关于水利工程中Na+和K+与水泥基材料早期收缩性能的关系探究

(1. 上饶市水利科学研究所， 江西 上饶 334000；2. 上饶市水利水电工程建设监理中心，江西 上饶 334000)

关于水利工程中Na+和K+与水泥基材料早期收缩性能的关系探究

贾世锋1,2

(1. 上饶市水利科学研究所， 江西 上饶 334000；2. 上饶市水利水电工程建设监理中心，江西 上饶 334000)

本文通过改变水泥砂浆及水泥净浆中Na+、K+的不同比例，设计多种试验构件，探究Na+、K+碱金属离子比例变化对水泥基材料早期收缩性能的影响。 试验结果表明：K+、Na+碱金属离子可以促进水泥砂浆的自收缩性、干燥收缩性，其中K+的促进效果高于Na+；Na+碱金属离子可以改变水泥砂浆中的孔径结构比例、Al相结构及各成分比例，提升浆体收缩特性。

水泥基材料；早期收缩性；碱金属离子；Na+；K+

1 引 言

早期学者对于在水泥基材料中混入可溶性碱后两者的化学反应做了大量研究，而忽视了可溶性碱对于水泥基材料早期收缩性的影响。在水泥基材料中，碱主要以K2O和Na2O两种形式存在，由于中国水泥基材料各地生产原材料的差异，造成其相互比例不断波动，无法确定。为探究碱对水泥基材料早期收缩性的影响，以K+、Na+作为研究对象，从本质上揭示K+、Na+碱金属离子与水泥材料早期收缩性的关系，为防止水泥基材料的早期收缩提供实践参考。

国内关于碱金属离子与水泥基材料早期收缩性的研究较少，何真等人[1-6]一直关注这方面研究，就水泥基材料的早期收缩性、开裂敏感程度展开分析，依次分析可溶性碱、高效减水剂、K+、Na+对水泥基材料早期收缩性、体积稳定性、开裂敏感程度的影响关系。王茹、王国立[7-8]等人针对聚合物、纳米材料进行探讨，分析各化学物质对水泥基材料性能的影响，指出影响机理，完善水泥基材料性能变化因素。李中华[9]就磷酸镁水泥的特殊性，研究其早期收缩性能，探究其影响因素及变化规律。吴福飞[10]等人设计不同试验样本，分别改变外掺合料含量、水胶比例，试验分析各自的水化产物及化学性能，得到各因变量与自变量间的定性关系。综合分析上述文献成果，大部分提及可溶性碱对水泥基材料早期收缩性具有显著影响，但由于各种水泥中所含碱的存在形式及比例不同，无法把握各种碱对水泥基材料早期收缩性能的影响关系。

本文以改变K+、Na+的不同比例设计多种试验构件，探究碱金属离子比例变化对水泥基材料早期收缩性的影响。主要借助压汞法、固体核磁共振等测试技术测定各指标，从其收缩性、孔结构、AFt晶体变化三方面分析测定结果，从不同角度揭示K+、Na+碱金属离子不同含量与水泥基材料收缩性能的关系变化。

2 试验设计

2.1 试验材料及样本设计

根据研究目的，设计试验样本，变化Na+、K+碱金属离子含量。水泥选取普通水泥，其中碱含量当量值所占比重0.55%，具体化学成分见表1。砂选用2区2.54的中砂，颗粒大小分类见表2。水选用自来水即可。一般普通水泥中碱含量当量值所占比例最高是1.5%，为了探究碱金属离子含量对水泥基材料收缩性的影响，添加NaOH、KOH使其碱含量所占比例达1.6%。试验样本中水泥：砂：水的配合比是2.5∶5∶1，依据该比例依次设计基准水泥砂浆、过量Na+水泥砂浆、过量K+水泥砂浆、基准水泥净浆、过量Na+水泥净浆、过量K+水泥净浆试验样本，各自编号依次是JM、GNM、GKM、J、GN、GK，各试验样本配合比具体见表3。

表1 水泥化学成分情况 单位： %

表2 砂颗粒大小分类

表3 试验样本设计情况

2.2 试验方法

a. 收缩性。依据表3制成规格一致的各试验样本4个，在标准养护1d后拆模，2个样本密封后放入恒温20℃环境里养护，2个样本放入恒温20℃、相对湿度50%的环境中养护，分别借助砂浆比长仪测定各龄期的自收缩值与干燥收缩值。

b. 孔结构。结束4d的龄期，将各净浆试验样本利用酒精停止水化，置于54℃真空干燥12h，利用试验仪器运用压汞法进行孔结构测定。

c. 固体核磁共振技术。分别对12h、4d龄期的基准水泥净浆、过量Na+水泥净浆、过量K+水泥净浆试验样本(J-12h、GN-12h、GK-12h、J-4d、GN-4d、GK-4d)经过处理终止水化作用后，借助核磁共振技术测定水泥浆体中的Al相结构，用Al[t]表示，对相结构比例进行分析。

3 试验结果分析

3.1 收缩性

图1是基准水泥砂浆、过量Na+水泥砂浆、过量K+水泥砂浆自收缩对比曲线图。分析图1可知碱金属离子能有效改变水泥砂浆的自收缩变形，Na+、K+对比可知，Na+的促进效果弱于K+，且在早期尤为显著，在4d龄期时，GNM、GKM相对于JM增幅分别是28%、50%。图2是基准水泥砂浆、过量Na+水泥砂浆、过量K+水泥砂浆干燥收缩对比曲线图。分析图2可知，Na+、K同样可以改变水泥砂浆的干燥收缩变形，但对于早期水泥砂浆干燥收缩程度不同，在4d龄期时，Na+、K+对水泥砂浆的增幅分别是4%、33%。综合分析图1、图2可得：在各种养护条件下，过量碱对水泥基材料早期收缩性影响较大，且K+高于Na+的促进作用，特别在干燥条件下，效果更加明显。不同碱金属离子对于水泥基材料收缩性的影响是研究其与水泥基材料早期收缩性的重点。

图1 JM、GNM、GKM自收缩对比曲线

图2 JM、GNM、GKM干燥收缩对比曲线

3.2 孔结构

表4是过量Na+、K+碱金属离子净浆4d龄期时测定的孔结构数值。分析表4不难看出，GN-4d、GK-4d与J-4d相比较，在5～25nm范围内孔径分布提升，在大于75nm时孔径分布则下降。J-4d、GN-4d、GK-4d三者孔隙率基本保持一致，但比表面积依次升高。深入分析，可以得到碱金属离子对水泥净浆早期的总孔隙率影响不大，对其孔径分布影响较大，尤其是5～75nm的孔径。通过改变5～75nm孔径比例，维持总孔隙率不变，提升浆体收缩性能。

表4 过量Na+、K+建金属离子净浆4d龄期时测定的孔结构数值

3.3 AFt晶体变化

表5是过量Na+、K+碱金属离子不同龄期的Al相组成情况。分析表5不难看出，各个试验样本的水泥净浆Al相组成不断变化，尤其是AFt、AFm变化较大。在12h龄期测定AFt含量比例，过量Na+、K+的水泥浆体较基准水泥净浆下降显著，高达40%左右；在4d龄期测定的AFt含量比例，过量Na+、K+的水泥浆体较基准水泥净浆下降幅度高达75%左右。在4d龄期测定的AFm含量比例，过量Na+、K+的水泥浆体较基准水泥净浆增长显著，高达97.6%。

表5 过量Na+、K+碱金属离子不同龄期的Al相组成

在水泥砂浆水化前期，AFt主要是骨架作用，过量碱金属离子抑制AFt形成的同时，加速形成AFm的化学反应，一系列作用最终导致AFt含量降低，其骨架地位被削弱[11-12]。浆体内部孔径形成的毛细管应力使得碱金属离子收缩变形作用更加明显。除此之外，AFm分子体积远小于AFt分子体积，在一定程度上缩小了浆体体积。综上所述，碱金属离子主要是调整水泥砂浆中的Al相结构及各成分比例，进而影响浆体收缩特性。

4 结 论

本文改变Na+、K+的不同比例设计多种试验样本，探究碱金属离子比例变化对水泥基材料早期收缩性的影响。主要借助压汞法、纳米压痕、固体核磁共振等测试技术测定各指标，从其收缩性、孔结构、AFt晶体变化三方面分析其测定结果，从不同角度揭示Na+、K+碱金属离子不同含量与水泥基材料收缩性能的关系变化。最终得到如下结论：

a. Na+、K+碱金属离子对水泥基材料早期收缩性影响较大，且K+促进作用大于Na+，尤其是在干燥条件下更为显著。

b. Na+、K+碱金属离子净浆早期总孔隙率影响不大，主要增加其75nm以下的孔隙结构，增加其比表面积，改变浆体收缩特性。

c. Na+、K+碱金属离子主要是调整水泥砂浆中Al相结构及各成分的比例，进而影响浆体收缩特性。

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DiscussiononrelationshipofNa+andK+withearlyshrinkageperformanceofcementbasedmaterialsinhydraulicengineering

JIA Shifeng1, 2

(1.ShangraoWaterConservancyScientificResearchInstitute,Shangrao334000,China;2.ShangraoWaterConservancyandHydropowerEngineeringConstructionSupervisionCenter,Shangrao334000,China)

In the paper, a variety of test components are designed through changing different proportions of Na+and K+in cement mortar and cement slurry, thereby exploring the influence of Na+and K+alkali metal ion proportion change on early shrinkage performance of cement base material. The test results indicate that K+and Na+alkali metal ions can promote the self-contraction and drying shrinkage of cement mortar, wherein the promotion effect of K+is higher than that of Na+. K+and Na+alkali metal ions can change pore diameter structure ratio in cement mortar, Al phase structure and proportion of all components, and improve the shrinkage property of the mortar.

cement base material; early shrinkage; alkali metal ions; Na+; K+

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.013

TV42

A

1005-4774(2017)012-0050-04