硅灰對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑性能影響的試驗(yàn)研究

程鎧，胡章胤，周紫晨

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430081;2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家城市建設(shè)的快速推進(jìn)，特高壓輸電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)也隨之高速發(fā)展。自從2010年國(guó)內(nèi)第1個(gè)±800 kV輸電項(xiàng)目（向家壩至上海特高壓直流工程）投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)十幾年的不斷努力，我國(guó)已建成全世界最大的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)[1]。我國(guó)土地廣袤，東西部相連的輸電線路將長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里，遠(yuǎn)距離輸電勢(shì)必造成電能的大量損耗，特高壓直流輸電技術(shù)被認(rèn)為是解決此問(wèn)題最有效的方法[2-3]。特高壓直流輸電的主要輸配電設(shè)備包括一次設(shè)備和二次設(shè)備，其中一次設(shè)備作為用電負(fù)荷的載體，是整個(gè)輸電供電體系的主體[4-5]。一次設(shè)備主要包括以下硬件設(shè)備：變壓器、開關(guān)、斷路器、互感器、電抗器、絕緣子、避雷器、直流輸電換流閥以及電線電纜。絕緣子在整個(gè)特高壓直流輸電體系中起到絕緣和連接支持作用[6]，作為承載直流輸電的重要一環(huán)，絕緣子強(qiáng)度等級(jí)越高，越有利于電力的超遠(yuǎn)距離輸送。

水泥膠合劑作為瓷絕緣子的重要組成部分之一，是一種典型的多相混雜復(fù)合材料。目前國(guó)內(nèi)大部分瓷絕緣子生產(chǎn)依舊采用硅酸鹽水泥作為水泥膠合劑[7]，但是存在較多缺陷，一方面，硅酸鹽水泥養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)，這極大地增加了庫(kù)存壓力，影響瓷絕緣子整體的生產(chǎn)效率；另一方面，硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級(jí)不高，使得瓷絕緣子在特高壓直流輸電線路中使用受限。

相比于硅酸鹽水泥，鋁酸鹽水泥具有強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)周期短、收縮小等優(yōu)點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑的研究還處于起步階段，其水化產(chǎn)物鈣礬石易發(fā)生分解，對(duì)瓷絕緣子的長(zhǎng)期工作性能造成隱患。本文通過(guò)引入礦物摻合料來(lái)改善鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度的倒縮問(wèn)題，并研究了硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

水泥：淄博淄昆高鋁水泥制造有限公司生產(chǎn)的SC-171型鋁酸鹽水泥，主要化學(xué)成分見表1，基本物理性能見表2；硅灰：歐億礦產(chǎn)品加工廠提供，比表面積21 000 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1；石英砂：沂南縣鑫鑫石英砂廠提供，80~140目，細(xì)度模數(shù)1.7；減水劑：瑞士西卡生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，白色粉末狀，堆積密度0.5~0.7 g/cm3，減水率27%；水：自來(lái)水，符合JGJ63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

表1 鋁酸鹽水泥和硅灰的主要化學(xué)成分 %

表2 鋁酸鹽水泥的基本物理力學(xué)性能

1.2 性能測(cè)試方法

（1）流動(dòng)度：由于水泥膠合劑的特殊要求，對(duì)膠砂試件流動(dòng)度的測(cè)試采用凈漿測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，按照GB/T 50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中附錄A的要求將拌好的漿體迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí)，至30 s用直尺量取流淌水泥砂漿互相垂直的2個(gè)方向的最大直徑，取平均值作為水泥砂漿流動(dòng)度。

（2）凝結(jié)時(shí)間：按照GB/T201—2015《鋁酸鹽水泥》附錄A進(jìn)行測(cè)試。

（3）抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試。

（4）干縮性能：干縮試件采用40 mm×40 mm×160 mm試件，每組3個(gè)。將拌合完全的水泥漿體置于裝有預(yù)埋測(cè)頭的三聯(lián)模具中，隨后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)20 h后拆模，干縮測(cè)試的初始值為試件成型1d后的測(cè)試值，干縮率按式（1）計(jì)算：

式中：St——齡期為t時(shí)試件的干縮率；

L0——試件初始長(zhǎng)度，mm；

Lt——齡期為t時(shí)試件測(cè)量長(zhǎng)度，mm；

Lb——試件測(cè)量標(biāo)距，取160 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用硅灰作為礦物摻合料，通過(guò)內(nèi)摻的方式對(duì)鋁酸鹽水泥進(jìn)行改性。試驗(yàn)基準(zhǔn)配比（g）為：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（減水劑）=1000∶333∶180∶15，硅灰等質(zhì)量取代水泥，摻量分別為0、4%、6%、8%、10%、12%。另外，為了較好地分散硅灰，在試件成型過(guò)程中，需先將水泥、石英砂與硅灰混合干攪3 min，然后再加水、減水劑拌合。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑流動(dòng)度的影響（見表3）

表3 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑流動(dòng)度的影響

由表3可見，鋁酸鹽水泥膠合劑體系在摻入硅灰以后，流動(dòng)度隨著硅灰摻量的增加先增大后減小。當(dāng)硅灰摻量為4%時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)度達(dá)到最大，為243 mm，隨后流動(dòng)度開始減?。还杌覔搅繛?%時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)度與不摻硅灰的純鋁酸鹽水泥體系基本持平；當(dāng)硅灰摻量達(dá)到10%時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)度明顯減??；當(dāng)硅灰摻量為12%時(shí)，水泥膠合劑的流動(dòng)度僅為155 mm，此時(shí)水泥漿體很難依靠自身重力達(dá)到自流平的效果。

這是因?yàn)椋汗杌覟榍蛐谓Y(jié)構(gòu)，且表面較為光滑，這種結(jié)構(gòu)有利于降低水泥顆粒之間的摩擦，并且硅灰的平均粒徑為0.1~0.3μm，遠(yuǎn)小于水泥，在水泥顆粒之間可以作為優(yōu)良的填充物，起到“滾珠”的作用，從而增加粗水泥顆粒的流動(dòng)性；另外，硅灰作為一種礦物摻合料填充在水泥顆粒之間置換出原本填充于空隙中的拌合水，使之成為自由水，從而使得粒子之間的間隔水層變厚，這種塑化效應(yīng)使得水泥膠合劑具有更好的流動(dòng)性，所以摻入適量的硅灰有助于提高鋁酸鹽水泥體系的流動(dòng)性。但當(dāng)硅灰過(guò)多時(shí)，由于硅灰的比表面積較大，其吸附的水分大大增加，使得水泥膠合劑整體更加粘稠，并且大大增強(qiáng)了水泥顆粒間的粘結(jié)力，此時(shí)吸附作用大于減水作用，使得水泥膠合劑的流動(dòng)性大大降低。

2.2 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑凝結(jié)時(shí)間的影響（見表4）

表4 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑凝結(jié)時(shí)間的影響

由表4可見，鋁酸鹽水泥膠合劑的凝結(jié)時(shí)間隨著硅灰摻量的增加而逐漸縮短。未摻硅灰的空白組初凝時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到220 min；硅灰摻量為4%時(shí)，初凝時(shí)間縮短至146 min；當(dāng)硅灰摻量達(dá)到12%時(shí)，水泥膠合劑的初凝時(shí)間僅為106 min。另外，各組試件初凝與終凝時(shí)間差均相差不大，在25 min左右均可完成初凝至終凝的轉(zhuǎn)變。

水泥的早期水化過(guò)程實(shí)質(zhì)是一種溶解-沉淀的過(guò)程，硅灰的平均粒徑很小，在鋁酸鹽水泥水化早期，小顆粒的硅灰聚成團(tuán)為水泥水化提供晶核，鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物在硅灰團(tuán)表面不斷沉積，從而加速了水化產(chǎn)物成核生長(zhǎng)的速率。另一方面，由于采用內(nèi)摻的方式引入硅灰，膠合劑整體的水泥用量隨著硅灰摻量的增加而減少，隨著水泥漿體濃度的降低，水泥膠合劑整體形成穩(wěn)定骨架體系的速率也會(huì)相應(yīng)減緩。在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，由于晶核作用占主導(dǎo)，因此隨著硅灰摻量的增加，鋁酸鹽水泥膠合劑的初凝時(shí)間不斷縮短，但幅度愈來(lái)愈小。另外，不論是否摻入硅灰，在鋁酸鹽水泥膠合劑達(dá)到初凝后，用手觸摸試塊表面會(huì)明顯感到發(fā)熱跡象，而這種水化放熱又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致更快的水化速率，此時(shí)硅灰的晶核作用遠(yuǎn)小于發(fā)熱引起的水化加速，所以各組試件從初凝到終凝的時(shí)間都很短，而且沒(méi)有明顯差別。

2.3 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑抗壓強(qiáng)度的影響（見圖1）

由圖1可見，總體來(lái)說(shuō)，空白組在28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度持續(xù)提高且強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到124.3 MPa，但56 d時(shí)抗壓強(qiáng)度發(fā)生倒縮。摻加硅灰的試驗(yàn)組則在56d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出不同程度的持續(xù)提高，其中摻8%硅灰時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度接近空白組，達(dá)到123.6 MPa，56 d抗壓強(qiáng)度為各組試件中最高，達(dá)到127.5 MPa。說(shuō)明在鋁酸鹽水泥體系中摻入適量硅灰能較好地改善鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度倒縮的問(wèn)題，但會(huì)在一定程度上降低早期強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)比硅灰摻量分別為4%、6%、8%的3組試件可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁酸鹽水泥體系中硅灰摻量在8%以內(nèi)時(shí)，水泥膠合劑28 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及發(fā)展規(guī)律與硅灰摻量沒(méi)有太大關(guān)系。這可能是因?yàn)椋阂环矫?，硅灰的平均粒徑遠(yuǎn)小于水泥顆粒的特性使得其可以填充于水泥水化產(chǎn)物的骨架縫隙之中，從而達(dá)到細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)、加固骨架結(jié)構(gòu)的效果，這一結(jié)論將導(dǎo)致當(dāng)硅灰摻量在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，水泥膠合劑的抗壓強(qiáng)度也隨之提高；另一方面，由于本試驗(yàn)采取內(nèi)摻的方式摻入硅灰，所以硅灰摻量的增加勢(shì)必使得水泥膠合劑中水泥用量減少，從而使得水泥體系水化產(chǎn)物的骨架搭接越發(fā)松散，進(jìn)而導(dǎo)致水泥膠合劑抗壓強(qiáng)度的降低。這2種相反作用的存在共同導(dǎo)致了此現(xiàn)象。

當(dāng)硅灰摻量達(dá)到8%以上時(shí)，鋁酸鹽水泥膠合劑的抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加明顯降低。這是因?yàn)榇藭r(shí)硅灰細(xì)化孔隙的作用近乎達(dá)到飽和，而多余的硅灰可能產(chǎn)生聚團(tuán)現(xiàn)象導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)不均勻，另外水泥用量的持續(xù)減少也使得膠合劑強(qiáng)度下降地更加明顯。

綜上所述，硅灰對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑抗壓強(qiáng)度的影響較為復(fù)雜，當(dāng)硅灰摻量過(guò)多或過(guò)少時(shí)都會(huì)對(duì)鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度發(fā)展造成不好的影響，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，本文認(rèn)為摻入8%的硅灰對(duì)于鋁酸鹽水泥力學(xué)性能的改善效果最佳。

2.4 硅灰摻量對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑干縮性能的影響（見圖2）

由圖2可見，在鋁酸鹽水泥體系中引入硅灰后，水泥膠合劑的收縮率大幅減小。28d時(shí)，空白組的收縮率為201×10-5，硅灰摻量分別為4%、6%、8%、10%、12%時(shí)，收縮率分別為131×10-5、115×10-5、104×10-5、94×10-5、106×10-5，摻10%硅灰的試件收縮率最小，僅為空白組的46.8%。另外，各組試件均在7 d內(nèi)存在較大的收縮，之后收縮速率減緩，14 d以后出現(xiàn)一段不同幅度的收縮率增加而后又趨平緩。另外值得注意的是，硅灰摻量為12%時(shí)的收縮率均大于硅灰摻量為10%的，部分大于摻量為8%的，表明過(guò)高的硅灰摻量反而會(huì)對(duì)水泥膠合劑的收縮性能造成不利的影響。

大量研究表明，采用適量的火山灰礦物摻合料取代水泥對(duì)于抑制水泥基材料的收縮有一定的作用。比如本試驗(yàn)采用硅灰部分代替鋁酸鹽水泥，雖然硅灰具有較高的火山灰活性，但其本身并不直接發(fā)生水化反應(yīng)，需在特定環(huán)境（如高堿度）下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量很小，導(dǎo)致漿體的堿度較低，不足以激發(fā)硅灰的活性，這些未反應(yīng)的硅灰顆粒則可以作為一種微集料填充孔隙從而達(dá)到阻礙內(nèi)部水分流失的效果。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度在40%~95%時(shí)，多孔材料的收縮主要來(lái)自于毛細(xì)管張力的作用，抑制材料水分的流失即達(dá)到了抑制材料收縮的效果。

隨著硅灰摻量的增加，一方面，硅灰摻量越多，其保持水分的能力越強(qiáng)，抑制收縮的效果也就越好；另一方面，硅灰摻量的增加意味著水泥用量的減少，水泥漿體收縮也就越小。值得注意的是，并不是礦物摻合料的摻量越高，其抑制水泥基材料收縮的效果越好，這是因?yàn)榈V物摻合料抑制材料干燥收縮的機(jī)理主要?dú)w因于對(duì)材料總孔隙度和孔徑分布的改性。當(dāng)硅灰摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)降低水泥膠合劑整體的剛度，從而降低了水泥膠合劑抑制變形的能力；其次，硅灰摻量過(guò)多使得水泥膠合劑內(nèi)部大量的凝膠孔和毛細(xì)孔轉(zhuǎn)化成更細(xì)的孔結(jié)構(gòu)，在水泥膠合劑暴露于干燥環(huán)境時(shí)，材料會(huì)受到更為顯著的毛細(xì)應(yīng)力，從而對(duì)水泥膠合劑的抗收縮性能產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

（1）在鋁酸鹽水泥體系中引入硅灰后，膠合劑的流動(dòng)度隨著硅灰摻量的增加先增大后減小，當(dāng)硅灰摻量為4%時(shí)體系的流動(dòng)度最大，達(dá)到243 mm。

（2）摻入硅灰能有效縮短鋁酸鹽水泥膠合劑的初凝時(shí)間，未摻硅灰時(shí)，膠合劑的初凝時(shí)間為220 min，而在摻加12%硅灰后，體系的初凝時(shí)間僅為106 min。

（3）硅灰對(duì)鋁酸鹽水泥膠合劑的強(qiáng)度影響相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)硅灰摻量為8%時(shí)，水泥膠合劑的56 d抗壓強(qiáng)度最高。

（4）硅灰能較好地改善鋁酸鹽水泥膠合劑的干縮性能，其摻量為10%時(shí)效果最佳。