养护温度对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥体系性能的影响

史　琛，刘　磊

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安　710055)



养护温度对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥体系性能的影响

史琛，刘磊

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安710055)

实际修补工程的环境温度变化大，而不同温度会对胶凝体系水化反应和水化产物的稳定性产生影响，本文通过测试以不同比例复合的硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥体系性能，选择合适配比，再通过测试复合体系在不同养温度下的流动度、凝结时间、膨胀性和强度，研究不同养护温度对复合体系各项性能的影响规律，并采用XRD分析其变化机理。试验结果表明：随着硫铝酸盐水泥掺量增大，水化反应加快，凝结时间缩短，强度发展快，但在温度高于35℃时，复合体系水化产物后期发生分解，使强度和膨胀性能下降。

硅酸盐水泥； 硫铝酸盐水泥； 钙矾石； 养护温度

1　引　言

现今混凝土由于各种原因而破坏，为了保证建筑结构的安全和建筑功能的正常使用，要对已破坏的混凝土进行修复。硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥是以一定比例混合的复合体系,其成本较低，具有较好的使用性能，并且与原有结构有很好的相容性，目前已经在修补工程中大量使用。我国实际工程应用中，施工环境温度变化大，硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥体系的水化受温度影响大，并且硫铝酸盐水泥的主要水化产物钙矾石(AFt)很不稳定，在温度高于65 ℃时会分解成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)，分解后在适宜的温湿度条件下又会重结晶生成二次钙矾石，对强度和膨胀性能产生影响[1]，而不同温度对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系水化过程和产物的影响规律和机理尚未见有文献报道。因此，本文研究不同温度对该复合体系水化过程和性能的影响，旨在对工程实际应用提供指导依据。

2　试　验

2.1原材料

(1)硅酸盐水泥：采用西安雁塔水泥股份有限公司生产的P·O 42.5水泥，其化学成分如表1所示。

表1　硅酸盐水泥的化学成分

(2)硫铝酸盐水泥：采用河南中泰水泥有限公司生产的强度等级为42.5的低碱度硫铝酸盐水泥，其化学成分如表2所示。

表2　硫铝酸盐水泥的化学成分

(3)其他试验原材料：标准砂由厦门艾思欧标准砂有限公司生产。减水剂选用萘系减水剂，掺量1.5%，减水率30%。

2.2试验方法

水泥净浆流动度按GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》标准规定测试，水泥标准稠度用水量和凝结时间按GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定，胶砂强度按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定。限制膨胀率测定按照《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)标准中规定的试验方法测定，试件的制备和养护与力学性能测定的试件相同。试验原材料、搅拌锅和试模在试验前均放置于对应养护温度下48 h以上，以保证初始试验的测试环境。

XRD分析样品制备：将需要检测的配方制成水灰比0.29的净浆，并与胶砂试件放在相同养护条件下分别养护60 min和1 d后，用无水乙醇终止水化。

3　结果与讨论

3.1硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系配比优化

将硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥(S∶P)分别以2∶8、3∶7、4∶6和5∶5的比例复合，测试复合体系流动度、凝结时间和胶砂强度，研究它们之间的变化规律最后确定复配合理比例，试验结果如表3所示。

表3　复合比例对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥胶凝体系性能的影响

在硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合体系中，随着硫铝酸盐水泥所占比例增大初始流动度变大，但流动度经时损失也随之增大，4∶6和5∶5复合的样品在30 min时就已经失去了流动性，而2∶8复合的样品在50 min时仍具有流动性。随着硫铝酸盐水泥比例的增加，复合胶凝体系的初凝和终凝时间明显缩短，初凝到终凝的时间间隔缩短。硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的矿物组成不同，以不同的比例混合后两种水泥的矿物水化时会相互影响。硫铝酸盐水泥中无水硫铝酸钙矿物所占比例最大，并且其对减水剂的吸附性远大于其他矿物，因此随着硫铝酸盐水泥掺量增大，浆体初始流动度明显增大。硅酸盐水泥中C3S水化产生的氢氧化钙(CH)也参与了AFt生成的反应，此反应可以促进无水硫铝酸钙的水化，而CH的消耗同时也促进了硅酸盐水泥的水化[2,3]，因此随着硫铝酸盐水泥掺量增加，复合体系水化反应加快，流动度经时损失变大，凝结时间缩短。硫铝酸盐水泥掺量较大的4∶6和5∶5试样，其1 d龄期的抗折强度就已经达到最大，后期强度基本不增长，甚至出现倒缩，而硫铝酸盐水泥掺量较少的两组抗折强度持续增长，这是由于硫铝酸盐水泥水化产物AFt稳定性差所致。复合体系的抗压强度以5∶5试样的强度发展最快，3 d抗压强度就已经接近60 MPa，但后期发展较慢。

以强度等级为42.5的水泥为例，目前市售普通硅酸盐水泥P·O42.5的价格为300～400元/t，而硫铝酸盐水泥SAC42.5的价格为600～1000元/t，虽然水泥价格因地区差异有所不同，但硫铝酸盐水泥的价格仍然远高于硅酸盐水泥。综合考虑施工性能、强度和经济的要求，硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥以2∶8比例复合使用效果最好，成本最低，故选用此比例研究不同养护温度对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合胶凝体系性能的影响。

3.2温度对复合体系流动性的影响

根据实际施工条件，选择5 ℃、15 ℃、20 ℃和35 ℃不同试验温度，测试复合体系的流动度及其经时损失，试验结果如图1所示。

图1　温度对复合体系流动性的影响Fig.1　Influence of temperature on the fluidity of compound cementitious system

图2　温度对复合体系凝结时间的影响Fig.2　Influence of temperature on the setting time of compound cementitious system

由图1可以看出，温度对复合体系初始流动度的影响不大，但对复合体系流动度经时损失的影响较大，温度越高复合体系的流动度经时损失越大，35 ℃条件下浆体在20 min时就失去了流动性，而5 ℃条件下浆体在60 min时仍具有流动性。这是由于温度越高，复合体系矿物水化反应越快，温度越低水化反应越慢所致。

3.3温度对复合体系凝结时间的影响

通过试验测试不同温度下复合体系的凝结时间，结果如图2所示。可以看出，温度越高复合体系初凝和终凝的时间越短，并且初凝到终凝之间的时间间隔越短。5 ℃时复合体系的初凝时间131 min，终凝时间为151 min，初凝和终凝之间相差20 min，而35 ℃时复合体系的初凝时间仅为35 min，终凝时间为37 min，初凝和终凝的时间间隔仅为2 min。这也是由于温度对复合体系水化反应的影响造成的，温度越高水化反应越快，晶体生长速度越快[4]，水化产物相互交织，浆体很快硬化[5]。

图3　养护温度对复合体系限制膨胀率的影响Fig.3　Effect of curing temperature on the restrained expansion of compound cementitious system

3.4养护温度对复合体系膨胀性能的影响

为了研究不同养护温度对复合体系膨胀性能的影响，测定了不同养护温度下试样1 d、3 d和7 d的膨胀率，测试结果如图3所示。温度越高复合体系膨胀率越高，35 ℃养护的试样膨胀率达0.036%，而5 ℃养护的试样膨胀率只有0.02%，但35 ℃养护的试样后期膨胀率降低，其他温度下的复合体系的膨胀率持续增长，温度越低增长越慢。

复合体系膨胀率随养护温度上升而增高的原因是其水化反应随养护温度上升而加快，体系产生的AFt增多[6]，所以复合体系的膨胀率越高，而35 ℃养护的试样后期膨胀率降低可能是由于AFt的分解造成的[7]，说明在此复合体系中生成的AFt的分解温度可能低于65 ℃。

3.5养护温度对复合体系强度的影响

研究测试了不同养护温度对复合体系抗折和抗压强度的影响，结果如图4所示。

图4　养护温度对复合体系强度的影响Fig.4　Influence of curing temperature on the strength of compound cementitious system

由图4可以看出，温度越高复合体系强度发展越快，5 ℃养护的试样各个龄期的强度均最低，15 ℃养护的试样早期强度低但后期增大幅度最大，20 ℃养护的试样早期强度仅次于35 ℃养护的试样并且后期强度发展稳定，说明此复合体系的最佳养护温度是20 ℃。

35 ℃养护的试样1 d和3 d强度均最高，但后期强度倒缩，这可能是由以下三方面的原因造成：第一，养护温度越高，水化反应速度越快，早期强度发展越快，但胶凝材料快速水化形成的主要水化产物晶体粗大并且来不及在浆体中均匀分布，造成部分区域产物数量多，部分区域水化产物数量少[8]，水化产物分布不均会影响后期强度的发展；第二，硫铝酸盐水泥的水化产物AFt不稳定，极易分解释放游离水而造成结构不稳定强度下降；第三，硅酸盐矿物水化较慢，对复合体系后期强度的贡献大，而由于养护温度高早期大量生成的水化产物包裹硅酸盐水泥未水化的颗粒，制约了硅酸盐水泥矿物后期的水化，从而影响复合体系后期强度的发展。

3.6XRD分析

为了进一步了解复合胶凝体系的水化产物，选取5 ℃、20 ℃和35 ℃ 温度下养护60 min和1 d的水化样品进行XRD试验，结果如图5所示。

由图5可以看出，复合体系主要的水化产物为AFt，温度越高，AFt峰就越强，说明产生AFt的量就越多，温度越低无水硫铝酸钙峰的强度越大，说明有大量的无水硫铝酸钙未反应，可以证明复合体系早期水化中，温度越低水化反应越慢。水化1 d后AFt峰的数量明显增多，说明在此期间内复合体系的水化反应仍在进行并且以硫铝酸盐水泥的水化为主。5 ℃养护的样品仍有很强的无水硫铝酸钙峰，说明在此养护温度下1 d后无水硫铝酸钙仍在继续水化。35 ℃和20 ℃养护的样品无水硫铝酸钙峰消失，说明在此温度下无水硫铝酸钙已经完全水化。35 ℃养护的样品AFt峰强减弱说明在此温度下AFt已经开始分解[9]。

图5　复合胶凝体系不同水化时间XRD测试结果Fig.5　XRD patterns of the compound cementitious at the different curing time

4　结　论

本文研究了不同养护温度对硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系性能的影响,得出以下结论：

(1)硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合体系中，随着硫铝酸盐水泥比例的增加，复合体系的水化速度加快，凝结时间缩短，初凝和终凝时间间隔缩短，流动度经时损失变大。无水硫铝酸钙和硅酸盐矿物在水化过程中相互促进，加速复合体系的水化，经研究表明硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥以2∶8比例复合作为修补材料使用能够获得较好的性能和经济性。随着硫铝酸盐水泥比例的增加，复合体系早期强度发展越快，但后期强度不稳定并且抗折强度明显降低，因此对于道路或抗折要求高的修复工程应限制硫铝酸盐水泥的掺量;

(2)养护温度越高，复合体系的水化速度越快，流动度损失越大，凝结时间缩短，膨胀率越高，早期强度越高，但养护温度大于35℃时复合体系后期会出现强度倒缩;

(3)XRD分析可知复合体系初期主要的水化产物是AFt，温度越高，无水硫铝酸钙的水化反应越完全，AFt生成量越大，对早期强度的贡献越大，但当养护温度大于35 ℃时AFt就会发生分解反应造成强度及膨胀率的下降。

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Effect of Curing Temperature on the Performances of Portland Cement-Sulphoaluminate Cement Compound Cementitious System

SHIChen，LIULei

(School of Materials and Minerals,Xi’an University of Architecture Science and Technology,Xi’an 710055,China)

The actual repair projects have large changes in ambient temperature, the temperature would influence the hydration of cementitious system. In this paper, the performances of different ratio composite system were tested and then choose the proper proportion. The performance of composite system in different curing temperature were studied by testing the fluidity, setting time, expansion rate and strength. The results show that with the increase of sulphoaluminate cement, the hydration reaction faster, setting time shorter, strength development faster, but at temperature higher than 35 ℃, the hydration products of the composite system can decompose which affecting the strength and the expansion rate.

portland cement;sulphoaluminate cement;ettringite;curing temperature

西安建筑科技大学校科技基金(QN1421);西安建筑科技大学校人才科技基金(RC1341);西安建筑科技大学材料与矿资学院青年博士基金.

史琛(1985-)，女，博士，讲师.主要从事建筑材料方面的研究.

TU398.9

A

1001-1625(2016)06-1720-05