摘要：以普通硅酸盐水泥作基材制备泡沫混凝土,为了与泡沫的稳定时间相匹配,研究采用在普通水泥中掺入一定量的高铝水泥和碳酸锂来调整水泥浆的凝结时间。研究表明,掺入8 %的高铝水泥,初凝时间20 min ,加入高铝水泥2 %的碳酸锂后,初凝时间仅12 min。XRD、孔结构分析表明:在普通水泥中碳酸锂,有LiH(AlO2 ) 2·5H2O 沉淀物生成,加速了铝酸钙的水化,但水化3 d 浆体有害孔数量增加。
关键词：泡沫混凝土; 普通水泥; 高铝水泥
目前,国内制备泡沫混凝土的基体材料主要选用早强、快硬特种水泥(如硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥等) [1 ,2 ] ,但这类特种水泥价格昂贵且产量小、分布不广,限制了泡沫混凝土的广泛应用。针对免蒸养工艺,该研究采用价格低廉、分布普遍的普通硅酸盐水泥作基材制备泡沫混凝土。由于普通硅酸盐水泥凝结时间较长,其凝结硬化时间与泡沫的稳定时间不匹配,导致发泡后的浆体塌陷。为解决此问题,拟采用在普通硅酸盐水泥中掺入少量的高铝水泥和碳酸锂来调整水泥浆的凝结时间,使水泥浆体硬化时间与泡沫的稳定时间相一致。
1实验
1. 1原材料
普通硅酸盐水泥, 42. 5R ,四川双马集团;高铝水泥,A250 ,贵州银都耐火材料厂;碳酸锂,市售; ISO 标准砂,市售。
1. 2配方设计
为使化学发泡剂的稳定性能与泡沫混凝土凝结硬化性能相匹配,实验通过加入少量的高铝水泥和碳酸锂来调整硅酸盐水泥浆的凝结时间,其配方见表1 。
1. 3性能测试
按照GB/ T 1346 —2001 、GB/ T 17671 —1999 测试相关性能参数。用日本产D/ max ⅡA 型XRD 对水泥水化物相分析(Cu 靶,Kα射线,λ= 0. 154 06 nm) ;用香港科大产CCR21 型无接触电阻率测定仪测定复合体系早期水化电阻率的变化;用美国产AutoPore Ⅳ9500 压汞仪对样品孔结构与孔分布进行研究。
2结果与讨论
2. 1高铝水泥、Li2CO3 对普通硅酸盐水泥凝结时间的影响
1) 高铝水泥对普通硅酸盐水泥凝结时间的影响 高铝水泥对普通硅酸盐水泥凝结时间的影响测试结果见表2 。
从表2 的测试结果可知:在普通硅酸盐水泥中掺入少量高铝水泥( < 10 %) ,可以明显缩短普通硅酸盐水泥浆的凝结时间。高铝水泥掺入量小于6 %时,凝结时间的变化不敏感,掺量为6 %时,终凝时间仅缩短22. 6 %;但掺量为7 %时,凝结时间急剧缩短;当掺量为8 %时,凝结时间达到最短;之后随着掺量的增加,其凝结时间无显著变化。因此,高铝水泥的掺量定为8 %。
对于普通硅酸盐水泥与高铝水泥复合凝结时间的缩短,袁润章[3 ]的观点能够很好的解释其原因,他在胶凝材料学中解释快凝的原因为硅酸盐水泥中的石膏和硅酸三钙水化所析出的Ca (OH) 2 均能加速高铝水泥的凝结,而且高铝水泥的水化产物CAH10和C2AH8 以及AH3 凝胶遇Ca (OH) 2 立即转变成C3AH6 。
2) 高铝水泥、Li2CO3 复合体系对普通硅酸盐水泥凝结时间的影响 Matusinovic T[4 ]研究表明在高铝水泥中添加少量碱金属盐可对其凝固性产生显著的影响。为了进一步调整基体材料的凝结时间,加入占高铝水泥1 % —4 %的碳酸锂,研究其对普通硅酸盐水泥凝结时间的影响,结果见表3 。
从表3 得出,在普通水泥中加入高铝水泥和碳酸锂后,凝结时间显著缩短,其结果与Matusinovic T 的研究相一致。当加入高铝水泥2 %的碳酸锂时,复合体系的凝结时间达到最短,其凝结时间已远远低于泡沫的稳定时间。因此碳酸锂的掺量定为高铝水泥掺量的2%。
2. 2高铝水泥、Li2CO3 对普通硅酸盐水泥强度的影响
1) 高铝水泥对普通硅酸盐水泥强度的影响 众所周知,复合化是改善水泥性能采用较多和有效的途径之一。纵观近年国内外复合水泥的研究现状,主要集中在混合材方面,不同系列水泥间的复合研究很少。在普通硅酸盐水泥中加入不同比例的高铝水泥,对其力学强度有很大影响,如表4 所示。
由表4 可以看出,随着高铝水泥掺量的增加( < 8 %) ,复合水泥的1 d、3 d 强度逐渐降低,但水化7 d 后,抗压、抗折强度逐渐增加,并且28 d 强度高于纯普通硅酸盐水泥。其中,当掺入8 %的高铝水泥时,复合水泥的7 d、28 d 强度达到最大,之后随着高铝水泥掺量的增加,复合水泥的强度则呈现显著降低的趋势。
2) 高铝水泥、Li2CO3 复合体系对普通硅酸盐水泥强度的影响，在普通硅酸盐水泥中加入一定量的高铝水泥和碳酸锂,其特殊的凝结行为必定也会导致特有的宏观性能。现对9 # —12 # 试样的强度进行研究,结果如表5所示。
由表5 可以看出,在高铝水泥－普通硅酸盐水泥中掺入一定比例的碳酸锂,抗折、抗压强度均有不同程度的降低。Matusinovic T[4 ]也得到相同结论。其中在1 d 强度中,掺入3 %碳酸锂(11 # ) 的抗折、抗压强度降低较少;随着水化的进行,在3 d 龄期之后,碳酸锂掺入量为2 %(10 # ) 的强度最接近不掺时的强度。
2. 3高铝水泥、碳酸锂对普通硅酸盐水泥孔结构的影响
采用压汞仪对水化3d、28 d 的1 # 、6 # 以及10 # 试样的硬化水泥浆体的孔结构及孔径分布进行了测试,结果见表6 。
由表6 可以看出,随着在普通硅酸盐水泥中加入高铝水泥和碳酸锂,水化3 d 浆体的孔结构有粗化的趋势,即大孔逐渐增多,小孔逐渐减少。吴中伟院士[5 ]将硬化水泥浆体中的孔分为无害孔、少害孔、有害孔和多害孔4 个等级,其中无害孔孔径范围小于20 nm ,少害孔孔径范围在20 —100 nm ,有害孔孔径范围为100 —200 nm ,多害孔孔径大于200 nm。普通硅酸盐水泥水化3 d 的有害孔体积为1. 7 % ,而掺高铝水泥的试样(6 # ) 有害孔的体积为1. 8 % ,当再加入碳酸锂(10 # ) ,有害孔的体积增加到1. 9 %;试样6 # 和10 #水化3 d 的少害孔分别较1 # 样的34. 8 %增加2. 3 %、11 %至35. 6 %、38. 6 %;同时掺入高铝水泥和碳酸锂后,水化3 d 的无害孔较纯水泥也相应的减小了。随着水化的进行,水化28 d 的6 # 试样的多害孔、有害孔和少害孔均最少,1 # 试样次之,10 # 试样最多,这与强度值吻合。
2. 4高铝水泥、碳酸锂对水化普通硅酸盐水泥物相的影响
对比3 个试样的水化3 d 的XRD 图谱,可以看出,加入高铝水泥后,普通硅酸盐水泥早期水化产物Ca (OH) 2的衍射峰强度有所降低,是由于部分Ca (OH) 2 参与了高铝水泥的水化,从而加速了凝结;并且C3S的特征衍射峰明显降低,C2S2H 衍射峰增强,说明更多的C3S 反应生成C2S2H;当加入高铝水泥的促凝剂———锂盐后,Ca (OH) 2 的衍射峰强度明显降低,并且从图谱上发现了Li + 和AlO -2 反应生成的LiH(AlO2) 2·5H2O 沉淀的特征曲线(2. 66 ,1. 53 ,2. 42) ,正是LiH(AlO2) 2·5H2O 沉淀的形成为成核奠定了基础,而加速了铝酸钙的水化[6 ] 。
3结论
a. 在普通硅酸盐水泥中加入一定量的高铝水泥,可以大幅度缩短初凝时间和终凝时间;在上述体系中加入少量碳酸锂,可以进一步缩短凝结时间。
b. 在普通硅酸盐水泥中加入高铝水泥和碳酸锂后,早期强度降低,其主要原因是水化浆体中的有害孔数量增加;随着水化进行到7 d 以后,普通硅酸盐水泥和高铝水泥复合体系的强度增加,这主要是由于其硬化浆体有害孔数量降低。
参考文献：
[1] 高倩,王兆利. 泡沫混凝土[J ] . 青岛建筑工程学院学报,2002 ,23 (6) :1132115.
[2] 王永滋. 粉煤灰泡沫混凝土的生产与应用[J ] . 福建建设科技,2001 , (2) :35236.
[3] 袁润章. 在胶凝材料学[M] . 武汉:武汉工业大学出版社,1989.
[4] Matusinovic T ,Curlin D. Lithium Salts as Set Accelerators for High Alumina Cement [J ] . Cement and Concrete Research ,1993 ,23 (4) : 8852895.
[5] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京,中国铁道出版社,1999.
[6] Ping GU , Beaudoin J J . Lithium Salt2based Additives for Early Strength2enhancement of Ordinary Portland Cement2high Alu2mina Cement Paste[J ] . Journal of Materials Science Letters. 1997 ,16 :6962698.
