前言
对硅酸盐水泥凝结和水化的调控一直是水泥性能调控的关键问题，众多学者通过多种方法对硅酸盐水泥的水化硬化性质进行研究，如采用数值模拟[1.2]等方法进一步揭示硅酸盐水泥的水化过程。
硅酸盐水泥的水化受到养护温度[3]、外加剂[4-9]等方面的影响。有研究指出，抑制硅酸盐水泥的熟料水化过程会导致硅酸盐水泥无法完全水化，进而影响水泥的凝结硬化性能[10]；对硅酸盐水泥的缓凝进行分析研究，发现通过阻碍C-S-H的生长也会使硅酸盐水泥早期出现缓凝现象11-14。因此，通过调控硅酸盐水泥熟料的水化进程或影响C-S-H凝胶的生长均会对硅酸盐水泥的凝结硬化产生影响。
矾类以合理比例搭配能增强胶凝材料抗渗性能，这已有一定的研究和应用⁵-17,如以蓝矾、红矾、明矾、紫矾组成的四矾防水剂在我国防水砂浆中有一定应用。经过梳理现有相关研究，有关明矾对硅酸盐水泥凝结性能影响的研究和报道鲜有见到。因此，关于明矾对硅酸盐水泥的凝结性能和水化的影响值得重视和研究7-19。
试验材料与试验方案
1.1试验材料
水泥：P·I型52.5R硅酸盐水泥；明矾，分析纯用KAl(SO4)₂·12H₂O。
1.2明矾单掺试验
以水灰比0.28为准制备水泥净浆，搅拌过程中分别掺入质量分数为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的明矾，按照水泥净浆搅拌程序拌制水泥净浆，然后注入20 mm×20 mm×20 mm的立方体试模，制备水泥净浆试块。具体掺量设置如表1所示。
试样分别标记为C0(基准样)、CM1、CM2、CM3、CM4和CM5(M指代明矾),每组3个试块。采用标准养护条件养护至相应龄期，分别测定净浆的1d、3d、28d抗压强度[20。
测定抗压强度后，分别从破碎试块中心部位碎块中取样，用无水乙醇浸泡终止水化，真空干燥留存，供XRD和SEM和试验制样。
结果与讨论
2.1凝结时间
水泥凝结时间的测定按照国家现行试验标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346-2011)²01进行试验。
在硅酸盐水泥中掺入不同含量的明矾后，各试样凝结时间的测定结果见表2所示。
由表2可知，明矾单独掺加后，硅酸盐水泥的凝结时间发生了明显变化。与基准试样CO相比，明矾单独掺加后，硅酸盐水泥的初凝时间、终凝时间相应缩短，但符合硅酸盐水泥的凝结时间的技术要求，不影响硅酸盐水泥的应用。
2.2抗压强度
单独掺加明矾后各试样的抗压强度示于表3。由表3可知，单独掺加明矾的硅酸盐水泥的1 d强度提高比较明显。其中以CM5的1 d强度提高最为明显；3 d强度提高不明显；CM1与基准样相比提高较多；除CM2的28 d强度与CO相比有小幅度降低，其余掺量的28 d强度均有提高，以CM4的强度提高较为明显。总体来看，掺入明矾会提高硅酸盐水泥的抗压强度，其中以CM3试样的强度为最高。
强度的变化，表明明矾的加入要么促进了硅酸盐水泥的水化，要么改善了硅酸盐水泥硬化浆体的结构，要么二者兼而有之。
2.3 XRD分析
选取明矾组CM3作XRD分析，如图1所示。
从图1可以看出，随龄期的增长，CM3试样的Ca(OH)₂相对含量在逐渐增大，14 d龄期时含量最多，之后趋于稳定；未水化的熟料C₃S和C₂S的含量逐渐减小；钙矾石的含量3 d后基本稳定。表明随着龄期的增大，硅酸盐水泥的水化程度相应提高，抗压强度亦同步相应增长。
掺加明矾的各试样与基准组试样的28 d龄期XRD图谱对比，结果如图2所示。
从图2可以看出，随明矾掺量增加，Ca(OH)₂和钙矾石的含量逐渐增加。明矾的掺量为3%时，未水化的熟料含量最少，说明在此掺量下硅酸盐水泥的水化程度较高，因此，抗压强度较大。与基准试样CO相比，掺加明矾使未水化的C₃S和C₂S含量减少，水泥水化的程度较高；特别是在明矾3%和5%掺量下，钙矾石含量随掺量的增加而增加，增加了微观结构的密实程度，对早期强度贡献更大。因此，XRD分析结果表明，掺加明矾，促进了硅酸盐水泥各龄期的水化，因而提高了各龄期抗压强度，证实了2.2节中的判断。尤其是掺加明矾增加了水泥水化产物钙矾石的含量，这对于抑制硅酸盐水泥的收缩和提高早期强度的贡献十分有利，表4中掺加明矾试样1 d、3 d抗压强度的明显提高，证实了钙矾石的作用，也进一步证实了明矾促进硅酸盐水泥水化的作用。
2.4扫描电镜分析
3 d龄期时，如图3(a)、(b)所圈出的，CM3中生成了较为密集的针棒状的钙矾石并且部分交织在一起，使内部结构致密。28 d龄期时，如图3(a)中箭头所指，钙矾石(AFt)晶体分布分布比较密集，并且有单硫型水化硫铝酸钙(AFm)生成，周围被C-S-H凝胶所包围，使结构比较致密。又如图3(b)中圈内显示，有C-S-H凝胶附着在层板状Ca(OH)₂上面。
明矾的加入，促进硅酸盐水泥的水化，较多的钙矾石的生成使其硬化浆体内部结构致密，有利于早期抗压强度的提高。
结束语
综上所述，结论如下：
(1)明矾的加入会加速硅酸盐水泥的凝结，但硅酸盐水泥的凝结时间合格，不影响使用。当明矾掺量在5.0%以内时均能提高硅酸盐水泥的抗压强度。
(2)明矾不仅可以提高钙矾石的生长速度和数量，还可以促进生成更多的单硫型水化硫铝酸钙，C-S-H凝胶充满了钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙的骨架空隙中，使水泥硬化浆体结构更加致密。
-END-
往期热门
作者：朱含熙，杨建森
所属：宁夏大学土木与水利工程学院
来源：《新世纪水泥导报》
如有侵权，请与我们联系！
