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)時間。研究表明,摻入8 %的高鋁水泥,初凝時間20 min ,加入高鋁水泥2 %的碳酸鋰后,初凝時間僅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: 　TU 522. 3 文獻標識碼: 　A 文章編號: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、快硬特種水泥(如硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等) ^{[1 ,2 ]} ,但這類特種水泥價格昂貴且產(chǎn)量小、分布不廣,限制了泡沫混凝土的廣泛應用。針對免蒸養(yǎng)工藝,該研究采用價格低廉、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)時間較長,其凝結(jié)硬化時間與泡沫的穩(wěn)定時間不匹配,導致發(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)時間,使水泥漿體硬化時間與泡沫的穩(wěn)定時間相一致。

1 　實　驗

1. 1 　原材料

　　普通硅酸鹽水泥, 42. 5R ,四川雙馬集團;高鋁水泥,A-50 ,貴州銀都耐火材料廠;碳酸鋰,市售; ISO 標準砂,市售。

1. 2 　配方設(shè)計

　　為使化學發(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,實驗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合體系早期水化電阻率的變化;用美國產(chǎn)AutoPore Ⅳ9500 壓汞儀對樣品孔結(jié)構(gòu)與孔分布進行研究。

2 　結(jié)果與討論

2. 1 　高鋁水泥、Li₂CO₃ 對普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響

　　1) 高鋁水泥對普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響　高鋁水泥對普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響測試結(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)時間。高鋁水泥摻入量小于6 %時,凝結(jié)時間的變化不敏感,摻量為6 %時,終凝時間僅縮短22. 6 %;但摻量為7 %時,凝結(jié)時間急劇縮短;當摻量為8 %時,凝結(jié)時間達到最短;之后隨著摻量的增加,其凝結(jié)時間無顯著變化。因此,高鋁水泥的摻量定為8 %。

　　對于普通硅酸鹽水泥與高鋁水泥復合凝結(jié)時間的縮短,袁潤章[3 ]的觀點能夠很好的解釋其原因,他在膠凝材料學中解釋快凝的原因為硅酸鹽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 復合體系對普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響　Matusinovic T^{[4 ]}研究表明在高鋁水泥中添加少量堿金屬鹽可對其凝固性產(chǎn)生顯著的影響。為了進一步調(diào)整基體材料的凝結(jié)時間,加入占高鋁水泥1 % —4 %的碳酸鋰,研究其對普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響,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)時間顯著縮短,其結(jié)果與Matusinovic T 的研究相一致。當加入高鋁水泥2 %的碳酸鋰時,復合體系的凝結(jié)時間達到最短,其凝結(jié)時間已遠遠低于泡沫的穩(wěn)定時間。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 對普通硅酸鹽水泥強度的影響

　　1) 高鋁水泥對普通硅酸鹽水泥強度的影響　眾所周知,復合化是改善水泥性能采用較多和有效的途徑之一?？v觀近年國內(nèi)外復合水泥的研究現(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,對其力學強度有很大影響,如表4 所示。

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

　　2) 高鋁水泥、Li₂CO₃ 復合體系對普通硅酸鹽水泥強度的影響　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)行為必定也會導致特有的宏觀性能?，F(xiàn)對9 ^# —12 ^# 試樣的強度進行研究,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 強度中,摻入3 %碳酸鋰(11 ^# ) 的抗折、抗壓強度降低較少;隨著水化的進行,在3 d 齡期之后,碳酸鋰摻入量為2 %(10 ^# ) 的強度最接近不摻時的強度。

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

　　采用壓汞儀對水化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 個等級,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的減小了。隨著水化的進行,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,這與強度值吻合。

2. 4 　高鋁水泥、碳酸鋰對水化普通硅酸鹽水泥物相的影響

　　對比3 個試樣的水化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,說明更多的C₃S 反應生成C-S-H;當加入高鋁水泥的促凝劑———鋰鹽后,Ca (OH) ₂ 的衍射峰強度明顯降低,并且從圖譜上發(fā)現(xiàn)了Li + 和AlO -2 反應生成的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間和終凝時間;在上述體系中加入少量碳酸鋰,可以進一步縮短凝結(jié)時間。

　　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;隨著水化進行到7 d 以后,普通硅酸鹽水泥和高鋁水泥復合體系的強度增加,這主要是由于其硬化漿體有害孔數(shù)量降低。

參考文獻

　　[1 ] 　高　倩,王兆利. 泡沫混凝土[J ] . 青島建筑工程學院學報,2002 ,23 (6) :113-115.

　　[2 ] 　王永滋. 粉煤灰泡沫混凝土的生產(chǎn)與應用[J ] . 福建建設(shè)科技,2001 , (2) :35-36.

　　[3 ] 　袁潤章. 在膠凝材料學[M] . 武漢:武漢工業(yè)大學出版社,1989.

　　[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.