用普通水泥制備泡沫混凝土基體材料的研究

摘　要: 　以普通硅酸鹽水泥作基材制備泡沫混凝土,為了與泡沫的穩(wěn)定時(shí)間相匹配,研究采用在普通水泥中摻入一定量的高鋁水泥和碳酸鋰來調(diào)整水泥漿的凝結(jié)時(shí)間。研究表明,摻入8 %的高鋁水泥,初凝時(shí)間20 min ,加入高鋁水泥2 %的碳酸鋰后,初凝時(shí)間僅12 min。XRD、孔結(jié)構(gòu)分析表明:在普通水泥中碳酸鋰,有LiH(AlO₂ ) 2·5H₂O 沉淀物生成,加速了鋁酸鈣的水化,但水化3 d 漿體有害孔數(shù)量增加。

關(guān)鍵詞: 　泡沫混凝土; 　普通水泥; 　高鋁水泥

中圖分類號(hào): 　TU 522. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 　A 文章編號(hào):1671-4431 (2008) 05-0035-03

　　目前,國內(nèi)制備泡沫混凝土的基體材料主要選用早強(qiáng)、快硬特種水泥(如硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等) ^{[1 ,2 ]} ,但這類特種水泥價(jià)格昂貴且產(chǎn)量小、分布不廣,限制了泡沫混凝土的廣泛應(yīng)用。針對(duì)免蒸養(yǎng)工藝,該研究采用價(jià)格低廉、分布普遍的普通硅酸鹽水泥作基材制備泡沫混凝土。由于普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較長,其凝結(jié)硬化時(shí)間與泡沫的穩(wěn)定時(shí)間不匹配,導(dǎo)致發(fā)泡后的漿體塌陷。為解決此問題,擬采用在普通硅酸鹽水泥中摻入少量的高鋁水泥和碳酸鋰來調(diào)整水泥漿的凝結(jié)時(shí)間,使水泥漿體硬化時(shí)間與泡沫的穩(wěn)定時(shí)間相一致。

1 　實(shí)　驗(yàn)

1. 1 　原材料

　　普通硅酸鹽水泥, 42. 5R ,四川雙馬集團(tuán);高鋁水泥,A-50 ,貴州銀都耐火材料廠;碳酸鋰,市售; ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂,市售。

1. 2 　配方設(shè)計(jì)

　　為使化學(xué)發(fā)泡劑的穩(wěn)定性能與泡沫混凝土凝結(jié)硬化性能相匹配,實(shí)驗(yàn)通過加入少量的高鋁水泥和碳酸鋰來調(diào)整硅酸鹽水泥漿的凝結(jié)時(shí)間,其配方見表1 。

1. 3 　性能測試

　　按照GB/ T 1346 —2001 、GB/ T 17671 —1999 測試相關(guān)性能參數(shù)。用日本產(chǎn)D/ max ⅡA 型XRD 對(duì)水泥水化物相分析(Cu 靶,Kα射線,λ= 0. 154 06 nm) ;用香港科大產(chǎn)CCR-1 型無接觸電阻率測定儀測定復(fù)合體系早期水化電阻率的變化;用美國產(chǎn)AutoPore Ⅳ9500 壓汞儀對(duì)樣品孔結(jié)構(gòu)與孔分布進(jìn)行研究。

2 　結(jié)果與討論

2. 1 　高鋁水泥、Li₂CO₃ 對(duì)普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

　　1) 高鋁水泥對(duì)普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響　高鋁水泥對(duì)普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響測試結(jié)果見表2 。

　　從表2 的測試結(jié)果可知:在普通硅酸鹽水泥中摻入少量高鋁水泥( < 10 %) ,可以明顯縮短普通硅酸鹽水泥漿的凝結(jié)時(shí)間。高鋁水泥摻入量小于6 %時(shí),凝結(jié)時(shí)間的變化不敏感,摻量為6 %時(shí),終凝時(shí)間僅縮短22. 6 %;但摻量為7 %時(shí),凝結(jié)時(shí)間急劇縮短;當(dāng)摻量為8 %時(shí),凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最短;之后隨著摻量的增加,其凝結(jié)時(shí)間無顯著變化。因此,高鋁水泥的摻量定為8 %。

　　對(duì)于普通硅酸鹽水泥與高鋁水泥復(fù)合凝結(jié)時(shí)間的縮短,袁潤章[3 ]的觀點(diǎn)能夠很好的解釋其原因,他在膠凝材料學(xué)中解釋快凝的原因?yàn)楣杷猁}水泥中的石膏和硅酸三鈣水化所析出的Ca (OH) ₂ 均能加速高鋁水泥的凝結(jié),而且高鋁水泥的水化產(chǎn)物CAH₁₀和C₂AH₈ 以及AH₃ 凝膠遇Ca (OH) ₂ 立即轉(zhuǎn)變成C₃AH₆ 。

　　2) 高鋁水泥、Li₂CO₃ 復(fù)合體系對(duì)普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響　Matusinovic T^{[4 ]}研究表明在高鋁水泥中添加少量堿金屬鹽可對(duì)其凝固性產(chǎn)生顯著的影響。為了進(jìn)一步調(diào)整基體材料的凝結(jié)時(shí)間,加入占高鋁水泥1 % —4 %的碳酸鋰,研究其對(duì)普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響,結(jié)果見表3 。

　　從表3 得出,在普通水泥中加入高鋁水泥和碳酸鋰后,凝結(jié)時(shí)間顯著縮短,其結(jié)果與Matusinovic T 的研究相一致。當(dāng)加入高鋁水泥2 %的碳酸鋰時(shí),復(fù)合體系的凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最短,其凝結(jié)時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泡沫的穩(wěn)定時(shí)間。因此碳酸鋰的

　　摻量定為高鋁水泥摻量的2 %。

2. 2 　高鋁水泥、Li₂CO₃ 對(duì)普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度的影響

　　1) 高鋁水泥對(duì)普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度的影響　眾所周知,復(fù)合化是改善水泥性能采用較多和有效的途徑之一。縱觀近年國內(nèi)外復(fù)合水泥的研究現(xiàn)狀,主要集中在混合材方面,不同系列水泥間的復(fù)合研究很少。在普通硅酸鹽水泥中加入不同比例的高鋁水泥,對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度有很大影響,如表4 所示。

　　由表4 可以看出,隨著高鋁水泥摻量的增加( < 8 %) ,復(fù)合水泥的1 d、3 d 強(qiáng)度逐漸降低,但水化7 d 后,抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增加,并且28 d 強(qiáng)度高于純普通硅酸鹽水泥。其中,當(dāng)摻入8 %的高鋁水泥時(shí),復(fù)合水泥的7 d、28 d 強(qiáng)度達(dá)到最大,之后隨著高鋁水泥摻量的增加,復(fù)合水泥的強(qiáng)度則呈現(xiàn)顯著降低的趨勢。

　　2) 高鋁水泥、Li₂CO₃ 復(fù)合體系對(duì)普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度的影響　在普通硅酸鹽水泥中加入一定量的高鋁水泥和碳酸鋰,其特殊的凝結(jié)行為必定也會(huì)導(dǎo)致特有的宏觀性能。現(xiàn)對(duì)9 ^# —12 ^# 試樣的強(qiáng)度進(jìn)行研究,結(jié)果如表5所示。

　　由表5 可以看出,在高鋁水泥2普通硅酸鹽水泥中摻入一定比例的碳酸鋰,抗折、抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低。Matusinovic T^{[4 ]}也得到相同結(jié)論。其中在1 d 強(qiáng)度中,摻入3 %碳酸鋰(11 ^# ) 的抗折、抗壓強(qiáng)度降低較少;隨著水化的進(jìn)行,在3 d 齡期之后,碳酸鋰摻入量為2 %(10 ^# ) 的強(qiáng)度最接近不摻時(shí)的強(qiáng)度。

2. 3 　高鋁水泥、碳酸鋰對(duì)普通硅酸鹽水泥孔結(jié)構(gòu)的影響

　　采用壓汞儀對(duì)水化3d、28 d 的1 ^# 、6 ^# 以及10 ^# 試樣的硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布進(jìn)行了測試,結(jié)果見表6 。

　　由表6 可以看出,隨著在普通硅酸鹽水泥中加入高鋁水泥和碳酸鋰,水化3 d 漿體的孔結(jié)構(gòu)有粗化的趨勢,即大孔逐漸增多,小孔逐漸減少。吳中偉院士[5 ]將硬化水泥漿體中的孔分為無害孔、少害孔、有害孔和多害孔4 個(gè)等級(jí),其中無害孔孔徑范圍小于20 nm ,少害孔孔徑范圍在20 —100 nm ,有害孔孔徑范圍為100 —200 nm ,多害孔孔徑大于200 nm。普通硅酸鹽水泥水化3 d 的有害孔體積為1. 7 % ,而摻高鋁水泥的試樣(6 ^# ) 有害孔的體積為1. 8 % ,當(dāng)再加入碳酸鋰(10 ^# ) ,有害孔的體積增加到1. 9 %;試樣6 ^# 和10 ^#水化3 d 的少害孔分別較1 ^# 樣的34. 8 %增加2. 3 %、11 %至35. 6 %、38. 6 %;同時(shí)摻入高鋁水泥和碳酸鋰后,水化3 d 的無害孔較純水泥也相應(yīng)的減小了。隨著水化的進(jìn)行,水化28 d 的6 ^# 試樣的多害孔、有害孔和少害孔均最少,1 ^# 試樣次之,10 # 試樣最多,這與強(qiáng)度值吻合。

2. 4 　高鋁水泥、碳酸鋰對(duì)水化普通硅酸鹽水泥物相的影響

　　對(duì)比3 個(gè)試樣的水化3 d 的XRD 圖譜,可以看出,加入高鋁水泥后,普通硅酸鹽水泥早期水化產(chǎn)物Ca (OH) ₂的衍射峰強(qiáng)度有所降低,是由于部分Ca (OH) ₂ 參與了高鋁水泥的水化,從而加速了凝結(jié);并且C₃S的特征衍射峰明顯降低,C-S-H 衍射峰增強(qiáng),說明更多的C₃S 反應(yīng)生成C-S-H;當(dāng)加入高鋁水泥的促凝劑———鋰鹽后,Ca (OH) ₂ 的衍射峰強(qiáng)度明顯降低,并且從圖譜上發(fā)現(xiàn)了Li + 和AlO -2 反應(yīng)生成的LiH(AlO₂) ₂·

　　5H₂O 沉淀的特征曲線(2. 66 ,1. 53 ,2. 42) ,正是LiH(AlO₂) ₂·5H₂O 沉淀的形成為成核奠定了基礎(chǔ),而加速了鋁酸鈣的水化^{_{[6 ]}} 。

3 　結(jié)　論

　　a. 在普通硅酸鹽水泥中加入一定量的高鋁水泥,可以大幅度縮短初凝時(shí)間和終凝時(shí)間;在上述體系中加入少量碳酸鋰,可以進(jìn)一步縮短凝結(jié)時(shí)間。

　　b. 在普通硅酸鹽水泥中加入高鋁水泥和碳酸鋰后,早期強(qiáng)度降低,其主要原因是水化漿體中的有害孔數(shù)量增加;隨著水化進(jìn)行到7 d 以后,普通硅酸鹽水泥和高鋁水泥復(fù)合體系的強(qiáng)度增加,這主要是由于其硬化漿體有害孔數(shù)量降低。

參考文獻(xiàn)

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　　[4 ] 　Matusinovic T ,Curlin D. Lithium Salts as Set Accelerators for High Alumina Cement [J] . Cement and Concrete Research ,1993 ,23 (4) : 885-895.

　　[5 ] 　吳中偉,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京,中國鐵道出版社,1999.

　　[ 6 ] 　Ping GU , Beaudoin J J . Lithium Salt-based Additives for Early Strength-enhancement of Ordinary Portland Cement-high Alu-mina Cement Paste[J ] . Journal of Materials Science Letters. 1997 ,16 :696-698.