納米水化硅酸鈣在免蒸養(yǎng)軌道板中的應(yīng)用研究

胡建偉 王月華 李康 劉子科 翁智財 蔣睿

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

分子雜交和嫁接的方法可實(shí)現(xiàn)納米材料的合成和組裝，制得的納米材料可作為新型水泥添加劑影響水泥的基本結(jié)構(gòu)［1-2］。納米材料不僅憑借其顆粒細(xì)小等物理特征加速水泥水化，部分納米材料（包括Nano-SiO2、Nano-Clay和Nano-Al2O3）還可以直接溶解在孔溶液中，釋放出的離子可參與化學(xué)反應(yīng)。通過研究納米材料對水泥水化動力學(xué)、孔溶液組成及水化產(chǎn)物物相組成的影響，發(fā)現(xiàn)納米材料能夠顯著加速水泥早期的水化反應(yīng)［3-6］。研究表明，納米材料與水泥水化之間產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，主要來源于硅質(zhì)納米材料與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，以及鋁質(zhì)納米材料在堿性環(huán)境下與水泥中的石膏發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石［7-9］。水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠相作為水泥硬化漿體中最復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)組成直接決定了水泥硬化漿體的微結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響混凝土宏觀力學(xué)性能和耐久性能［10］。

近年來研究者發(fā)現(xiàn)［11-15］，摻加人工合成的納米水化硅酸鈣（N-C-S-H）能夠顯著加速水泥的早期水化進(jìn)程，提高水泥砂漿的早期強(qiáng)度。盡管摻加N-C-S-H在加速水泥水化方面作用顯著，但水泥水化原本就是一個復(fù)雜的過程，在水泥早期水化階段，仍有眾多不同因素的作用尚未被考慮。例如：N-C-S-H摻加量的影響，尤其是高摻量N-C-S-H對水泥水化熱以及水泥砂漿早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的影響規(guī)律，目前相關(guān)研究報道尚不明確。

為深入研究摻加N-C-S-H對水泥水化熱及水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，本文分別從水泥水化放熱與砂漿抗壓強(qiáng)度兩個方面闡明摻加N-C-S-H的作用效果，并將N-C-S-H摻加到軌道板混凝土中，開展基于N-C-S-H的免蒸養(yǎng)軌道板的研究，驗(yàn)證N-C-S-H的工程應(yīng)用價值。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為中聯(lián)水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5水泥，比表面積為346 m2/kg。主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥的主要化學(xué)成分

砂采用符合TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》要求的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.65。N-C-S-H為采用共沉淀法自制的納米水化硅酸鈣，有效含固量為20.99%，平均粒徑d50為267 nm，pH值為11.6。本文中N-C-S-H均為外摻，并按折固質(zhì)量計算其在水泥中的實(shí)際摻量（即根據(jù)N-C-S-H在80℃條件下烘干至恒重的質(zhì)量計算其在膠凝材料中的摻量）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水化熱

采用0.3的水膠比，分別摻加0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的N-C-S-H制備水泥凈漿。將制備好的水泥凈漿稱量（5±0.001）g到安瓿瓶中，并采用TAM Air等溫微量熱儀測量水泥凈漿的水化熱。測試溫度為（25±0.01）℃，測試持續(xù)至72 h。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度

按表2所示的水泥砂漿配合比，采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》［16］規(guī)定的方法攪拌水泥砂漿。攪拌完成后將砂漿澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模中，并在混凝土振動臺上振動10 s后將砂漿表面刮平，然后按照文獻(xiàn)［16］規(guī)定的方法養(yǎng)護(hù)至測試齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

表2 水泥砂漿配合比

2 N-C-S-H對水泥水化與強(qiáng)度發(fā)展的影響

2.1 水化熱

N-C-S-H摻量對水泥水化放熱速率的影響曲線見圖1。可知，摻加N-C-S-H后水泥的水化加速期明顯提前，第二水化放熱峰值的出現(xiàn)時間從空白樣的12.8 h，分別縮短到10.18、9.29、9.68、8.23、6.25、5.78、5.51 h，同時第二水化放熱峰值從空白樣的1.86 mW/g，分別提高到了2.28、2.54、2.92、3.11、3.31、3.32、3.01mW/g。

圖1 N-C-S-H對水泥水化放熱速率的影響（72 h）

進(jìn)一步分析水泥水化加速階段發(fā)現(xiàn)（圖2），摻加N-C-S-H顯著提高了水泥漿體水化放熱速率曲線的斜率，明顯縮短了水泥水化“誘導(dǎo)期”，水化放熱效率明顯提高。這可能是由于N-C-S-H加速了水泥顆粒的初始水解速度，大量離子進(jìn)入到溶液中，加速了早期水化產(chǎn)物的形成，同時一部分未摻加早期水化的水泥顆粒提前進(jìn)行了水化反應(yīng)。當(dāng)N-C-S-H的摻量超過一定量后（6.0%或8.0%），水化放熱第二峰不再繼續(xù)提高，甚至出現(xiàn)了降低的發(fā)展趨勢。這與N-C-S-H摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相似。

圖2 N-C-S-H對水泥水化放熱速率的影響（20 h）

N-C-S-H摻量對水化放熱量的影響曲線見圖3?？芍瞻讟铀嗬塾嬎艧崃侩S水化時間的延長而增大。摻加N-C-S-H后，水泥累計水化放熱量的增長趨勢沒有明顯變化，而早期累計水化放熱量的增長速率則明顯提高，說明N-C-S-H對水泥水化的影響主要是在早齡期階段，特別是20 h前。

圖3 N-C-S-H對水泥累計水化放熱量的影響曲線

2.2 抗壓強(qiáng)度

N-C-S-H摻量對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度增長率的影響分別見圖4和表3。由圖4可知，摻加N-C-S-H可以顯著提高水泥砂漿的8 h和12 h抗壓強(qiáng)度，這與已有的研究成果一致。由表3可知，隨著N-C-S-H摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度增長率呈現(xiàn)先增長后降低的倒V形變化趨勢，表明N-C-S-H存在最佳摻量。對于8 h和12 h強(qiáng)度，最佳N-C-S-H摻量為4.0%。這可能是因?yàn)镹-C-S-H摻量過多，引入了大量的分散劑使水泥砂漿的結(jié)構(gòu)體不能有效生長等副作用導(dǎo)致的，齡期越長副作用越顯著。

圖4 N-C-S-H對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

表3 不同N-C-S-H摻量水泥砂漿抗壓強(qiáng)度增長率

在N-C-S-H摻量一定的情況下，隨著齡期的增長，砂漿的抗壓強(qiáng)度增長率逐漸降低，N-C-S-H對提升砂漿抗壓強(qiáng)度的效果逐漸減小，甚至出現(xiàn)負(fù)作用。N-C-S-H摻量為0.5%、1.0%、6.0%時，砂漿抗壓強(qiáng)度從28 d開始低于不摻N-C-S-H的空白砂漿，而N-C-S-H摻量為8.0%時，砂漿抗壓強(qiáng)度從3 d開始就低于空白砂漿。

3 N-C-S-H在免蒸養(yǎng)軌道板中的試應(yīng)用

3.1 免蒸養(yǎng)軌道板的制備

免蒸養(yǎng)軌道板用混凝土的制備是軌道板生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在軌道板試生產(chǎn)前應(yīng)采用所選水泥、摻和料、粗骨料、細(xì)骨料、外加劑等原材料制作抗凍性、電通量混凝土試件各一組，氯鹽環(huán)境作用下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件一組，進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)合NC-S-H摻量對水泥強(qiáng)度發(fā)展的影響規(guī)律以及典型軌道板混凝土配合比，確定免蒸養(yǎng)軌道板混凝土的配合比，見表4。

表4 N-C-S-H超早強(qiáng)混凝土配合比 kg·m-3

3.2 免蒸養(yǎng)軌道板的體積變形

分別對比了40℃蒸汽養(yǎng)護(hù)常規(guī)混凝土和摻加N-C-S-H的軌道板混凝土在25℃免蒸養(yǎng)條件下的性能。同時為了監(jiān)測軌道板的溫度和體積變形情況，在軌道板鋼筋網(wǎng)片上布置應(yīng)變計。

每塊軌道板綁扎5個應(yīng)變計，位置分別在中部表層x軸、中部底部x軸、中部底部y軸、端部表層x軸、端部底部x軸。具體見圖5。

圖5 應(yīng)變計的布置與安裝

不同養(yǎng)護(hù)條件下軌道板的應(yīng)變曲線見圖6。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下軌道板的應(yīng)變曲線

由圖6（a）可知，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下軌道板用混凝土內(nèi)部的應(yīng)變發(fā)生較大變化，養(yǎng)護(hù)溫度越高混凝土內(nèi)部應(yīng)變變化也越大。其中，混凝土的早期變形表現(xiàn)為膨脹變形，后期表現(xiàn)為收縮變形。這是因?yàn)樵谡羝B(yǎng)護(hù)早期，混凝土處于吸熱狀態(tài)，混凝土溫度升高體積膨脹。隨養(yǎng)護(hù)時間延長，水泥水化產(chǎn)生收縮。40℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，混凝土的應(yīng)變變形，養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土產(chǎn)生開裂的風(fēng)險越大。

由圖6（b）可知，蒸汽養(yǎng)護(hù)軌道板脫模后的應(yīng)變曲線在14 d收縮應(yīng)變達(dá)到270×10-6，而25℃免蒸汽養(yǎng)護(hù)軌道板14 d收縮應(yīng)變?yōu)?87×10-6，顯著低于蒸汽養(yǎng)護(hù)軌道板的應(yīng)變。

3.3 免蒸養(yǎng)軌道板的強(qiáng)度發(fā)展

軌道板用混凝土的脫模強(qiáng)度（16 h齡期的抗壓強(qiáng)度）采用三塊150 mm×150 mm×150 mm的同條件養(yǎng)護(hù)混凝土試塊進(jìn)行測試，結(jié)果見圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，在免蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，通過摻入1.0%的N-C-S-H，控制環(huán)境養(yǎng)護(hù)溫度不低于25℃，即可達(dá)到40℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土16 h的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度滿足大于45 MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。這與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果是一致的，而且28 d齡期時免蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土。以上試制研究說明，采用N-C-S-H并輔以保溫養(yǎng)護(hù)工藝的免蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土不僅能夠改善由高溫蒸汽所帶來的熱損傷問題，同時也可以顯著降低養(yǎng)護(hù)能耗。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)過程的軌道板混凝土的抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

1）N-C-S-H可顯著提升水泥水化放熱速率，具體表現(xiàn)為第二水化放熱峰左移，水化放熱峰值顯著提高，總的水化放熱量增加，當(dāng)N-C-S-H摻量超過6.0%后，第二水化放熱峰值便不再繼續(xù)提高。

2）N-C-S-H可顯著提高水泥砂漿的8 h和12 h抗壓強(qiáng)度，隨著N-C-S-H摻量的增加，砂漿8 h和12 h抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的發(fā)展趨勢；而在相同摻量條件下，隨著齡期的延長N-C-S-H對砂漿抗壓強(qiáng)度的提升效果逐漸減小，砂漿抗壓強(qiáng)度甚至?xí)档汀?/p>

3）N-C-S-H可顯著提升軌道板混凝土的早期強(qiáng)度，在25℃免蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下制備的軌道板混凝土抗壓強(qiáng)度得到進(jìn)一步增強(qiáng)，16 h脫模強(qiáng)度達(dá)到45.5 MPa，與常規(guī)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。