干冰對水泥流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響

申達(dá) 葛凱莉

（沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

0 引言

隨著社會(huì)工業(yè)化程度的日益加深，能源、化工、材料等生產(chǎn)加工行業(yè)，釋放大量CO2氣體。在水泥制造產(chǎn)業(yè)中，每生產(chǎn)1 噸普通水泥，平均釋放出近1 噸CO2，為了改善CO2過多的問題，急切需要對水泥產(chǎn)業(yè)實(shí)行二氧化碳減排，有不少專家學(xué)者提出了“綠色水泥”、“低碳水泥”的概念[1]。

目前，二氧化碳在水泥基材料中的應(yīng)用集中在二氧化碳養(yǎng)護(hù)、二氧化碳強(qiáng)化再生骨料等[2,3]方面，而針對二氧化碳直接加入到水泥基材料中的研究[4,5]較少。因此本試驗(yàn)將二氧化碳以干冰形式加入水泥中，探究干冰對普通硅酸鹽水泥物理性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

⑴水泥：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），山東山水水泥集團(tuán)生產(chǎn)。

⑵砂子：普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.5。

⑶水：城市自來水，水溫(20±2）℃。

⑷干冰：3mm 顆粒狀。

1.2 試驗(yàn)方法

⑴凝結(jié)時(shí)間、擴(kuò)展度及強(qiáng)度測試。

凝結(jié)時(shí)間：按照GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

凈漿擴(kuò)展度：按照GB/T 8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

水泥強(qiáng)度：按照GB17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行。

⑵微觀測試。

利用S-4800 掃描電子顯微鏡觀察加入干冰的1d凈漿試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

利用Empyrean X 射線衍射儀對加入干冰的28d 凈漿試樣進(jìn)行測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 流動(dòng)度

干冰對水泥流動(dòng)度的影響如圖1 所示。由圖1 可見，干冰摻量增加，水泥流動(dòng)度先增大后減小。當(dāng)干冰摻量為0.2%時(shí)，水泥流動(dòng)度最大。以干冰摻量為0%作為基準(zhǔn)組。當(dāng)干冰摻量為0.2%、0.4%、0.8%時(shí)，流動(dòng)度較基準(zhǔn)組增大了3.16%、1.90%、1.27%；干冰摻量為1.2%、1.6%、2.0%時(shí)，流動(dòng)度較基準(zhǔn)組減小了3.80%、8.86%、17.72%。

這是由于干冰的加入，加速了早期鈣礬石的形成，特別是當(dāng)其摻量大于0.6%后加速效果更顯著[5]。干冰加入后體系溫度降低，阻礙了凈漿流動(dòng)度，且鈣礬石交叉生成，形成骨架結(jié)構(gòu)，共同作用下水泥漿體流動(dòng)度下降。

2.2 凝結(jié)時(shí)間

干冰對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響如圖2 所示。由圖2 可見，加入干冰后，水泥凝結(jié)時(shí)間總體呈延長趨勢。但在過程中存在略微降低情況。以干冰摻量為0%作為基準(zhǔn)組，隨干冰摻量的的增加，初凝、終凝時(shí)間較基準(zhǔn)組延長，在摻量為0.6%時(shí)，初凝時(shí)間顯著縮短，為254min，較基準(zhǔn)組降低2.68%。當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，初凝、終凝時(shí)間均最長，較基準(zhǔn)組延長16.86%和14.86%。當(dāng)摻量為0%時(shí)，終凝時(shí)間最短，為323min。

這是由于干冰的加入會(huì)阻礙C3S 的早期水化，并隨摻量的增多，效果越明顯，因此凝結(jié)時(shí)間呈逐漸增長趨勢[5]。同時(shí)，由于AFt 會(huì)轉(zhuǎn)化為單硫鋁酸鈣(AFm)，但隨著干冰的加入，干冰在一定程度上阻止了AFt 向AFm 的轉(zhuǎn)化[5]。因此凝結(jié)過程中存在凝結(jié)時(shí)間略微降低情況。

2.3 力學(xué)性能

水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度由圖3 所示。由圖3 可見，隨干冰摻量增加，水泥膠砂的3d 抗壓強(qiáng)度略微降低；7d、28d 抗壓強(qiáng)度先增大后減小，隨著齡期增長，水泥膠砂強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)干冰摻量為0.8%時(shí)，水泥膠砂3d 抗壓強(qiáng)度最低，為24.40MPa，較基準(zhǔn)組降低5.02%。當(dāng)干冰摻量在0%～1.0%時(shí)，水泥膠砂7d 強(qiáng)度逐漸增加，摻量大于1.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度逐漸減小。干冰摻量為1.0%時(shí)的7d 抗壓強(qiáng)度最大，為35.88MPa，較基準(zhǔn)組提高7.55%。當(dāng)干冰摻量為0%～0.6%時(shí)，水泥膠砂28d 強(qiáng)度逐漸增大，摻量大于0.6%時(shí)，強(qiáng)度逐漸減小。干冰摻量為0.6%時(shí)的28d 抗壓強(qiáng)度最大，為46.89MPa，較基準(zhǔn)組提高6.45%。

2.4 微觀分析

2.4.1 XRD 分析

試樣XRD 分析結(jié)果如圖4、圖5 所示。由圖4 可見，未摻入干冰的水泥凈漿28d 試樣衍射圖譜中存在明顯的鈣礬石、氫氧化鈣及水化硅酸鈣的衍射峰。此外衍射圖譜中也看到一定量的碳酸鈣生成。由圖5 可見，在摻入干冰后，28d 的衍射圖譜中顯示出鈣礬石以及碳酸鈣隨干冰的加入而增加；氫氧化鈣及水化硅酸鈣的衍射峰也出現(xiàn)降低情況。說明干冰的摻入，改變了硅酸鹽水泥28d 的水化作用。同時(shí)干冰也與水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣及水化硅酸鈣反應(yīng)生成一定量的碳酸鈣，進(jìn)而在一定程度上改變了硅酸鹽水泥的物理性能。

2.4.2 SEM 分析

試件SEM 掃描電鏡結(jié)果如圖6、圖7 所示。由圖6可見，未摻入CO2的水泥凈漿試樣在水化初期，內(nèi)部有部分絮凝狀的水化產(chǎn)物生成。由圖7 可見，加入2%干冰的水泥凈漿試樣內(nèi)部雖也已生成部分絮凝狀水化產(chǎn)物，但整體結(jié)構(gòu)相較基準(zhǔn)組疏松，且有更大空隙。這是由于加入過大摻量的干冰阻礙了C3S 的早期水化以及AFt的早期形成。同時(shí)也可能由于氣體引入，影響水泥早期絮狀搭接的形成，進(jìn)而影響了早期水化進(jìn)程以及力學(xué)性能。

3 結(jié)論

⑴隨著干冰摻量的增加，加快了鈣礬石的早期形成，但當(dāng)摻量過大后，則不利于鈣礬石的早期形成，因此水泥流動(dòng)度先增大后減小。干冰摻量為0.2%時(shí)，水泥凈漿的流動(dòng)度高于其他組。

⑵干冰摻入后，水泥凝結(jié)時(shí)間隨摻量增加而逐漸延長。當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，初凝、終凝時(shí)間均最長。

⑶隨著干冰摻量的增加，干冰會(huì)與C3S 的水化產(chǎn)物Ca (OH)2及水化硅酸鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，進(jìn)而阻礙C3S的水化。因此水泥膠砂3d 抗壓強(qiáng)度降低；7d、28d 抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)干冰摻量為1.0%時(shí)，7d 強(qiáng)度高于其他試驗(yàn)組；當(dāng)干冰摻量為0.6%時(shí)，28d 強(qiáng)度高于其他試驗(yàn)組。