丙烯酸钙与掺合料复合对水泥强度性能的影响研究

孙恒 韩丽 张文娟

摘 要：在水泥中添加矿物掺和料不仅可以节省水泥熟料，节约资源，保护环境，而且还可以提高水泥的性能。聚合物改性水泥以其独特的粘结强度，抗腐蚀能力，及抗渗防水效果也在水泥领域占有重要地位。本论文结合矿物掺和料与聚合物的优点，利用实验手段，研究了丙烯酸钙与矿物掺合料复合对水泥强度的影响。本文采用以粉煤灰和矿渣为变量，丙烯酸钙为定量，以水泥抗压强度指标，探讨丙烯酸钙与矿物掺合料复合对水泥强度性能的影响。经实验分析发现，复合1.5%的丙烯酸钙浆液与10%的矿渣可有效地提高水泥的强度16.45%。

关键词：矿物掺和料；聚合物；硅酸盐水泥；抗压强度

中图分类号：TQ172文献标识码： A

一、前 言

水泥中添加矿物掺合料，一方面能提高水泥的性能，另一方面减少了水泥孰料的使用，充分利用了工业废渣[1-3]。例如，矿渣水泥中，矿渣中的SiO2与Al2O3能和水泥水化产物中的Ca(OH)2反应，产生水化硫铝酸钙及C-S-H凝胶，以便水泥石中的Ca(OH)2含量降低，使抗硫酸盐腐蚀能力增强[4, 5]。由于水泥的相对耐久性不良，强度低，造成建筑物过早退役甚至倒塌，对建筑物的使用寿命及安全性不利[6-9]。矿物掺合料水泥或是聚合物改性水泥对水泥工业的发展带来了契机，它们以自己的优势在水泥领域中占有重要地位[10-12]

本文将自制水溶性的丙烯酸钙溶液与矿物掺合料按不同配比复合，掺入自制硅酸盐水泥中，通过检测标准稠度需水量，凝结时间，抗压和抗折强度，探索丙烯酸钙与矿物掺合料的复合效果，及复合对水泥性能的影响。通过分析整理数据，得出最优复合掺量，及影响规律。实验最后结合XRD和SEM等分析测试手段，进行丙烯酸钙与矿物掺合料复合改性的机理分析。

二、 实验部分

（1）制备丙烯酸钙：待配丙烯酸钙溶液的浓度为0.2g/ml，让79.59g的丙烯酸与60g的CaCO3反应，后用500ml的容量瓶定容即可。

（2）磨料（水泥熟料和石膏，矿渣）：需要10kg的水泥熟料和石膏，5kg的矿渣。首先把熟料，石膏，矿渣用颚式破碎机破碎，然后再用球磨机粉磨直到达到合适的粒度。最后进行混料，装入袋中，备用。

（3）配料：根据查找的相关文献，每一组矿物掺合料的配比设计（各种类占胶凝材料固体总质量的比例）如下表：

表2.1 矿物掺合料的种类及用量（%）

B01 B02 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9

粉煤灰 0 0 10 20 30 0 0 0 14 10 6

矿渣 0 0 0 0 0 10 30 50 6 10 14

水泥 10 10 90 80 70 90 70 50 80 80 80

丙烯酸钙浆液的量为胶凝材料固体质量的1.5%，其中促进剂、引发剂、交联剂占丙烯酸钙浆液质量的百分数分别为1.5%、2%、10%

(4)测标准稠度需水量与凝结时间：测标准稠度需水量时采用调整水量法，首次按水灰比为0.28. 凝结时间均采用国标规定的方法进行测试。

(5)测1d，3d，28d强度：对十组样进行水泥净浆成型后，分别测试试样的1d，3d，28d的抗压强度。

(6)进行电子扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）测试：对比较好的样品或异常样品通过电子扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）测试进行机理分析。

三、 结果与分析

经过抗压强度测试后，水泥净浆的1d，3d，28d的抗压强度如下：

表3.1 水泥净浆的1d，3d，28d的抗压强度

组号 丙烯酸钙/% 粉煤灰/% 矿渣/% 水灰比 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 0 0.267 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 0 0.28 27.43 50.94 88.95

B1 1.5 10 90 0.285 15.21 46.33 71.75

B2 1.5 20 80 0.292 12.33 39.10 69.38

B3 1.5 30 70 0.307 9.29 27.3 58.42

B4 1.5 10 90 0.262 25.54 50.50 89.67

B5 1.5 30 70 0.262 23.58 36.70 77.83

B6 1.5 50 50 0.265 22.00 33.10 81.33

B7 1.5 14 6 0.277 22.88 48.70 80.33

B8 1.5 10 10 0.278 22.04 45.00 79.08

B9 1.5 6 14 0.272 23.08 47.90 87.42

3..1 粉煤灰与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度影响的分析

表3.2与图3.1显示了粉煤灰掺量与水泥抗压强度之间的关系

表3.2 粉煤灰与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度

组号 丙烯酸钙/% 粉煤灰/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 27.43 50.94 88.95

B1 1.5 10 15.21 46.33 71.75

B2 1.5 20 12.33 39.10 69.38

B3 1.5 30 9.29 27.3 58.42

通过对比既不加丙烯酸钙浆液也不加矿物掺合料的水泥试样B01与只加丙烯酸钙浆液的水泥B02的1d，3d，28d的抗压强度可以知道，向水泥中添加丙烯酸钙浆液后，水泥的早期强度有所降低，但后期强度增高，增幅为15.5%。

图3.1 粉煤灰掺量与水泥抗压强度之间的关系

由图3.1可知，加入粉煤灰后水泥的1d，3d，28d的抗压强度均降低，且随着粉煤灰加入量的增加，抗压强度降低的越多。

通过对比既不加矿物掺合料又不加丙烯酸钙浆液的水泥试样B01的28d抗压强度，可以看出，加入粉煤灰后水泥的28d天强度不如既不加矿物掺合料又不加丙烯酸钙浆液的水泥的抗压强度高，这说明丙烯酸钙浆液的加入并不能改变粉煤灰降低水泥强度的现象。

3.2 矿渣与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度影响的分析

表3.3与图3.2显示了矿渣掺加量与水泥抗压强度的关系

由图3.2可知，加入矿渣后，丙烯酸钙改性水泥的的1d，3d的抗压强度降低，28d的抗压强度与矿渣的加量无相关性关系。

加入矿渣后水泥的28天强度均高于既不加矿物掺合料又不加丙烯酸钙浆液的水泥B01组，且B4组的28d强度要高于只加丙烯酸钙浆液B02组的强度。这表明不仅丙烯酸钙浆液能提高水泥的抗压强度，矿渣也能提高。

表3.3 矿渣与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度

组号 丙烯酸钙/% 矿渣/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 27.43 50.94 88.95

B4 1.5 10 25.54 50.50 89.67

B5 1.5 30 23.58 36.70 77.83

B6 1.5 50 22.00 33.10 81.33

图3.2 矿渣掺加量与水泥的抗压强度的关系

3.3 粉煤灰和矿渣双掺与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度影响的分析

表3.4与图3.3显示了粉煤灰和矿渣双掺与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度的影响。

表3.4 粉煤灰和矿渣双掺与丙烯酸钙浆液复合对水泥的抗压强度

组号 丙烯酸钙/% 粉煤灰/% 矿渣/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 0 27.43 50.94 88.95

B7 1.5 14 6 22.88 48.70 80.33

B8 1.5 10 10 22.04 45.00 79.08

B9 1.5 6 14 23.08 47.90 87.42

图3.3粉煤灰和矿渣双掺比与复合水泥的抗压强度的关系

由上图可看出，粉煤灰和矿渣双掺与丙烯酸钙浆液复合水泥的28d抗压强度均要大于既不掺丙烯酸钙浆液又不掺矿物掺合料水泥的抗压强度。

四、 结论

本次研究通过实验手段，探讨了丙烯酸钙与矿物掺和料复合对水泥强度影响。实验以丙烯酸钙为固定量，通过改变矿物掺和料的种类及掺量来寻找最佳的丙烯酸钙及矿物掺和料的配比。经过对不同种类及掺量矿物掺和料与丙烯酸钙浆液复合水泥的抗压强度测试，最终发现，丙烯酸钙浆液的掺入使水泥前期强度降低而后期强度增加。矿渣及粉煤灰的掺入均使掺有丙烯酸钙浆液水泥的早期强度降低，且随着加入量的增加，降幅变大。但是，掺有10%矿渣的丙烯酸钙浆液水泥的28d强度高，复合10%矿渣与丙烯酸钙浆液的水泥比空白样水泥的强度要高出16.45%。

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