王文斌
【摘 要】主要研究了在0、4、8、12℃养护温度下碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化和性能的影响.结果表明,低温养护环境下,掺入少量的碳酸锂可以明显缩短硫铝酸盐水泥的凝结时间,当碳酸锂掺量大于0.10％时,硫铝酸盐水泥凝结时间基本上不再变化,0、4、8、12℃养护环境下,掺0.10％碳酸锂的硫铝酸盐水泥初、终凝时间分别为90、150 min,57、74 min,43、57 min,23、38 min.碳酸锂可以促进硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物在低温下的早期水化,从而提高低温养护下硫铝酸盐水泥净浆的12h、1d和3d抗压强度,但对硫铝酸钙28 d的水化程度无影响,而且当碳酸锂掺量较高时,低温下养护的硫铝酸盐水泥净浆7 d和28 d抗压强度会降低. 【期刊名称】《新型建筑材料》科普展品制作
【年(卷),期】2019(046)005
【总页数】5页(P54-57,83)
【关键词】碳酸锂;硫铝酸盐水泥;水化;强度
【作 者】王文斌
【作者单位】重庆化工职业学院,重庆 401228
【正文语种】中 文
【中图分类】TU528.042
0 引 言
硫铝酸盐水泥是一种以硫铝酸钙（C4A3S）、贝利特（C2S）和铁铝酸四钙（C4AF）为主要矿物组成的胶凝材料[1]。相比于硅酸盐水泥中的阿利特矿物，硫铝酸盐水泥中的硫铝酸钙矿物水化活性更高，其主要水化产物为膨胀性钙矾石和铝胶，因此，铝酸盐水泥具有凝结硬化快、早期强度高、碱度低和微膨胀等特点[2-3]，广泛应用于快速施工、冬季施工、紧急抢修工程及配制膨胀剂等[4-5]。
虽然硫铝酸钙具有较高的水化活性，但是在较低的施工温度下，其水化活性会明显降低，从而使硫铝酸盐水泥凝结硬化慢、早期强度降低，影响施工速度。因此，在冬季施工工程
中期望进一步提高硫铝酸钙的水化活性。韩建国和黄志松等[6-7]的研究发现：在常温20 ℃的条件下，碳酸锂（Li2CO3）可以促进硫铝酸盐水泥硬化，提高硫铝酸盐水泥早期（1、3、7 d）抗压强度。为了促进硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物在低温环境下的水化，缩短水泥的凝结硬化时间，提高早期抗压强度，从而提高硫铝酸盐水泥在冬季的施工速度，本文研究了在0、4、8、12 ℃养护温度下碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化和性能的影响。
1 实 验
1.1 原材料
硫铝酸盐水泥熟料：曲阜中联水泥有限公司，主要矿物组成见表1；天然二水石膏：湖北龙源，主要成分为CaSO4·2H2O。将硫铝酸盐水泥熟料和二水石膏按8∶2 的质量比混合并粉磨过200 目筛，得到硫铝酸盐水泥。碳酸锂：分析纯。
表1 硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物组成 %C4A3S（C）C2S C3A C4AF CaSO4 19.38 45.57 23.16 3.52 5.24 3.13 C4A3S（O）
1.2 实验方法
1.2.1 凝结时间凝结时间按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、性检验方法》进行测试，水灰比为0.28。
1.2.2 净浆抗压强度
在硫铝酸盐水泥中分别掺加0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%和0.12%的碳酸锂，按照水灰比为0.3 制备水泥净浆，试块尺寸为20 mm×20 mm×20 mm。1 d 后脱模，然后在相对湿度为90%、温度分别为0、4、8、12 ℃的环境中养护至规定龄期，测试试块的12 h、1 d、3 d、7 d 和28 d 抗压强度，每组6 个试块，抗压强度取其平均值。
1.2.3 水泥水化放热
水泥水化放热测试所用设备为TAM-AIR 八通道等温量热仪，水泥用量2 g，水灰比0.3，仪器保持的恒定温度分别为0 ℃和12 ℃，测试时间为24 h。
1.2.4 水化产物热分析
测试完水泥净浆抗压强度后，将破坏的水泥净浆试块在无水乙醇中浸泡6 h 终止水化，将烘
干后的水泥水化产物粉磨过200 目筛，采用Mettler TGA/DSC 1/1600 进行DSC-TG 分析，将样品放入样品仓后稳定5～10 min，升温速率为5 ℃/min，温度范围5～200 ℃，反应气体和保护气体分别为空气和氩气。
2 结果与讨论
2.1 凝结时间
碳酸锂掺量对不同养护温度下硫铝酸盐水泥凝结时间的影响见图1。
由图1 可知：随着养护温度的降低，硫铝酸盐水泥的初凝和终凝时间明显延长；随着碳酸锂掺量的增加，0、4、8、12 ℃养护温度下硫铝酸盐水泥的初凝和终凝时间均缩短。
图1 不同养护温度下碳酸锂掺量对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响
准入控制系统当养护温度为0 ℃时，掺入0～0.04%碳酸锂对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响不大；当碳酸锂掺量为0.06%时，可明显的缩短凝结时间；当碳酸锂掺量大于0.10%时，硫铝酸盐水泥凝结时间基本上不再变化，初凝和终凝时间分别保持在90、150 min，与不掺碳酸锂的硫铝酸
盐水泥相比，凝结时间明显缩短，但是仍长于常温下硫铝酸盐水泥的凝结时间，这说明此时硫铝酸盐水泥的凝结时间主要受环境温度的影响。
养护温度为4、8、12 ℃时，水泥终凝与初凝时间间隔变短。当碳酸锂掺量大于0.10%时，硫铝酸盐水泥的凝结时间基本上不再变化，初凝和终凝时间分别保持在57、74 min，43、57 min，23、38 min。
2.2 抗压强度
小麦草榨汁机韩建国和阎培渝[7]的研究发现：在20 ℃养护温度下，碳酸锂可促进硫铝酸盐水泥的水化，提高硫铝酸盐水泥砂浆早期抗压强度，但到水化后期，水泥砂浆抗压强度都有不同程度的降低。碳酸锂掺量对不同养护温度下硫铝酸盐水泥净浆抗压强度的影响见图2。
由图2 可见，当养护温度为0、4、8、12 ℃时，随着碳酸锂掺量的增加，硫铝酸盐水泥净浆12 h、1 d 和3 d 抗压强度明显提高。当养护温度为0 ℃时，养护龄期达到28 d，掺加碳酸锂与未掺碳酸锂的水泥净浆抗压强度一致；当养护温度为4 ℃时，养护龄期达到7 d 和28 d，掺加0.10%和0.12%碳酸锂水泥净浆抗压强度低于未掺碳酸锂的水泥净浆；当养护温度
为8 ℃和12 ℃时，养护龄期达到28 d，掺加碳酸锂水泥净浆的抗压强度低于未掺碳酸锂的水泥净浆。
图2 不同养护温度下碳酸锂掺量对硫铝酸盐水泥净浆抗压强度的影响
2.3 水泥的水化放热
纯铝酸钙水泥
碳酸锂掺量对不同养护温度下硫铝酸盐水泥水化放热的影响见图3。
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图3 不同养护温度下碳酸锂掺量对硫铝酸盐水泥水化放热的影响
由图3 可见，当水化温度为0 ℃时，0～0.2 h 内出现1 个放热峰，这主要是硫铝酸钙和二水石膏的溶解以及钙矾石和铝胶的形成导致[8-9]。相比于未掺碳酸锂的硫铝酸盐水泥，掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥放热速率更高，这说明碳酸锂的加入促进了硫铝酸盐水泥水化早期矿物的溶解和水化产物的形成。当水化温度为12 ℃时，早期矿物溶解和水化产物形成的放热峰集中在0～0.1 h 内，水化放热速率也明显较0 ℃时高，说明较高的水化温度促进了硫铝酸钙和二水石膏的溶解以及钙矾石和铝胶的形成。
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当水化温度为0 ℃时，硫铝酸盐水泥水化呈现1 个单峰。未掺碳酸锂的硫铝酸盐水泥在11 h 出现1 个放热不集中的放热峰，这说明低温下硫铝酸盐水泥中的硫铝酸钙矿物水化缓慢；而掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥在7 h 出现1 个放热集中的放热峰，这说明碳酸锂促进了硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物的水化。由放热总量曲线来看，在0～24 h 内掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥水化放热量更高，说明低温下碳酸锂可促使更多的硫铝酸钙水化形成钙矾石，因此，掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥在0 ℃环境养护12 h、1 d 和3 d的净浆抗压强度更高。
当养护温度为12 ℃时，硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物水化放热峰明显的提前，掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥水化放热呈现1 个单峰，未掺碳酸锂的硫铝酸盐水泥水化放热呈现2 个放热峰，这说明碳酸锂的加入在一定程度上改变了硫铝酸盐水泥的水化。掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥水化放热速率及24 h 水化放热量明显较高，这说明碳酸锂在很大程度上促进了硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物的水化。因此，掺加0.10%碳酸锂的硫铝酸盐水泥在12 ℃环境养护12 h、1 d和3 d 净浆抗压强度更高。
2.4 水化产物的热分析
硫铝酸盐水泥水化产物的DSC-TG 曲线见图4。
图4 硫铝酸盐水泥水化产物的DSC-TG 曲线
由图4 可见，0 ℃养护1 d 时，与未掺碳酸锂的硫铝酸盐水泥相比，掺0.1%碳酸锂的硫铝酸盐水泥钙矾石脱水吸热峰更加明显，石膏的高温脱水吸热峰更弱，水泥水化产物的质量损失率更大，这说明低温下碳酸锂促进硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物的水化，消耗了更多的石膏，形成了更多的钙矾石。12 ℃养护28 d 时，掺0.1%碳酸锂以及未掺碳酸锂的硫铝酸盐水泥钙矾石和石膏脱水吸热的峰基本一致，水泥水化产物的质量损失率也基本一致，这说明碳酸锂不会影响硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙矿物28 d 的水化程度。该研究结果否定了碳酸锂抑制硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙后期水化的观点，推断掺加碳酸锂的硫铝酸盐水泥后期强度降低可能有以下2 个方面的原因：（1）碳酸锂的存在促使硫铝酸钙水化产生的铝胶结晶，形成氧化铝晶体，影响硫铝酸盐水泥硬化浆体的微观结构；（2）碳酸锂的存在抑制了硫铝酸盐水泥中贝利特矿物的水化。
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