水化硅酸钙晶种对水泥净浆早期强度 影响的实验研究＊ 徐俊 上海建Ｚ－集团工程研究总院 上海 ２０１１１４ 摘要：目前国内市场上的早强剂有很多缺点，针对此状况，利用溶液反应合成法制备了水化硅酸钙晶种。重点研究了 晶种不同掺量及晶种形态对水泥净浆早期强度的影响规律，实验结果表明，水化硅酸钙晶种的掺加可显著提升水泥净 浆的早期强度；对成本控制也十分有利，有一定的推广价值。 关键词：水泥净浆 水化硅酸钙 晶种 掺量 形态 早期强度 中图分类号：ＴＵ５２８．０４２．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００４—１ ００１（２０１ ４）０３—０２６８—０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｈｙｄｒａｔｅｄ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｓｉｌｉｃａｔｅｓ ｕｐｏｎ Ｅａｒｌｙ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｃｅｍｅｎｔ Ｐａｓｔｅ ＸＵ Ｊｕｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１１１４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｍａｒｋｅｔ ｈａｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｔｈｅ Ｃ—Ｓ－Ｈ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｅｄｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｉｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｅｄｉｎｇ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｃ－Ｓ－Ｈ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｅｄｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ Ｃ－Ｓ－Ｈ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｅｄｉｎｇ ｓｈｏｗｅｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｃｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅ ｃａｌｃｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｈｙｄｒａｔｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｅｄｉｎｇ ｍｉｘｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｅａｒｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ １ 研究背景 早强剂是指一种能显著提高水泥基材料早期强度且对 后期强度无显著影响的专用外加剂，在道路／桥梁加固修复 工程、地下注浆加固补强工程、负温／＇Ｋ温工程以及混凝土 预制构件（￣．０ＰＨＣ管桩）生产中均有大量使用。 目前我国早强剂市场上主要以传统早强剂为主，品种 行业期待与关注。 水化硅酸钙（也称Ｃ—ｓ—Ｈ）晶种作为早强剂在国外早有 研究，￣．ｒｌＥ．１．ＡＩ—Ｗａｋｅｅｌ 等人利用水热法合成的Ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶态 晶种，掺入后明显提高水泥的强度（特别是早期强度）， 但国内这方面研究成果较少。本文采用钙盐与碱硅酸盐的 溶液反应合成方法，制备出ｃ—ｓ—Ｈ晶种早强剂，探究其对水 有强电解质无机盐类、水溶性有机物类及有机一无机复合 类。它们虽能在一定程度上解决早强问题，然而在使用过 程中却暴露出了诸多缺陷，如氯盐易腐蚀钢筋、钾｛内盐易 引起碱骨料反应而影响耐久性、硫酸盐掺量精度要求高且 对后期强度存在一定的影响、三乙醇胺本身早强效果差且 泥净浆早期强度的影响规律。 ２ 实验研究 ２．１原材料及设备 五水合硅酸钠、四水合钙、水泥、高效聚羧酸减 掺量甚微不易控制等” 。因此，一种高效早强、无害、经 济且使用便捷的新型水泥基材料早强剂的研究开发将备受 水剂、自来水、烧杯、过滤器、烘箱、研钵等。 ２．２ Ｃ—Ｓ－Ｈ晶种制备 按初始钙硅￣ＬＣａ／Ｓｉ，分别准确称量Ｎａ Ｓｉ０３＂５Ｈ ０和ｃａ （ＮＯ ） ．４Ｈ ０粉末，根据设定水固ｌ；ｂ￣ｎ入自来水，常压下 充分搅拌，待反应完全后，即制备得到系列Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶态晶 种样品 。随后经过过滤、洗涤、干燥以及粉磨等工序， 即制备得到系，￣Ｊｆｃ—Ｓ—Ｈ粉末态晶种样品。 —一 注：本项目为上海市科学技术委员会资助项目 浅覆土大断面 矩形盾构隧道设计及掘进设备研制》，编号为１ １２３１２０２６００。 作者简介：徐俊（１９８７一），男，硕士，助理工程师。 通讯地址：上海市闵行区浦江镇新骏环路７００号（２０１ １ １４）。 收稿日期：２０１４—０１—１４ ２．３实验方法 ２６８Ｉ建筑施工第３７卷￣３１ｇｌ 按照自行设计的水泥净浆配合比配制，水泥净浆强度 采用溶液合成法分别制备Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶态及粉态晶种，晶 试验参照国标《水泥胶砂强度检验方法（ＩＳＯ法）》ＧＢ／Ｔ 种掺量取１％及２％，高效聚羧酸减水剂掺量取０．８％，水泥 １７６７１－－１９９９进行，水泥净浆流动度试验参照国标《混凝 土外加剂匀质性试验方法》ＧＢ／Ｔ ８０７７－－２０００进行。 ３结果与讨论 ３．１固．固混合制备工艺下晶种对水泥净浆早期强度的 影响 本课题研究初期采用了固一固混合的工艺制备得到了 Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶态晶种，晶种掺量１％，水泥净浆配合比见表１。 表１水泥净浆配合比 水灰比 水泥悖 水悖 晶种悖 Ｏ．５Ｏ ３００ １５０ ３．０ 将实验用各原材料按设计的方案及配比混合均匀、搅 拌，观察净浆工作性能状态并测其流动度，随后成型并养 护至规定龄期进行抗折、抗压强度的测定，其结果见表２。 表２固一固混合制备工艺下晶种对水泥净浆流动度及 抗折，抗压强度的影响 ｌ ｄ ３ ｄ 试样 流动度／ｍｍ 抗折强度／ 抗压强度／ 抗折强度／ 抗压强度／ ＭＰａ ⅣＩＰａ ＭＰａ ＭＰａ 空白样 ｌ５０ １．５ ６．５ ３．４ ｌ７．６ 掺晶种试样 ６０ １．８ ５．７ ３．６ １４．０ 表２结果表明，与空白试样相比，掺１％晶种试样流 动度明显降低（降幅达６０％），稠度较高，工作性能不理 想。分析发现，这主要是由于凝胶态晶种中包裹有大量未 溶解的硅酸钠及钙颗粒所致，同时实验中发现空白样 泌水较大，这极有可能是水灰比过高所致。 另一方面，掺１％晶种试样的１ ｄ、３ ｄ抗折强度增幅很 小，仅为０．３ ＭＰａ和０．２ ＭＰａ：但１ ｄ￥Ｏ３ ｄ抗压强度却有大幅 度下降，降幅分别为１２－３％和２０．５％，这表明该晶种的掺加 对抗折强度几无影响，但会引起早期强度的倒缩，且对后 期强度影响较大。分析发现，这主要是由于凝胶态晶种中 裹携的未溶解的硅酸钠及钙颗粒相对水泥净浆而言是 一种杂质，不仅制约了水泥水化进程，还阻碍了水泥水化 产物的连续生长，同时因其粒径远大于水泥，使得净浆孔 隙率也会有所增大而影响强度。 鉴于此，本文将采用溶液合成法来制备Ｃ—Ｓ—Ｈ晶种，同 时将水灰比调低至０．３５并掺入一定量高效聚羧酸减水剂， 以进一步深入研究。 ３．２溶液合成制备工艺下不同晶种掺量及形态对水泥 净浆早期强度的影响 净浆配合ｌ：Ｌ￣ｎ表３所示。 表３水泥净浆配合比 编号 水灰比 水泥儋 水 凝胶晶种／ｇ 粉末晶种佗 聚羧酸 ｌ ０３５ ３００ ｌＯ５ ／ ／ ２．４ ２ ０３５ ３Ｏ０ １０５ ／ ３．Ｏ ２４ ３ ０Ｉ３５ ３Ｏ０ １Ｏ５ ｜６．Ｏ ２．４ ４ Ｏ－３５ ３００ １０５ ３．０ ／ ２．４ ５ Ｏ－３５ ３００ １Ｏ５ ６．Ｏ ｜ ２．４ 将实验用各原材料按设计的方案及配比混合均匀、搅 拌，观察净浆工作性能状态，成型并养护１ ｄ后进行抗折、 抗压强度的测定，实验结果如表４所示。 表４溶液合成制备工艺下不同晶种掺量及形态对水泥净浆 抗折／抗压强度的影响 编号 抗折强度／ＭＰａ 抗压强度／ＭＰａ １ １．７ ５．４ ２ １．９ ５．８ ３ ２．１ ６．５ ４ ４．９ ｌ９．３ ５ ４．４ ｌ７．５ 表４结果表明，与空白样相比，无论晶种以何种形态 掺入、掺量多少，均可大幅度提高水泥净浆的早期强度。 当掺加１％Ｃ—Ｓ—Ｈ粉态晶种（编号２）时，抗折、抗压强度增 幅分别为１１．８％和７．４％：当掺加１％ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶态晶种（编号 ４）时，抗折、抗压强度增幅可达１ ８８％和２５７％。 分析发现，Ｃ—Ｓ—Ｈ晶种本身与水泥水化产物的组成与结 构基本一致，使得水化产物Ｃ－Ｓ－Ｈ在该晶种表面的湿润角极 小，导致成核势垒大幅度降低，从而缩短成核过程，促进 水泥水化，使水化产物更快析晶，相互连接、长大；同时 ｃ—ｓ—Ｈ晶种表面含有大量的断键和结构缺陷，较高的表面自 由能赋予Ｃ—ｓ—Ｈ吸附离子和分子的能力，从而改善水泥石的 孔结构、强化水泥石一集料界面区的结构。因此，Ｃ－Ｓ—Ｈ晶 种能快速有效地提升水泥基材料的早期强度。 另一方面，当掺加Ｃ—Ｓ—Ｈ粉态晶种（编号２、３）时， 掺量越大，强度增幅也越大；然而当掺；ｂｎｃ—Ｓ—Ｈ凝胶态晶 种（编号４、５）时，掺量越大，强度增幅却越小。分析发 现，这主要是由于在粉态晶种实验中，所需用水量是后加 入，即搅拌成型ａ，Ｃ；ｂｎ入，因此无论粉态晶种掺量多少都不 会影响水泥水化过程中的实际用水量。而在凝胶态晶种实 验中，所需用水量是预加入，即在制备晶种Ｂ，－ｊ－；ｂｎ入，当凝 胶态晶种掺量越大，其自身结合的结晶水就越多，使得水 （下转第２８１页） ２０ｌ４．３ ＢｕｎｄｉＩ嘻ｃ。ｎｓ仃Ｉｌｃ廿。ｎ Ｉ ２６９
