楊成梅，謝 竺

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830002）

前 言

水泥作為主要的建筑材料，被廣泛用于各類建造場所，這就奠定了水泥及其衍生物在建筑行業(yè)的主導(dǎo)地位。但普通水泥在24h前強度發(fā)展較緩慢，水泥的改性顯得尤為重要。目前最經(jīng)濟有效的改性方法是添加外加劑，其中早強劑因性能優(yōu)良被廣泛使用[1～2]。但目前市面上的早強劑，大多存在堿含量多的問題，進而對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。市場上早強劑大致可分為三類：無機類、復(fù)合類和有機類。無機類價格低廉，且早強性能優(yōu)異，但無機類中包含大量的Cl-和離子，從而極易腐蝕混凝土中的鋼筋。而為了解決早強水泥成本高的問題，人們在水泥中摻入部分粉煤灰替代，以此降低成本。但粉煤灰的使用需要在堿性激活后釋放出發(fā)揮作用的組分SiO2及Al2O3,且單獨使用時仍然存在很多問題，需要和其他添加劑復(fù)合使用[3～5]。由此，人們嘗試將水滑石（Ca-Al-Cl LDH）（化學(xué)通式：結(jié)合粉煤灰摻入到水泥中，進而改善混凝土的性能。而之所以加入水滑石，是因為這種物質(zhì)是一種雙層的堿性黏土材料，能很好地改善混凝土的性能[6,7]。目前關(guān)于早強劑的研究中，人們開始改變以往單一的摻入，而在摻入水滑石的基礎(chǔ)上，摻入復(fù)合有機或無機早強劑。但實驗發(fā)現(xiàn)，水滑石結(jié)合TIPA等早強劑雖然可改善水泥早期的強度，但是提升的比例不大。因此本研究以水滑石作為主要的早強材料，在單摻傳統(tǒng)有機早強劑的思路上，提出有機-無機早強劑聯(lián)合水滑石和粉煤灰，進而探討摻入后的改進性能，改變傳統(tǒng)硅酸鹽水泥性能，為提升混凝土性能提供有益的實驗實踐。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的材料見表1所示。

表1實驗主要化學(xué)材料Table 1 The main chemical materials for the experiment

1.2 實驗設(shè)備

本實驗主要采用的設(shè)備見表2所示。

表2實驗主要設(shè)備Table 2 The main experimental equipment

1.3 實驗思路

本實驗的試驗思路是以Ca-Al-Cl LDH作為主要早強劑，然后在該早強劑中摻入復(fù)合早強劑，并聯(lián)合粉煤灰和少量的羧酸減水劑摻入水泥中，以查看水泥性能。其中，在Ca-Al-Cl LDH的制備中，參考馬夢曉（2019）的實驗，采用乙醇-水熱法，以氫氧化鈉、氯化鈣、氯化鋁作為原材料進行制備，最后對制備好的水泥性能進行分析。

1.4 測定指標

本實驗主要測定以下幾個指標：

1.4.1 抗壓強度

將水泥漿體倒入70mm×70mm×70mm塑料三聯(lián)模具中，在20℃、97%濕度下進行恒溫恒濕養(yǎng)護12h。取養(yǎng)護試件放在壓力試驗機上，實驗三次，最后取抗壓強度的平均值?？箟簭姸扔嬎愎綖椋?/p>

其中，f表示抗壓強度；A表示受壓面積；P為破壞荷載。

1.4.2 流動度

取600g水泥及外加劑，加入210g水攪拌2min，然后將混合的漿體倒入模具中，一邊按下計時器，一邊將水泥漿豎直提起。記錄30s水泥漿互相垂直的兩個流淌部分的最大直徑，并根據(jù)該測量長度計算平均值。

1.4.3 初凝時間

初凝時間是指水泥從加水到開始失去塑性的時間。本實驗采用維卡儀對初凝時間進行測定，具體則是將初凝試針安裝在滑動桿的下方，下降到水泥表面，擰緊螺絲后讓試針緩慢降落，直到不能再降，記錄試針與底板的距離。每5min重復(fù)以上測量，直到試針與底板距離在3～5mm時停止。

1.4.4 SEM與XRD分析

通過表2的掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對制備的水泥試件進行分析，從而得到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和含量。

2 實驗結(jié)果

為研究摻入Ca-Al-Cl LDH、有機-無機與粉煤灰后對水泥性能的影響，設(shè)定水灰比為0.35，然后采用單摻和遞進復(fù)摻的方法向水泥中加入粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH等早強劑。

2.1 單摻水滑石的水泥試件抗壓強度

單摻Ca-Al-Cl LDH，并測定水泥試件在1d后的抗壓強度，具體如圖1所示。

圖1水滑石摻量對水泥試件抗壓強度的影響Fig.1 The effect of hydrotalcite content on the compressive strength of cement specimens

根據(jù)抗壓強度測試結(jié)果看出，當單摻的Ca-Al-Cl LDH量為2%時，得到的抗壓強度最大，為13.5MPa。此后隨著摻量的增加，抗壓強度不斷減小。

2.2 單摻TEA的水泥試件抗壓強度

同樣在水泥中單摻TEA早強劑，并通過公式（1）計算1d試件的抗壓強度，得到表3的結(jié)果。

表3 TEA摻量對水泥試件抗壓強度的影響Table 3 The influence of TEA content on the compressive strength of cement specimens

通過表3的結(jié)果看出，隨著TEA有機早強劑摻量的增多，水泥試件的抗壓強度也在不斷增大，當TEA早強劑的摻量在0.03%時，得到的抗壓強度最高，為8.6MPa。

2.3 單摻粉煤灰的水泥試件抗壓強度

根據(jù)以上方法，在水泥中單摻入粉煤灰，然后養(yǎng)護1d，通過壓力試驗機測試水泥試件的抗壓強度。通過計算得出表4所示的結(jié)果。

表4不同粉煤灰摻量下的試件抗壓強度Table 4 The compressive strength of specimens with different fly ash contents

根據(jù)表4的統(tǒng)計結(jié)果看出，粉煤灰摻量設(shè)定為20%時，得到的水泥試件的抗壓強度最大，為7.1MPa。

2.4 復(fù)配試驗結(jié)果

2.4.1 復(fù)配方案

在上述單摻試驗方案的基礎(chǔ)上，采用復(fù)配的方式探討不同組分協(xié)同作用下對水泥試件性能的影響。具體復(fù)配方案見表5所示。

表5早強劑復(fù)配方案Table 5 The compound scheme of early strength agent

2.4.2 抗壓強度測試結(jié)果

通過上述的試驗方案，得到表6所示的試件抗壓強度測試結(jié)果。

表6抗壓強度計算結(jié)果Table 6 The calculation results of compressive strength

從表6的實驗結(jié)果看到，在單獨摻入粉煤灰的基礎(chǔ)上，依次加入Ca-Al-Cl LDH、TEA以及減水劑PC，得到水泥試件的抗壓強度由最初的7.1MPa逐漸上升到了17.9MPa，說明粉煤灰、Ca-Al-Cl LDH、TEA等復(fù)合使用對提高水泥試件的抗壓強度具有協(xié)同加強效果，其中實驗組D的抗壓強度最好，對應(yīng)的復(fù)合配比為粉煤灰20%+Ca-Al-Cl LDH 2%+TEA 0.02%+PC 0.2%。

2.4.3 流動度與初凝時間

作為水泥性能的另外重要指標，通過流動度測量和初凝時間測量，得到表7的結(jié)果。

表7不同實驗漿體的流動度與初凝時間Table 7 The fluidity and initial setting time of different slurries

從測試結(jié)果看到，D組與A組相比，流動性提高接近3倍。而使得水泥凈漿流動性提高原因主要為兩方面：一是減水劑和水泥表面均有負電荷，根據(jù)同性相斥的原理，水泥可以進一步分散；二是粉煤灰是一種粒徑較小的球體，可以均勻地分布在水泥中減少水分的滯留[8～9]。而在初凝時間方面，不同對比試驗組的初凝時間比較接近，說明在摻入早強劑和減水劑后，對水泥漿體初凝時間的影響不大，甚至初凝時間有一定的減少。

2.4.4 微觀結(jié)構(gòu)的分析

（1）X射線衍射分析（XRD）

取A、C、D三組水泥凈漿經(jīng)過1d標準養(yǎng)護后，得到的XRD圖譜如圖2所示。

對比同組別的圖譜可以發(fā)現(xiàn)，在鈣礬石的衍射峰在18（2θ）位置處，可觀察到實驗組的峰高要明顯的高于其他兩組；CH結(jié)構(gòu)在30（2θ）處的衍射峰有類似的現(xiàn)象；而在34（2θ）處的衍射峰以及C3S結(jié)構(gòu)的衍射峰均要略低于其他兩組；對于C2S結(jié)構(gòu)的衍射峰來說，實驗組的峰高則位于對照組和基準組之間；這就代表，粉煤灰、水滑石以及TEA的復(fù)合使用對標準養(yǎng)護1d的水泥來說有較大的促水化作用[10]。換句話說，粉煤灰與水滑石的復(fù)合作用促進了水泥熟料中C3S的水化反應(yīng)。而促進的主要原因，一是因為粉煤灰的摻入增加了成核位點，水化得到的膠體C-S-H除了在未反應(yīng)的熟料表面生長，還可以在粉煤灰顆粒表面生長，促進了水泥熟料的反應(yīng)；二是因為水滑石的堿性對粉煤灰的激發(fā)作用，使其釋放出活性成分SiO2和Al2O3與早期的水化產(chǎn)物Ca（OH）2作用生成水化C-S-H；此外，細小的粉煤灰和水滑石可以同時填充到水泥漿體中，使其原始堆積密度升高，減小縫隙，填充的水化產(chǎn)物減少。這些都是粉煤灰和水滑石協(xié)同使用促進早期強度提升的重要因素。

圖2粉煤灰-水滑石的XRD圖譜Fig.2 The XRD patterns of fly ash-hydrotalcite

2.4.5 掃描電鏡（SEM）分析

圖3 A組SEM圖Fig.3 The SEM image of group A

圖4 D組SEM圖Fig.4 The SEM image of group D

A和D在標準養(yǎng)護1d后的掃摸電鏡結(jié)果如果圖3和4所示。

從A組和D組SEM結(jié)果分別看到，A組的結(jié)構(gòu)是疏松多孔的，并且表面主要存在少量的棒狀晶體，這些晶體的結(jié)構(gòu)主要是C-S-H以及AFt晶體；而D組微觀結(jié)構(gòu)是幾乎無空隙的緊密排列，并且表面可以觀察到部分白色片狀晶體，這些晶體的結(jié)構(gòu)主要是CH晶體以及AFt晶體，這些結(jié)果與前面XRD分析結(jié)果一致。

3 結(jié)語

綜上發(fā)現(xiàn),粉煤灰可提供大量成核位點，水滑石可促進粉煤灰中活性物質(zhì)的釋放并為其提供堿性，因此二者的復(fù)合使用不僅對早期強度有很好的提升效果，而且可以促進C-S-H的大量生成，降低漿體的孔徑。此外，二者均可通過吸水作用提高水泥的密度，得到的漿體通過流動性、初凝時間的檢測判斷其可以很好地滿足水泥的泵送條件,所以水滑石/粉煤灰復(fù)合注漿可以很好地降低早強水泥的成本并提高其性能。