后將混合的漿體倒入模具中，一邊按下計(jì)時(shí)器，一邊將水泥漿豎直提起。記錄30s水泥漿互相垂直的兩個(gè)流淌部分的最大直徑，并根據(jù)該測(cè)量長(zhǎng)度計(jì)算平均值。

1.4.3 初凝時(shí)間

初凝時(shí)間是指水泥從加水到開(kāi)始失去塑性的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)采用維卡儀對(duì)初凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，具體則是將初凝試針安裝在滑動(dòng)桿的下方，下降到水泥表面，擰緊螺絲后讓試針緩慢降落，直到不能再降，記錄試針與底板的距離。每5min重復(fù)以上測(cè)量，直到試針與底板距離在3～5mm時(shí)停止。

1.4.4 SEM與XRD分析

通過(guò)表2的掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)制備的水泥試件進(jìn)行分析，從而得到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為研究摻入Ca-Al-Cl LDH、有機(jī)-無(wú)機(jī)與粉煤灰后對(duì)水泥性能的影響，設(shè)定水灰比為0.35，然后采用單摻和遞進(jìn)復(fù)摻的方法向水泥中加入粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH等早強(qiáng)劑。

2.1 單摻水滑石的水泥試件抗壓強(qiáng)度

單摻Ca-Al-Cl LDH，并測(cè)定水泥試件在1d后的抗壓強(qiáng)度，具體如圖1所示。

圖1水滑石摻量對(duì)水泥試件抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of hydrotalcite content on the compressive strength of cement specimens

根據(jù)抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果看出，當(dāng)單摻的Ca-Al-Cl LDH量為2%時(shí)，得到的抗壓強(qiáng)度最大，為13.5MPa。此后隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度不斷減小。

2.2 單摻TEA的水泥試件抗壓強(qiáng)度

同樣在水泥中單摻TEA早強(qiáng)劑，并通過(guò)公式（1）計(jì)算1d試件的抗壓強(qiáng)度，得到表3的結(jié)果。

表3 TEA摻量對(duì)水泥試件抗壓強(qiáng)度的影響Table 3 The influence of TEA content on the compressive strength of cement specimens

通過(guò)表3的結(jié)果看出，隨著TEA有機(jī)早強(qiáng)劑摻量的增多，水泥試件的抗壓強(qiáng)度也在不斷增大，當(dāng)TEA早強(qiáng)劑的摻量在0.03%時(shí)，得到的抗壓強(qiáng)度最高，為8.6MPa。

2.3 單摻粉煤灰的水泥試件抗壓強(qiáng)度

根據(jù)以上方法，在水泥中單摻入粉煤灰，然后養(yǎng)護(hù)1d，通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水泥試件的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)計(jì)算得出表4所示的結(jié)果。

表4不同粉煤灰摻量下的試件抗壓強(qiáng)度Table 4 The compressive strength of specimens with different fly ash contents

根據(jù)表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，粉煤灰摻量設(shè)定為20%時(shí)，得到的水泥試件的抗壓強(qiáng)度最大，為7.1MPa。

2.4 復(fù)配試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 復(fù)配方案

在上述單摻試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，采用復(fù)配的方式探討不同組分協(xié)同作用下對(duì)水泥試件性能的影響。具體復(fù)配方案見(jiàn)表5所示。

表5早強(qiáng)劑復(fù)配方案Table 5 The compound scheme of early strength agent

2.4.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述的試驗(yàn)方案，得到表6所示的試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

表6抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 6 The calculation results of compressive strength

從表6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，在單獨(dú)摻入粉煤灰的基礎(chǔ)上，依次加入Ca-Al-Cl LDH、TEA以及減水劑PC，得到水泥試件的抗壓強(qiáng)度由最初的7.1MPa逐漸上升到了17.9MPa，說(shuō)明粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH、TEA等復(fù)合使用對(duì)提高水泥試件的抗壓強(qiáng)度具有協(xié)同加強(qiáng)效果，其中實(shí)驗(yàn)組D的抗壓強(qiáng)度最好，對(duì)應(yīng)的復(fù)合配比為粉煤灰20%+Ca-Al-Cl LDH 2%+TEA 0.02%+PC 0.2%。

2.4.3 流動(dòng)度與初凝時(shí)間

作為水泥性能的另外重要指標(biāo)，通過(guò)流動(dòng)度測(cè)量和初凝時(shí)間測(cè)量，得到表7的結(jié)果。

表7不同實(shí)驗(yàn)漿體的流動(dòng)度與初凝時(shí)間Table 7 The fluidity and initial setting time of different slurries

從測(cè)試結(jié)果看到，D組與A組相比，流動(dòng)性提高接近3倍。而使得水泥凈漿流動(dòng)性提高原因主要為兩方面：一是減水劑和水泥表面均有負(fù)電荷，根據(jù)同性相斥的原理，水泥可以進(jìn)一步分散；二是粉煤灰是一種粒徑較小的球體，可以均勻地分布在水泥中減少水分的滯留[8～9]。而在初凝時(shí)間方面，不同對(duì)比試驗(yàn)組的初凝時(shí)間比較接近，說(shuō)明在摻入早強(qiáng)劑和減水劑后，對(duì)水泥漿體初凝時(shí)間的影響不大，甚至初凝時(shí)間有一定的減少。

2.4.4 微觀結(jié)構(gòu)的分析

（1）X射線衍射分析（XRD）

取A、C、D三組水泥凈漿經(jīng)過(guò)1d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，得到的XRD圖譜如圖2所示。

對(duì)比同組別的圖譜可以發(fā)現(xiàn)，在鈣礬石的衍射峰在18（2θ）位置處，可觀察到實(shí)驗(yàn)組的峰高要明顯的高于其他兩組；CH結(jié)構(gòu)在30（2θ）處的衍射峰有類(lèi)似的現(xiàn)象；而在34（2θ）處的衍射峰以及C3S結(jié)構(gòu)的衍射峰均要略低于其他兩組；對(duì)于C2S結(jié)構(gòu)的衍射峰來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)組的峰高則位于對(duì)照組和基準(zhǔn)組之間；這就代表，粉煤灰、水滑石以及TEA的復(fù)合使用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d的水泥來(lái)說(shuō)有較大的促水化作用[10]。換句話說(shuō)，粉煤灰與水滑石的復(fù)合作用促進(jìn)了水泥熟料中C3S的水化反應(yīng)。而促進(jìn)的主要原因，一是因?yàn)榉勖夯业膿饺朐黾恿顺珊宋稽c(diǎn)，水化得到的膠體C-S-H除了在未反應(yīng)的熟料表面生長(zhǎng)，還可以在粉煤灰顆粒表面生長(zhǎng)，促進(jìn)了水泥熟料的反應(yīng)；二是因?yàn)樗膲A性對(duì)粉煤灰的激發(fā)作用，使其釋放出活性成分SiO2和Al2O3與早期的水化產(chǎn)物Ca（OH）2作用生成水化C-S-H；此外，細(xì)小的粉煤灰和水滑石可以同時(shí)填充到水泥漿體中，使其原始堆積密度升高，減小縫隙，填充的水化產(chǎn)物減少。這些都是粉煤灰和水滑石協(xié)同使用促進(jìn)早期強(qiáng)度提升的重要因素。

圖2粉煤灰-水滑石的XRD圖譜Fig.2 The XRD patterns of fly ash-hydrotalcite

2.4.5 掃描電鏡（SEM）分析

圖3 A組SEM圖Fig.3 The SEM image of group A

圖4 D組SEM圖Fig.4 The SEM image of group D

A和D在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d后的掃摸電鏡結(jié)果如果圖3和4所示。

從A組和D組SEM結(jié)果分別看到，A組的結(jié)構(gòu)是疏松多孔的，并且表面主要存在少量的棒狀晶體，這些晶體的結(jié)構(gòu)主要是C-S-H以及AFt晶體；而D組微觀結(jié)構(gòu)是幾乎無(wú)空隙的緊密排列，并且表面可以觀察到部分白色片狀晶體，這些晶體的結(jié)構(gòu)主要是CH晶體以及AFt晶體，這些結(jié)果與前面XRD分析結(jié)果一致。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上發(fā)現(xiàn),粉煤灰可提供大量成核位點(diǎn)，水滑石可促進(jìn)粉煤灰中活性物質(zhì)的釋放并為其提供堿性，因此二者的復(fù)合使用不僅對(duì)早期強(qiáng)度有很好的提升效果，而且可以促進(jìn)C-S-H的大量生成，降低漿體的孔徑。此外，二者均可通過(guò)吸水作用提高水泥的密度，得到的漿體通過(guò)流動(dòng)性、初凝時(shí)間的檢測(cè)判斷其可以很好地滿足水泥的泵送條件,所以水滑石/粉煤灰復(fù)合注漿可以很好地降低早強(qiáng)水泥的成本并提高其性能。