SO2-4-C3A对单矿C3S水泥浆体中碳硫硅钙石形成的影响.docx

? ? SO2-4/C3A对单矿C3S水泥浆体中碳硫硅钙石形成的影响 ? ? 李相国，田 博，何 超，吕 阳，蹇守卫，姜东兵，张 乘，周 阳 (1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.华新水泥股份有限公司，武汉 430070；3.石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000) 0 引 言 水泥基材料作为工程中最重要的结构材料，因具有出色的工作性、力学性能和耐久性能而得到广泛应用。但是，碳化、氯离子腐蚀和硫酸盐侵蚀等问题都可能导致水泥基材料的服役寿命达不到预期。硫酸盐侵蚀是水泥基材料中最普遍的劣化问题之一，相对于钙矾石及石膏型硫酸盐侵蚀，碳硫硅钙石(thaumasite，CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O)型硫酸盐侵蚀(TSA)对水泥基材料的危害更大。碳硫硅钙石通常在低温(一般低于15 ℃)、碱性(pH值高于10.5)，同时含有充足硫酸根离子、碳酸根离子的环境下形成，碳硫硅钙石的形成会对水泥基材料结构造成破坏[1-4]。与常见的硫酸盐侵蚀相比，TSA通常将水化硅酸钙(C-S-H)凝胶作为侵蚀对象，将硬化的水泥基材料基体转化为无力学性能的糊状物质，破坏水泥基材料结构，而水泥基材料通过水化产生的C-S-H凝胶承担水泥基材料90%以上的工程性能[5]，因此TSA更具破坏性。目前研究的重点集中于侵蚀液中硫酸盐的类型及含量、碳酸盐的浓度[6-8]、pH值[9]、铝酸三钙(C3A)含量、Ca/Si比(摩尔比)及温度变化等因素对碳硫硅钙石形成的影响。李相国等[10]研究了C3A和硅酸三钙(C3S)的比例对掺30%(质量分数)石灰石粉水泥浆体，经5%(质量分数)MgSO4溶液腐蚀后碳硫硅钙石产生的机理，发现少量的C3A也会促进碳硫硅钙石的形成。Zhou等[11]研究发现C3A的存在会促进碳硫硅钙石的形成。马保国等[12]研究了Ca/Si比(摩尔比)对碳硫硅钙石形成的影响，发现随着Ca/Si比的增加，碳硫硅钙石的形成时间缩短。同时，Blanco-Varela等[13]研究表明,在侵蚀溶液中，硫酸盐浓度不变时，低浓度C3A水泥基试件中碳硫硅钙石生成量高于高浓度C3A水泥基试件，这意味着SO2-4与C3A摩尔比(S/Al比)可能对碳硫硅钙石的形成有着一定影响。 从以上研究可以发现，C3A的存在及含量对碳硫硅钙石的形成具有显著影响。然而目前S/Al比对水泥浆体中碳硫硅钙石形成影响的研究还较少，因此为排除其他因素影响，本文重点研究了单矿C3S水泥浆体中S/Al比对碳硫硅钙石形成的影响，旨在为减少碳硫硅钙石侵蚀对水泥基材料破坏的研究提供一定理论参考。 1 实 验 1.1 原材料 采用中国医药集团有限公司生产的二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)，依照相应的制备方法[14]制备C3S和C3A两种水泥单矿。硫酸钠(Na2SO4)为侵蚀介质，碳酸钙(CaCO3)为实验环境提供碳酸根离子。以上药品均为分析纯。 1.2 试验方案 为避免其他因素的影响，采用单矿C3S制备水泥浆体，C3A作为铝源，Na2SO4溶液为侵蚀介质。试样配合比如表1所示，将单矿C3S、C3A、CaCO3与水按一定比例混合并成型，其中单矿C3S与C3A摩尔比为3，浆体水胶比(W/B)为0.4，试样尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，将试样置于相对湿度98%以上、温度(20±2) ℃的养护室中。24 h后将试样脱膜并放入水中养护，达到28 d龄期后将试样取出置于烘箱中，温度为50 ℃。为了加速后续侵蚀溶液中的侵蚀反应过程，将烘干的试样研磨至粉末，并分别用不同浓度的Na2SO4溶液浸泡。所需Na2SO4的质量根据水泥单矿C3A的用量计算获得，其中S/Al比为3、6和9。达到不同侵蚀龄期(1个月、3个月、6个月、9个月、14个月)后抽取部分混合溶液并离心，将离心后固体产物放入50 ℃烘箱中7 d，将烘干的固体产物研磨成粉末状，并分别采用XRD、FTIR、SEM/EDS等手段对其物相组成及微观形貌进行表征。 表1 试样配合比Table 1 Mix proportion of sample 1.3 分析方法 采用X射线衍射仪对腐蚀试样的矿物物相组成进行分析，设备型号为D8 Advance(德国Bruker公司生产)，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，Cu(Kα)靶辐射，扫描范围为5°～50°，扫描速度为0.02 (°)/min。 采用傅里叶变换红外光谱仪对试样中的官能团进行分析，设备型号为Nicolet 6700(美国Thermo Electron Scientific Instruments公司生产)，扫描范围为400～4 000 cm-1。 采用场发射扫描电子显微镜对试样中矿物的结晶相貌进行观