钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥性能的影响

钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥性能的影响 钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥性能 的影响 第13卷第3期 2010年6月 建筑材料 JOURNAL0FBUILDINGMATERIALS Vo1.13.NO.3 Jun.,2010 文章编号:1007-9629(2010)03—0395—03 钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥性能的影响 马忠诚,汪澜,纪国晋 (1.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024; 2.中国水利水电科学研究院结构材料所,北京10O038) 摘要:通过砂浆棒长度试验,研究了钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥膨胀性能的抑制效果.结 果表明:掺入质量分数为0.1的结晶化抑制剂能有效抑制硫铝酸盐水泥的膨胀性能,其抑制程度 最高可达3O%以上;可使硫铝酸盐水泥的凝结时间有所延缓,但对胶砂强度基本无影响.结晶化抑 制剂的有机酸根离子取代S一并与钙矾石的基本结构单元这一极性阳离子相结合,从而形成了 稳定的络合物,抑制了钙矾石凝胶体的成核及生长. 关键词:钙矾石;结晶化抑制刺;膨胀率;凝结时间;胶砂强度 中图分类号:TQ172.746文献标志码:Adoi:10.3969/i.issn.1007—9629.2O10.03.025 EffectofEttringiteCrystaIIizatiOnlnhibitorson PerformanceofSulpho-aluminateCement MAZhong—cheng,WANGLan,JIGuo—jin. (1.StateKeyLaboratoryofGreenBuildingMaterials,ChinaBuildingMaterialsAcademy,Beijing100024,China 2.DepartmentofStructuresandMaterials,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropower Research,Beijing100038,China) Abstract:Thelengthtestofmortarrodwasconductedtodeterminetheeffectofettringitecrystallization inhibitorsonexpansion.Theresultsshowthatit'SeffectivetOIowerexpansionwith0.1(bymass)in— hibitorsincorporatedinsulpho— aluminatecement,thedegreeofinhibitionisuptO30;andithasthe effectofretardingbutalmosthasnoimpactoncementmortarstrength.Theorganicacidionsincrystalli— zationinhibitorsreplaceso2,一 andcombinewiththepolaritycationsofettringitetoformstablecomplexes, henceinhibitthenucleationandgrowthofettringitegels. Keywords:ettringite;crystallizationinhibitor;expansionrate;settingtime;mortarstrength 钙矾石是混凝土收缩补偿和水泥的早强快硬所 利用的组分,但它除了有利的补偿收缩性[1]之外,还 有有害的膨胀破坏性.在利用其补偿收缩特性时,若 忽视其生成与稳定条件,则有可能带来负面的影 响口].如道路,大坝等众多结构的硬化浆体在后期 发生钙矾石反应而膨胀时,在无约束条件下,若膨胀 产生的拉应力超过材料本身的抗拉强度就会产生危 害性的结构裂缝.这不仅会影响混凝土建筑物表面 的美观,也将加速混凝土的劣化过程,尤其对处于海 洋,寒冷冰冻地区,硫酸盐等恶劣环境中的混凝土建 筑物,裂缝会使空气,水,有害介质等更易侵入,从而 引起其中的钢筋锈蚀或水泥基材料的劣化,降低混 凝土耐久性和建筑物服役寿命.在实际工程中已出 现了许多因钙矾石(尤其是延迟钙矾石)形成导致建 筑结构损坏的事例L7]. 结晶化抑制剂的概念最早出现于1950年,为了 收稿日期:2009一IO一28;修订日期:2009—11-18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50672094) 第一作者:马忠诚(1985一),男,山西孝义人,中国建筑材料科学研究总院硕士.E, mail:mazhongcheng.corn@163.corn 396建筑材料第l3卷 解其抑制过程和机理,国外学者进行了大量的试验 研究I1].一般结晶抑制的机理主要是通过抑制溶 质成核以及限制晶核长大以使其小于临界尺寸,或 降低溶液中的物质浓度使其低于该物质的溶解度来 阻止或减少结晶物形成.国外研究较多的抑制剂主 要有聚羧酸盐和磷酸盐,其中包含的化学基团主要 有3种:磷酸酯,有机膦酸盐,聚合高分子电解 质. 对于水泥混凝土中钙矾石结晶化抑制剂的研究 以国外较多,国内对这方面的研究甚少.国外多采用 "外掺"的方法,即将混凝土成型试件浸泡在掺有抑 制剂的NaSO溶液中来模拟环境中硫酸盐对混凝 土的侵蚀,因此它模拟的是外部硫酸盐环境侵蚀条 件.但这种方式在实际工程中很难实现,且相比涂刷 防腐涂层,置换土等工程措施,其在技术上应用的可 能性也较低.本文采用"内掺"方式——即将抑制剂 作为外加剂,直接掺入到硫铝酸盐水泥中,以研究抑 制剂对该种水泥性能的影响. 1试验材料及方法 1.1试验材料和设备 水泥:北京赛阳特种水泥制造分公司生产的快 硬硫铝酸盐水泥(R?SAC);砂:ISO中粒径(0.5, 1.0ram)标准砂和IS0标准砂;抑制剂:一种聚合物 有机酸抑制剂,其分子结构式如下: HH lI十 f—f七 HCOOH 试验前先用NaOH溶液调节抑制剂的pH值 至6,7,并稀释为2%浓度(质量分数,本文所涉及 的浓度,掺量等均为质量分数)备用. 试验设备有:砂浆棒试模,尺寸为25.4mm× 25.4mmX285mm;胶砂强度试模,尺寸为40mm ×40mm×160mm;沈阳精华分析仪器厂生产的 CHN-1型水泥净浆标准稠度凝结时间测定仪;吉林 省金力试验技术有限公司生产的YAW-300B型微 300 机控制全自动压力试验机;测量范围275,mm,精度为0.01mm的测长仪. 1.2试验方法 以内掺0.10A抑制剂,不掺抑制剂两类试验进 行水泥净浆和砂浆的对比试验,以此来反映抑制剂 对水泥性能的影响. 测试水泥凝结时间时所取的水灰比为0.274; 胶砂强度试件所取的水灰比为0.53,胶砂比为1: 3,试件成型后放人2O?养护室中,24h后拆模,随 即再放入养护室中养护至不同龄期,测试各龄期下 试件的抗压强度及抗折强度;砂浆棒长度试件所取 的水灰比为0.45,胶砂比为1:2.25,试件成型后放 人2O?养护室中,24h后拆模,随即测其初始长度 值,再放入养护室中养护至不同龄期,测试各龄期下 砂浆棒的长度,并以此计算其膨胀率. 2试验结果及分析 2.1试验结果 掺与不掺抑制剂的硫铝酸盐水泥凝结时间,胶 砂强度及砂浆棒膨胀率的试验结果见表1及图1. 由表1可见:掺加0.1的抑制剂后,水泥的 初,终凝时间均得到延长,说明抑制剂起到了缓凝作 用,缩短了水泥的初,终凝时间间隔;抑制剂对水泥 砂浆的抗折,抗压强度基本无影响. 表1抑制剂对水泥凝结时间及胶砂强度的影响 Table1Effectsofinhibitor0nsettingtimeofcementandmortarstrength 由图1可见:掺加0.1的抑制剂可以明显抑 制硫铝酸盐水泥的膨胀,且抑制程度最高可达30 以上. 2.2结果分析 试件成型初期,由于硫酸根离子(S0:一)比大分 子聚合物抑制剂的有机酸根离子尺寸小得多,因此 会更容易扩散进入水泥颗粒的内部孔隙,在水化过 程中与钙矾石的基本结构单元[Ca.A1(OH)? 12H.ol汁相络合,生成尺寸较小的钙矾石凝胶体. 由于此时孔隙中的SO;一相对较多,浓度较大,与水 泥水化反应的速度较快,生成的钙矾石凝胶体尺寸 尚达不到成核所需的临界尺寸,而且生成的钙矾石 凝胶体浓度很低,达不到结晶成核所需的过饱和度, 所以初期生成的这些钙矾石凝胶体难以聚集成核, 长大. 随着反应的进行,聚合物有机酸根离子这一强 第3期马忠诚,等:钙矾石结晶化抑制剂对硫铝酸盐水泥性能的影响397 极性阴离子开始扩散进入水泥颗粒孔隙中或吸附在 水泥颗粒表面,由于这些酸根离子与[Ca.A1(OH) ? 12HO]抖络合的能力比s0;一要强很多,所以它 们会取代S0:一而与[Ca.A1(OH)?12H.O].这 一 极性阳离子相结合并形成稳定的络合物.这些络 合物分布在水泥孔隙中或颗粒表面,阻止了SO一 进入平行于c轴的沟槽,使其无法与[Ca.A1(OH) ? 12H0].相结合,从而进一步抑制了钙矾石凝胶 体的成核,生长.所以掺加0.1%的抑制剂可以明显 抑制硫铝酸盐水泥的膨胀. O2040608O1OO Age/d 图1各龄期下抑制剂对水泥膨胀的抑制效果 Fig.1Effectofinhibitoronexpansionofcement 3结论 1.掺加0.1的抑制剂可以明显抑制硫铝酸盐 水泥的膨胀,且抑制程度最高可达3O以上. 2.掺加0.1的抑制剂可使硫铝酸盐水泥的 初,终凝时间有所延缓,但对胶砂强度基本无影响. 3.聚合物抑制剂的有机酸根离子取代soj一并 与钙矾石的基本结构单元这一极性阳离子相结合, 形成了稳定的络合物,同时也阻止了sO;进入平 行于c轴的沟槽,使其无法与钙矾石基本结构单元 相结合,进一步抑制了钙矾石凝胶体的成核与生长. 参考文献: [1杨久俊,海然,吴科如.钙矾石的结构变异对膨胀水泥膨胀性 的影响[J3.无机材料,2003,18(1):136—141. YANGJiu—jun.HAIRan,WUKe-ru.Effectsofettringite structuraltransformationonexpansivebehaviorofexpansion [2] cement[J].JournalofInorganicMaterials,2003,18(1):136— 141.(inChinese) MEHTAPK.Scanningelectronmicrographicstudiesof [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [101 [11] [12] [13] ettringiteformation[J].CemConcrRes,1975.6(2):169一l82. CODYRD,SPRYPG.CODYAM,eta1.Theroleofmagne— sluminconcretedeterioration[R].[s1]:IowaDepartmentof Transport.FinalReportHR一355,1994:17I. 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