賀帥，張長清，劉宗祺，杜明陽，方英杰，查道鋒

（華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

早強(qiáng)劑可以起到調(diào)節(jié)混凝土、砂漿或水泥凈漿凝結(jié)、硬化速度以改變其早期強(qiáng)度的作用[1]。早強(qiáng)劑主要包括無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑，如硫酸鹽系等；有機(jī)物類早強(qiáng)劑，如有機(jī)酸鹽( 甲酸鈣、乙酸鈉、草酸鈣等)、三乙醇胺、三異丙醇胺；復(fù)合型早強(qiáng)劑，如無機(jī)－有機(jī)復(fù)合類、無機(jī)－無機(jī)復(fù)合類或者有機(jī)－有機(jī)復(fù)合類[2]。由于復(fù)合早強(qiáng)劑常常比單組分的早強(qiáng)劑具有更好的效果，并且能夠改善單組分的某些不足[3]，因此我們研究了不含有害離子的有機(jī)－無機(jī)復(fù)合早強(qiáng)劑。

鋰鹽可以有效地抑制混凝土堿集料反應(yīng)膨脹，同時(shí)也對已發(fā)生堿骨料反應(yīng)的試樣具有一定的修復(fù)作用[4-6]。因此，對于堿骨料反應(yīng)的防治，世界上普遍開展的研究中就包括鋰鹽[7-8]。同時(shí)，研究表明，鋰鹽可以通過加快水化保護(hù)膜破裂，使水化誘導(dǎo)期縮短以提高油井水泥中 C3S、C2S 低溫水化能力，從而明顯縮短油井水泥的稠化時(shí)間[9-10]，具有早強(qiáng)效果。由此，本研究研制出一種含有鋰鹽的復(fù)合早強(qiáng)劑，可以提高早期強(qiáng)度，并深入研究了硝酸鋰對水泥凈漿早期強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料包括：①華新 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；②硝酸鋰（分析純，上海風(fēng)舜精細(xì)化工有限公司）；③無水硫酸鈉（分析純，精細(xì)化工有限公司）；④三乙醇胺（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

儀器包括：①JJ-1 型水泥攪拌器；②量筒；③燒杯；④玻璃棒；⑤滴管；⑥40mm×40mm 水泥模具及拆模工具；⑦電子天平（精度 0.1g）；⑧YE-30 型液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)；⑨YY-40B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)基本步驟

1.2.1 復(fù)合早強(qiáng)劑最佳配合比的確定

本次實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法，是指在試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康亩_定衡量試驗(yàn)結(jié)果的特征量稱為指標(biāo)。它可以是產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)（重量、尺寸、速度、溫度等），也可以是成本、數(shù)量、效率等。主要是利用 “正交表”來安排與分析多因素實(shí)驗(yàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是能在很多實(shí)驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，并通過少數(shù)實(shí)驗(yàn)方案的結(jié)果分析，推斷出最優(yōu)方案，并做進(jìn)一步的分析，得到更多的信息[11-16]。利用 L9(33) 正交表安排實(shí)驗(yàn)，因素水平表見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)正交設(shè)計(jì)因素水平表

由于天平的精度只能到 0.1g，故按最大濃度配制三乙醇胺溶液，按正交表中所需要的量進(jìn)行稀釋，稱量 LiNO3、Na2SO4混合攪拌，其溶質(zhì)摻量見表2 所示（表中數(shù)值均為百分比，以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)確定早強(qiáng)劑摻量，其中 O1表示空白組）。

表2 正交實(shí)驗(yàn)配比及分組表%

本實(shí)驗(yàn)中水灰比為 0.36。操作步驟為：稱量 700g 水泥，將配制好的溶液與水泥一起倒入水泥攪拌機(jī)攪拌，充分拌勻后，倒入水泥模具中，采用人工插搗成型的方法制作水泥凈漿試塊，在插搗完畢后要進(jìn)行人工振搗以減少水泥中的氣孔，制作成邊長為 40mm 的立方體水泥試塊，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度 20℃±1℃，相對濕度 90% 以上），養(yǎng)護(hù)至 1d、3d、7d、28d 時(shí)取出試塊進(jìn)行水泥抗壓實(shí)驗(yàn)，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果并記錄。

1.2.2 確定硝酸鋰最佳摻量

由于實(shí)驗(yàn)計(jì)量設(shè)備精度的限制，采取擴(kuò)大溶液配比總量的方法保證溶液的準(zhǔn)確配制，其硝酸鋰溶質(zhì)摻量為：0.05%,0.10%, 0.20%, 0.40%, 0.80%, 1.00%, 1.50% 共七組，由于復(fù)合早強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和硝酸鋰單摻早強(qiáng)試驗(yàn)是同時(shí)進(jìn)行的，且所用儀器、水泥、水泥試塊的水灰比以及試塊尺寸均相同，故共用空白對照組，不必另行設(shè)置硝酸鋰單摻早強(qiáng)試驗(yàn)的空白對照組。其中水灰比取 0.36，將配制好的溶液與水泥攪拌后采用也制作成邊長為 40mm 的立方體水泥試件，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度 20℃±1℃，相對濕度 90% 以上）。養(yǎng)護(hù)至 1d、3d、7d 時(shí)測水泥抗壓實(shí)驗(yàn)，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果并記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 復(fù)合早強(qiáng)劑最佳配合比的確定

2.1.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)抗壓實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)見表3，各組分摻量見表2。

表3 各組抗壓強(qiáng)度表

2.1.2 極差分析

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)分析法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，抗壓強(qiáng)度隨各個(gè)水平因素的變化情況見圖1。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨各水平因素變化趨勢圖

根據(jù)圖1 數(shù)據(jù)，可得到相應(yīng)極差數(shù)據(jù)，如下表4 所示。

表4 極差分析數(shù)據(jù)表MPa

由正交分析原理可得，某水平因素的極差越大，則該因素的變化對結(jié)果的影響就越大，該因素即為主要因素。由表5 可知，在 1d、3d、7d 齡期，硝酸鋰的極差最大，分別是12.2MPa、22.9 MPa、9.8 MPa，由此可得出，與其他兩種早強(qiáng)劑相較，硝酸鋰早強(qiáng)效果更為顯著。

2.1.3 方差分析

正交實(shí)驗(yàn)中，方差數(shù)據(jù)體現(xiàn)了該因子在所測數(shù)據(jù)中的貢獻(xiàn)作用大?。ㄈ?1d 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，因子 A 均方差較大，F(xiàn) 值較大，體現(xiàn) A 因子 1d 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用更大）。再由表5 知，對此處方差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

對于 1d 強(qiáng)度，A 因子作用效果顯著，B、C 作用效果不顯著，從經(jīng)濟(jì)性的角度選擇 A1B3C2。

對于 3d 強(qiáng)度，A 因子作用效果顯著，B、C 不顯著，從經(jīng)濟(jì)性的角度選擇選擇 A1B1C1。

對于 7d 強(qiáng)度，因子 A、B、C 作用效果均不顯著，從經(jīng)濟(jì)性的角度選擇選擇 A2B3C1。

對于 28d 強(qiáng)度，因子 A、B、C 作用效果均不顯著，從經(jīng)濟(jì)性的角度選擇選擇 A1B1C3。

表5 方差分析數(shù)據(jù)表

2.2 硝酸鋰單摻實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下硝酸鋰對水泥試塊的影響見圖2。

圖2 單摻硝酸鋰時(shí)水泥試件的強(qiáng)度分布圖

由圖2 可以分析得到：

對于早期 1d 強(qiáng)度最佳配比，硝酸鋰摻量在 0.10% 時(shí)早強(qiáng)效果最明顯，當(dāng)其摻量低于 0.10% 時(shí)，隨著摻量的增加，早強(qiáng)效果整體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢；當(dāng)摻量高于最佳摻量 0.10% 時(shí)，隨著摻量的增加，早強(qiáng)效果呈下降趨勢。結(jié)合空白組數(shù)據(jù)可知，硝酸鋰的早強(qiáng)效果在 0.10% 摻量時(shí)候最為明顯。

對于早期 3d 強(qiáng)度最佳配比分析，變化規(guī)律與早期 1d 強(qiáng)度最佳配比。硝酸鋰摻量在 0.10% 時(shí)早強(qiáng)效果最明顯，可判定硝酸鋰的早強(qiáng)作用最佳摻量為 0.10%。當(dāng)硝酸鋰摻量低于 0.10% 時(shí)，隨著其摻量的增加，水泥的強(qiáng)度整體呈上升趨勢，但在硝酸鋰摻量高于 0.10% 后，隨著摻量的增加，其早強(qiáng)效果逐漸下降。

對于早期 7d 強(qiáng)度最佳配比，硝酸鋰最佳摻量同樣是0.10%。其摻量對強(qiáng)度的影響規(guī)律與早期 1d 強(qiáng)度最佳配比的影響相似。

表6 是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下實(shí)驗(yàn)組和空白對照組的強(qiáng)度對比，括號中的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的強(qiáng)度最大值。

表6 抗壓強(qiáng)度比值 %(MPa)

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硝酸鋰摻量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 20℃ 時(shí)對水泥強(qiáng)度有明顯的影響。在摻量為 0.10% 時(shí)水泥塊具有最高早期強(qiáng)度。早強(qiáng)效果體現(xiàn)在 1d 和 3d 強(qiáng)度，與空白對照組相比，早期強(qiáng)度能提高約 10% 左右。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）以硝酸鋰、硫酸鈉、三乙醇胺為原料，配制出新型復(fù)合早強(qiáng)劑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其早期 1d 強(qiáng)度最佳組合配比為硝酸鋰 1.00%、硫酸鈉 1.07%、三乙醇胺 0.04%。

（2）該復(fù)合早強(qiáng)劑對普通硅酸鹽水泥的早期強(qiáng)度有提高作用，其 1d、3d 強(qiáng)度分別提高到 145.0%、125%，7d、28d強(qiáng)度無降低。

（3）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，硝酸鋰對普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度的影響，總體表現(xiàn)為先上升后下降趨勢，在較低摻量（0.05%～0.1%）時(shí)對水泥強(qiáng)度均有提高效果，且隨著硝酸鋰摻量的增加，早強(qiáng)效果逐漸提高；而達(dá)到最佳摻量 0.10%后，隨著摻量的增加，早強(qiáng)效果減弱，當(dāng)硝酸鋰摻量為 1.5%時(shí)，強(qiáng)度降低最多，僅為空白組的 84%，即過多摻入硝酸鋰會導(dǎo)致硅酸鹽水泥強(qiáng)度降低。

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