硫铝酸盐-铝酸盐水泥基复合材料水化过程与力学性能研究_朱鹏飞.pdf
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1、第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 硫铝酸盐铝酸盐水泥基复合材料水化过程与力学性能研究朱鹏飞,赵飞,刘进,廖祥茜,马衍轩,张建,吴磊(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 ;海洋环境混凝土技术教育部工程研究中心,青岛 ;青岛青新阳光集团有限公司,青岛 )摘要:硫铝酸盐水泥()与铝酸盐水泥()作为常用建筑基材,具有早强高强、抗冻耐蚀和抗渗等优异的服役性能。根据不同配方将 与 复合,系统探讨了 掺量对复合水泥净浆标准稠度需水量、凝结时间、流动度、水化形变、力学强度、物相组成和微观结构的影响。结果表明:复合水泥性能的变化与其主要水化产物 、钙矾石和水化铝酸钙有关,掺入适量的 促进了复合水泥净浆的
2、水化,加速上述三种水化产物的生成,降低其标准稠度需水量、凝结时间并提高力学强度,而且钙矾石与水化铝酸钙发生反应能在一定程度上改善后期强度倒缩的缺陷;相较于纯 ,水泥基材料,其抗折强度分别提高 和 ,抗压强度分别提高 和 。关键词:水泥基材料;物相组成;微观结构;水化反应;力学性能中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金资助项目();海洋环境混凝土技术教育部工程研究中心开放课题();青岛市西海岸新区 年科技计划专项项目();国家自然科学基金资助项目()作者简介:朱鹏飞(),男,山东东明人。硕士,研究方向为水泥基材料晶体结构设计。:。通信作者:马衍轩(),男,山
3、东巨野人。副教授,主要从事防灾减灾、建筑材料方面的研究。:。,(,;,;,):()(),青 岛理工大学学报第 卷 ,:;硫铝酸盐水泥具有早强高强、抗冻耐蚀、抗渗以及良好的钢筋适应性,使得硫铝酸盐水泥受到广大学者的青睐。硫铝酸盐水泥的主要水化产物为钙矾石,硫铝酸盐水泥具有优异的性能,是由硫铝酸盐水泥的水化特征决定的。郝璟珂等探究了 阴离子类型对硫铝酸盐水泥水化产物钙矾石稳定性的影响,结果表明,掺入碳酸钙、硝酸钙或亚硝酸钠这三种物质后,生成相应的阴离子单取代水化铝酸钙(),提高钙矾石的稳定性,从而提高水泥性能。王敬宇等探究了在 下不同缓凝剂对硫铝酸盐水泥水化及强度的影响,结果表明,硼砂可在强度损失
4、较低的情况下显著延长硫铝酸盐水泥的凝结时间,而葡萄糖酸钠、()酒石酸的缓凝效果不明显,并且明显降低了试件强度。铝酸盐水泥具有早强、耐硫酸盐腐蚀、耐热、可在寒冷环境下水化等优异性能,但是长期强度降低的缺陷,限制了铝酸盐水泥的使用推广。王中平等研究了低温()至高温()下不同硫酸盐(,)对铝酸盐水泥水化的影响,结果显示,时,溶液侵蚀使试样强度降低;而 下,溶液侵蚀使试样严重破坏。他们还研究了海水对不同矿物组成的铝酸盐水泥水化的影响,结果显示,海水延缓了水泥早期水化,但是促进了水泥后期水化,并且海水拌合使铝酸盐水泥出现了后期强度倒缩现象。硅酸盐水泥是世界上使用量最大的建筑材料,广泛应用于民用住宅以及工
5、业设施,但其也有耐热性能差、耐腐蚀性能差、抗冲击性能差等缺点,不能在严酷及海洋环境中适用。而我国正推进着西部大开发政策以及众多海洋工程策略,亟需在西部、海洋等高寒、高侵蚀、潮湿、腐蚀环境下兴建大量基础设施,所以,找到一种能适应各种严酷环境的建筑材料刻不容缓。硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥因其优异的服役性能 ,成为绝佳的选择。材料和实验实验材料以硫铝酸盐水泥()、铝酸盐水泥()为基本原料,采用 种配比,按照标准净浆制备方法,制备水泥基复合材料。硫铝酸盐水泥为无锡程悦祥建筑材料有限公司生产的双快水泥,细度 ,勃氏比表面积 。铝酸盐水泥产自郑州嘉耐特种铝酸盐有限公司,型号为 ,氧化铝含量 ,勃氏比表面积
6、。表配方编号及水泥质量占比水泥质量比配方编号 质量比 质量比 依据表所给数据,按照 种配方分别称取 组水泥原材料,每组水泥称取量为 ,并根据 的水灰比称取试验用水 ,搅拌、装模成型,模具规格为 ,最后放入温度、湿度 的标准养护室内养护至龄期,。制备水泥浆体的搅拌过程如下:向搅拌锅中加入称量好的水泥,干拌 使其充分混合,然后沿锅边缓缓加入水,低速()搅拌水泥浆 ,随后停机,将黏附在搅拌锅内壁和搅拌叶片上的第期朱鹏飞,等:硫铝酸盐铝酸盐水泥基复合材料水化过程与力学性能研究水泥刮入搅拌锅内,再以高速()搅拌水泥浆 停机。表征方法采用标准水泥稠度凝结时间测试仪,依据国家标准 水泥标准稠度用水量、凝结时
7、间、安定性检验方法(),测定复合水泥的需水量与凝结时间。依据国家标准 混凝土外加剂匀质性试验方法(),测定复合水泥净浆流动度。表实验仪器及型号设备型号万能力学试验机 维卡仪 水泥搅拌机 射线衍射仪 扫描电子显微镜 扫描能谱仪 大恒高清相机 利用高清摄像机,依照数字散斑相关方法,表征水泥基复合材料的早期水化形变行为。水泥净浆搅拌成型后,装入模具放在标准养护环境下养护,在净浆养护期间,使用高清摄像机,记录水泥净浆早期水化变形行为。依据国家标准 普通混凝土力学性能试验方法标准(),采用万能力学试验机,测定水泥基复合材料的常规力学性能。使用 射线衍射仪,对水泥基复合材料进行定性分析和定量分析,获得材料
8、成分、分子结构或形态。利用扫描电子显微镜,观察水泥基复合材料表面超微结构的形态和组成,得到材料内部的晶体形貌和堆积方式。并以扫描能谱仪,配合 使用,分析材料的元素种类与相应含量。实验用仪器见表。结果与分析凝结时间与流动性图复合水泥标准稠度需水量随 质量占比的变化水泥标准稠度需水量是水泥质量的重要指标,一般情况下,水泥标准稠度需水量越小,水泥净浆的强度越高。不同配方复合水泥的标准稠度需水量如图所示。由图可以看出,随着复合水泥体系中铝酸盐水泥质量占比的增加,复合水泥浆体的标准稠度需水量呈现先降低后增大的趋势,并且在配方编号为,即复合水泥体系中 质量占比达到,时,取得最小值 。根据复合水泥标准稠度需
9、水量可以推测出 质量占比在 时,复合水泥净浆的力学性能最佳。不同配方复合水泥的凝结时间(初凝与终凝)如图所示。由图可以看出,随着体系中 质量占比的增大,初凝时间和终凝时间基本遵循先减小后增大的规律,并且当复合水泥体系中 质量占比在 时,水泥浆体的凝结时间最短。水化过程始于水泥与水完全混合,在水化初期,水泥浆体丧失流动性即为初凝;水泥浆体完全失去可塑性并产生结构强度即为终凝。水泥的凝结时间表示水泥水化的快慢,凝结时间越短,水化越快,生成的水化产物越多,相应的水泥浆体结构强度也就越强,图显示 质量占比在 时的复合水泥凝结时间最短,可以推测此种配方的水泥浆体拥有更为良好的结构力学强度。不同配方复合水
10、泥的流动度如图所示。由图可以看出,铝酸盐水泥质量占比的升高增大了复合水泥浆体的流动度。水泥颗粒的细度比 水泥颗粒大,所以 水泥浆体的流动度为 ,远大于 水泥浆体的,水泥浆体的流动度随着复合水泥体系中 质量占比的提高而增大,但是当 质量比在 时,流动度变化趋于平稳,在此范围内复合水泥浆体的流动度表现出特殊性。青 岛理工大学学报第 卷结合上述试验结果,复合水泥净浆在 质量比为,时,其需水量、凝结时间和流动度都表现出特殊性,可以推测:配方编号,的复合水泥净浆能够表现出优异的力学强度。水化过程形变利用数字散斑相关方法处理复合水泥净浆早期水化形变,得到的结果如图所示。根据 节的实验数据,质量占比为 和
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