摘 要: 阿利特-硫铝酸钡钙水泥是一种新型水泥材料，其具有早期强度高、体积收缩小等特性，且烧成温度低。本文主要研究了萘系减水剂（FDN）和聚羧酸减水剂（SR3）对阿利特-硫铝酸钡钙水泥凝结时间及抗压强度的影响,并采用XRD和SEM等测试方法分析和探讨了其作用机理。结果表明：减水剂FDN和SR3与阿利特-硫铝酸钡钙水泥相容性良好，减水效果明显；两种减水剂对该水泥初凝时间影响不大，使终凝时间明显缩短；同时，当减水剂掺量适当时，可使水泥强度有一定程度提高。
关键词：阿利特-硫铝酸钡钙水泥；减水剂；凝结时间；强度
中图分类号：TQ172 文献标识码：A
0 前言
硫铝酸钡钙矿物是一种快硬早强型水硬性矿物，同时还具有烧成温度低、水化微膨胀等特性[1-6]，程新[7-8]等人把该矿物引入到硅酸盐水泥熟料矿相体系中，制备了早期性能良好的阿利特-硫铝酸钡钙水泥。现代水泥混凝土生产中，为了提高质量、改善性能和节约原材料，减水剂己成为一个不可缺少的组份。减水剂不仅能够影响水泥及混凝土在新拌阶段的工作性,而且能够从微观、亚微观层次上改善硬化水泥及混凝土体系的结构，进而对水泥混凝土进行改性，以满足对混凝土施工性能、力学性能和耐久性能等方面的要求。目前，减水剂已成为水泥混凝土的第五组分。对于硅酸盐水泥混凝土，减水剂的应用己很成熟，有多种用途的减水剂系列产品。由于阿利特-硫铝酸钡钙水泥的矿物组成与硅酸盐水泥不同，因此，必须研究减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙水泥性能的影响。
1 原料与实验方法
1.1 原料
阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料和石膏来自山东淄博某水泥厂，FDN减水剂由山东建科院外加剂厂生产，SR3减水剂由上海淘正化工有限公司生产，固含量为28%。水泥熟料和石膏的化学成分见表1。阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的矿物组成见表2。
1.2 实验方法
水泥标准稠度用水量和凝结时间测定按GB1346-89进行。水泥净浆强度测试用2㎝×2㎝㎝的小试体成型，水灰比0.3，在温度20℃±2℃、相对湿度大于90％的养护箱中养护1d后脱模测其抗压强度，其余试件在20℃水中继续养护至规定龄期测定抗压强度。
1.3 组成与结构分析
用德国布鲁克D8-ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)分析水化产物的物相，用日立S-2500型扫描电子显微镜(SEM)观察水化产物的形貌，分析其组成和结构。
2 实验结果与分析
2.1减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙水泥性能的影响
主要研究了FDN和SR3减水剂对水泥性能的影响规律。
2.1.1减水剂对水泥浆体流动性的影响
在阿利特-硫铝酸钡钙水泥中分别掺入0.4%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的FDN和SR3减水剂，测定浆体的流动度，并绘制掺入量和流动度的关系曲线，见图1。
从图1可以看出，萘系减水剂FDN和聚羧酸SR3与阿利特-硫铝酸钡钙水泥有一定的相容性，在掺量相同的情况下，掺入SR3减水剂的30min、60min流动度损失比FDN小，随着掺量增大，流动度增大，当掺量到1.0%时并继续增加减水剂掺量，水泥浆的5min流动度并不增大，且20min后水泥浆流动度基本不变。这是因为外加剂有选择地吸附在水泥颗粒表面的活性点上,水化开始时水泥颗粒表面活性较高,有较多的吸附空位,对减水剂的吸附速率较快;随着吸附空位被逐渐占据,吸附速率开始减慢,最后逐渐达到平衡。 此时若再增加减水剂掺量,吸附量几乎不再增加,也就是说达到了饱和吸附量【9】。
2.1.2减水剂对水泥凝结时间的影响
在阿利特-硫铝酸钡钙水泥中分别加入0.8%、1.0%、1.2%的FDN和SR3减水剂，测定水泥的标准稠度用水量和初终凝时间，结果见表3。
由表3可以看出，在阿利特-硫铝酸钡钙水泥中加入FDN和SR3后，水泥的标准稠度用水量减少，对初凝时间的影响不大，而终凝时间比未掺减水剂时明显缩短。这是由于减水剂的分散、润湿等作用，促进了水泥的初期水化，同时用水量的降低也有利于水泥凝胶体凝聚网络的形成，促进了水泥凝结 [10]。从表3还可以看出， 随着减水剂掺入量的增大，阿利特-硫铝酸钡钙水泥的标准稠度用水量逐渐降低，当掺量1.0%时，再增大减水剂掺量时，水泥标准稠度基本不变，这说明减水剂的掺量已饱和，减水量不再增加。在FDN和SR3掺量达到饱和点以前，随减水剂掺量的增加，水泥终凝时间逐渐缩短，掺量达到饱和点以后，其终凝时间又有所延长，这是由于减水剂掺量达到饱和点以后，FDN和SR3解离出带电的离子吸附在水泥胶粒表面使其ξ电位增加，体系的稳定时间延长，同时这层阴离子吸附膜及由于氢键缔合作用所产生的水膜，往往会阻碍水泥颗粒与水之间的接触，具有延缓凝结的作用[11]。
2.1.3减水剂对水泥力学性能的影响
按表3的实验方案，研究了两种减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙水泥力学性能的影响，并绘制减水剂掺量与强度的关系曲线如图2。
由图2可以看出，随着FDN和SR3掺量的增大，阿利特-硫铝酸钡钙水泥早期强度有所增大，但掺量超过1.0时，各龄期强度随着掺量的增大反而而减小。这是由于加入减水剂之后，减少了水泥搅拌成型过程中的用水量，而用水量的降低有利于硬化水泥浆体密实度的提高，从而使水泥早期强度提高。随着减水剂掺量的增大，它不仅吸附在未水化的水泥颗粒上,而且还大量吸附在水泥早期水化产物———钙矾石的晶核上,从而延缓了钙矾石的形成，使得早期强度下降。从图2还可以看出，减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙水泥早期强度的影响相差不大，但掺入SR3时，其28d强度明显的增加。
2.2 减水剂对水泥水化硬化的影响
2.2.1水化产物的XRD分析
为了进一步分析减水剂的作用机理A1、A3和A6水泥水化试样进行了XRD分析，结果见图3和图4。
由图3可知：水化3d时水泥的水化产物有水化硅酸钙（C-S-H）、钙矾石（AFt）和 氢氧化钙（CH）等，为阿利特-硫铝酸钡钙水泥早期力学性能的提高奠定了基础。还可以看出，掺入FDN、SR3减水剂之后,水化产物钙矾石、氢氧化钙、水化硅酸钙的衍射峰比不加减水剂的阿利特-硫铝酸钡钙水泥空白试样有所增强。可以认为适量的FDN和SR3减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙水泥早期水化比较有利。
由图4可以看出：在水化28d时水化产物以CH、AFt、C-S-H为主。水化产物衍射峰相对3d的XRD峰型尖锐。而且掺入1.0%的减水剂时水化产物的衍射峰比不掺减水剂的水泥衍射峰要强，说明1.0%的FDN和SR3减水剂都可以促进阿利特-硫铝酸钡钙水泥的长期水化。
此外，从图4中还可以发现：分别掺入1.0%的FDN和SR3减水剂之后，含有SR3的水泥水化产物的水化衍射峰强度要高于含FDN减水剂的水化产物的衍射峰，由此可以说明，SR3减水剂对阿利特-硫铝酸钡钙的水化更为有利，其效果要比FDN效果要好。
2.2.2 水化产物的SEM分析
分别对A0、A3和A6水泥试样在水化3d和28时的硬化浆体进行了SEM分析，见图5。
从图5（c）可以看出，空白试样3d时其水泥颗粒清晰可见，颗粒之间有少量的胶状物质相联，结构较为松弛，水化程度不高，随着减水剂的加入，水泥水化程度随之增大，从图5（a和b）可以看出，胶体物质明显增多，可以发现针状钙矾石和结晶较好的氢氧化钙晶体，结构较致密。这是水泥力学性能提高的原因之一。水化到28d龄期时，胶体继续增多，将AFt和Ca(OH)2等晶体包裹起来，浆体密实度进一步提高。进一步分析减水剂的作用机理，可以说明在不掺减水剂时多余的水分会以气泡的方式存在于水泥浆体中，使浆体结构比较疏松。掺入减水剂后减少了这些多余的水分，从而使得水泥结构比较致密。从图5可以看出，掺入减水剂后水泥浆体中的孔隙减少，浆体结构明显变得致密。
3 结论
(1) 萘系减水剂（FDN）和聚羧酸减水剂（SR3）对阿利特-硫铝酸钡钙水泥流动度有显著的影响，二者都有较好的减水效果。
(2) 萘系减水剂（FDN）和聚羧酸减水剂（SR3）均对阿利特-硫铝酸钡钙水泥的凝结时间有一定影响，其对初凝时间的影响不大，但明显使终凝时间缩短。使阿利特-硫铝酸钡钙水泥的终凝时间由180min减少到110～115min。
(3) 萘系减水剂（FDN）和聚羧酸减水剂（SR3）对阿利特-硫铝酸钡钙水泥的抗压强度有较大的影响。适量掺量的减水剂可以提高水泥的抗压强度，掺量为1.0%的FDN可以使水泥1d、3d、28d强度比空白试样强度提高5.7、10.7和5.4MPa；掺量为1.0%的聚羧酸减水剂可使水泥1d、3d、28d强度提高4.8、14.8和19.6MPa。
(4) FDN和SR3减水剂可促进阿利特-硫铝酸钡钙水泥的水化硬化。
参考文献
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