摘 要: 阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥是一種新型水泥材料，其具有早期強度高、體積收縮小等特性，且燒成溫度低。本文主要研究了萘系減水劑（FDN）和聚羧酸減水劑（SR3）對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥凝結(jié)時間及抗壓強度的影響,并采用XRD和SEM等測試方法分析和探討了其作用機理。結(jié)果表明：減水劑FDN和SR3與阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥相容性良好，減水效果明顯；兩種減水劑對該水泥初凝時間影響不大，使終凝時間明顯縮短；同時，當減水劑摻量適當時，可使水泥強度有一定程度提高。
關(guān)鍵詞：阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥；減水劑；凝結(jié)時間；強度
中圖分類號：TQ172 文獻標識碼：A
0 前言
硫鋁酸鋇鈣礦物是一種快硬早強型水硬性礦物，同時還具有燒成溫度低、水化微膨脹等特性[1-6]，程新[7-8]等人把該礦物引入到硅酸鹽水泥熟料礦相體系中，制備了早期性能良好的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥。現(xiàn)代水泥混凝土生產(chǎn)中，為了提高質(zhì)量、改善性能和節(jié)約原材料，減水劑己成為一個不可缺少的組份。減水劑不僅能夠影響水泥及混凝土在新拌階段的工作性,而且能夠從微觀、亞微觀層次上改善硬化水泥及混凝土體系的結(jié)構(gòu)，進而對水泥混凝土進行改性，以滿足對混凝土施工性能、力學性能和耐久性能等方面的要求。目前，減水劑已成為水泥混凝土的第五組分。對于硅酸鹽水泥混凝土，減水劑的應(yīng)用己很成熟，有多種用途的減水劑系列產(chǎn)品。由于阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的礦物組成與硅酸鹽水泥不同，因此，必須研究減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響。
1 原料與實驗方法
1.1 原料
阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料和石膏來自山東淄博某水泥廠，F(xiàn)DN減水劑由山東建科院外加劑廠生產(chǎn)，SR3減水劑由上海淘正化工有限公司生產(chǎn)，固含量為28%。水泥熟料和石膏的化學成分見表1。阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料的礦物組成見表2。
1.2 實驗方法
水泥標準稠度用水量和凝結(jié)時間測定按GB1346-89進行。水泥凈漿強度測試用2㎝×2㎝㎝的小試體成型，水灰比0.3，在溫度20℃±2℃、相對濕度大于90％的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護1d后脫模測其抗壓強度，其余試件在20℃水中繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期測定抗壓強度。
1.3 組成與結(jié)構(gòu)分析
用德國布魯克D8-ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)分析水化產(chǎn)物的物相，用日立S-2500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察水化產(chǎn)物的形貌，分析其組成和結(jié)構(gòu)。
2 實驗結(jié)果與分析
2.1減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
主要研究了FDN和SR3減水劑對水泥性能的影響規(guī)律。
2.1.1減水劑對水泥漿體流動性的影響
在阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中分別摻入0.4%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的FDN和SR3減水劑，測定漿體的流動度，并繪制摻入量和流動度的關(guān)系曲線，見圖1。
從圖1可以看出，萘系減水劑FDN和聚羧酸SR3與阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥有一定的相容性，在摻量相同的情況下，摻入SR3減水劑的30min、60min流動度損失比FDN小，隨著摻量增大，流動度增大，當摻量到1.0%時并繼續(xù)增加減水劑摻量，水泥漿的5min流動度并不增大，且20min后水泥漿流動度基本不變。這是因為外加劑有選擇地吸附在水泥顆粒表面的活性點上,水化開始時水泥顆粒表面活性較高,有較多的吸附空位,對減水劑的吸附速率較快;隨著吸附空位被逐漸占據(jù),吸附速率開始減慢,最后逐漸達到平衡。 此時若再增加減水劑摻量,吸附量幾乎不再增加,也就是說達到了飽和吸附量【9】。
2.1.2減水劑對水泥凝結(jié)時間的影響
在阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中分別加入0.8%、1.0%、1.2%的FDN和SR3減水劑，測定水泥的標準稠度用水量和初終凝時間，結(jié)果見表3。
由表3可以看出，在阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中加入FDN和SR3后，水泥的標準稠度用水量減少，對初凝時間的影響不大，而終凝時間比未摻減水劑時明顯縮短。這是由于減水劑的分散、潤濕等作用，促進了水泥的初期水化，同時用水量的降低也有利于水泥凝膠體凝聚網(wǎng)絡(luò)的形成，促進了水泥凝結(jié) [10]。從表3還可以看出， 隨著減水劑摻入量的增大，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的標準稠度用水量逐漸降低，當摻量1.0%時，再增大減水劑摻量時，水泥標準稠度基本不變，這說明減水劑的摻量已飽和，減水量不再增加。在FDN和SR3摻量達到飽和點以前，隨減水劑摻量的增加，水泥終凝時間逐漸縮短，摻量達到飽和點以后，其終凝時間又有所延長，這是由于減水劑摻量達到飽和點以后，F(xiàn)DN和SR3解離出帶電的離子吸附在水泥膠粒表面使其ξ電位增加，體系的穩(wěn)定時間延長，同時這層陰離子吸附膜及由于氫鍵締合作用所產(chǎn)生的水膜，往往會阻礙水泥顆粒與水之間的接觸，具有延緩凝結(jié)的作用[11]。
2.1.3減水劑對水泥力學性能的影響
按表3的實驗方案，研究了兩種減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥力學性能的影響，并繪制減水劑摻量與強度的關(guān)系曲線如圖2。
由圖2可以看出，隨著FDN和SR3摻量的增大，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早期強度有所增大，但摻量超過1.0時，各齡期強度隨著摻量的增大反而而減小。這是由于加入減水劑之后，減少了水泥攪拌成型過程中的用水量，而用水量的降低有利于硬化水泥漿體密實度的提高，從而使水泥早期強度提高。隨著減水劑摻量的增大，它不僅吸附在未水化的水泥顆粒上,而且還大量吸附在水泥早期水化產(chǎn)物———鈣礬石的晶核上,從而延緩了鈣礬石的形成，使得早期強度下降。從圖2還可以看出，減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早期強度的影響相差不大，但摻入SR3時，其28d強度明顯的增加。
2.2 減水劑對水泥水化硬化的影響
2.2.1水化產(chǎn)物的XRD分析
為了進一步分析減水劑的作用機理A1、A3和A6水泥水化試樣進行了XRD分析，結(jié)果見圖3和圖4。
由圖3可知：水化3d時水泥的水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣（C-S-H）、鈣礬石（AFt）和 氫氧化鈣（CH）等，為阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早期力學性能的提高奠定了基礎(chǔ)。還可以看出，摻入FDN、SR3減水劑之后,水化產(chǎn)物鈣礬石、氫氧化鈣、水化硅酸鈣的衍射峰比不加減水劑的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥空白試樣有所增強?？梢哉J為適量的FDN和SR3減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早期水化比較有利。
由圖4可以看出：在水化28d時水化產(chǎn)物以CH、AFt、C-S-H為主。水化產(chǎn)物衍射峰相對3d的XRD峰型尖銳。而且摻入1.0%的減水劑時水化產(chǎn)物的衍射峰比不摻減水劑的水泥衍射峰要強，說明1.0%的FDN和SR3減水劑都可以促進阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的長期水化。
此外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)：分別摻入1.0%的FDN和SR3減水劑之后，含有SR3的水泥水化產(chǎn)物的水化衍射峰強度要高于含F(xiàn)DN減水劑的水化產(chǎn)物的衍射峰，由此可以說明，SR3減水劑對阿利特-硫鋁酸鋇鈣的水化更為有利，其效果要比FDN效果要好。
2.2.2 水化產(chǎn)物的SEM分析
分別對A0、A3和A6水泥試樣在水化3d和28時的硬化漿體進行了SEM分析，見圖5。
從圖5（c）可以看出，空白試樣3d時其水泥顆粒清晰可見，顆粒之間有少量的膠狀物質(zhì)相聯(lián)，結(jié)構(gòu)較為松弛，水化程度不高，隨著減水劑的加入，水泥水化程度隨之增大，從圖5（a和b）可以看出，膠體物質(zhì)明顯增多，可以發(fā)現(xiàn)針狀鈣礬石和結(jié)晶較好的氫氧化鈣晶體，結(jié)構(gòu)較致密。這是水泥力學性能提高的原因之一。水化到28d齡期時，膠體繼續(xù)增多，將AFt和Ca(OH)2等晶體包裹起來，漿體密實度進一步提高。進一步分析減水劑的作用機理，可以說明在不摻減水劑時多余的水分會以氣泡的方式存在于水泥漿體中，使?jié){體結(jié)構(gòu)比較疏松。摻入減水劑后減少了這些多余的水分，從而使得水泥結(jié)構(gòu)比較致密。從圖5可以看出，摻入減水劑后水泥漿體中的孔隙減少，漿體結(jié)構(gòu)明顯變得致密。
3 結(jié)論
(1) 萘系減水劑（FDN）和聚羧酸減水劑（SR3）對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥流動度有顯著的影響，二者都有較好的減水效果。
(2) 萘系減水劑（FDN）和聚羧酸減水劑（SR3）均對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的凝結(jié)時間有一定影響，其對初凝時間的影響不大，但明顯使終凝時間縮短。使阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的終凝時間由180min減少到110～115min。
(3) 萘系減水劑（FDN）和聚羧酸減水劑（SR3）對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的抗壓強度有較大的影響。適量摻量的減水劑可以提高水泥的抗壓強度，摻量為1.0%的FDN可以使水泥1d、3d、28d強度比空白試樣強度提高5.7、10.7和5.4MPa；摻量為1.0%的聚羧酸減水劑可使水泥1d、3d、28d強度提高4.8、14.8和19.6MPa。
(4) FDN和SR3減水劑可促進阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的水化硬化。
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