矿渣水泥比硅酸盐水泥腐蚀能力：干冰对硅酸盐水泥水化硬化性能的影响

矿渣水泥比硅酸盐水泥腐蚀能力：干冰对硅酸盐水泥水化硬化性能的影响水泥净浆拌制:首先分别称量水泥、水和干冰，用水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌过程中要防止水和水泥溅出，先低速搅拌120s，停15s，接着高速搅拌120s停机。水泥砂浆拌制:分别称量水泥、标准砂、水和干冰，用水泥砂浆搅拌机搅拌。试验中，干冰分别以硅酸盐水泥质量的0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%的比例掺入。其中，净浆的水灰比为0.35;砂浆的配比是:水泥∶标准砂∶水=450∶1350∶225。水泥采用42.5级普通硅酸盐泥水泥(P.O42.5)，其主要技术指标见表1、表2。干冰采用细粉状，其纯度为99.99%。砂采用标准砂。减水剂包括萘系减水剂和聚羧酸系减水剂。水为洁净自来水。表1 水泥的化学组成 下载原图表2 42.5级硅酸盐水泥的物理性能 下载原图

张党正 王纬东 路竣杰 任中杰 于咏妍内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司 交通运输部公路科学研究所

摘 要：为了增强二氧化碳在硅酸盐水泥中的应用，探究了干冰对于硅酸盐水泥凝结时间、净浆流动度和净浆强度、砂浆强度的影响。试验结果表明:干冰掺入量低于1. 2%时，净浆凝结时间先缩短后延长，但凝结时间均低于未掺入干冰的试件。当干冰掺入0. 6%时，凝结时间最短。净浆中掺入萘系减水剂及聚羧酸减水剂后，干冰的掺入对净浆初始流动度影响较小。60分钟净浆流动度测试表明，掺入萘系减水剂对净浆试块的保坍有利。聚羧酸减水剂对净浆试块的保坍有不利影响。干冰掺入后，净浆和砂浆试块的抗压抗折强度呈现先增后减的趋势。当干冰掺入量不大于0. 9%时，干冰对抗压抗折强度均有利。干冰掺入量为0. 6%时，抗压抗折强度均达到峰值。7d、28d净浆抗压强度分别提高了6. 6%、6. 5%;砂浆抗压强度提高了11. 7%、6. 9%;砂浆抗折强度分别提高了6. 8%、7. 15%。SEM测试表明，干冰的掺入优化了水泥的硬化结构，这对干冰在硅酸盐水泥基材料中具有一定的指导作用。

关键词：干冰;硅酸盐水泥;减水剂;凝结时间;抗压强度;

可持续发展要求人与自然和谐相处，但随着社会工业化程度的日益加深，特别是能源、化工、材料等生产加工行业，释放大量CO2气体，成为温室气体的排放大户，CO2气体带来的气候问题在国际上已经倍受关注。在水泥制造产业中，每生产1吨普通水泥，就释放出近1吨二氧化碳，为了改善现状需要对水泥产业实行二氧化碳减排，也有不少专家学者提出过“绿色水泥”、“低碳水泥”的概念。

目前，二氧化碳在水泥基材料中的应用集中在二氧化碳养护、二氧化碳强化再生骨料等。王继娜研究了CO2养护对再生混凝土力学性能的影响，结果表明，CO2养护条件下，再生混凝土的力学性能较标准养护条件下有一定程度的提高，且随着CO2养护时间的延长，再生混凝土力学性能逐渐增大。NR Shor的研究结果表明，在碳化过程中，水泥浆体的孔隙结构得到改变，孔隙率大幅降低。李亚可的研究表明，经CO2强化处理后，再生骨料的吸水率及压碎值减小，表观密度增大，配制砂浆的抗压强度有所增加，干燥收缩及吸水率明显降低。应敬伟研究了再生骨料CO2强化及其对混凝土抗压强度的影响，结果表明，CO2强化可以提高再生骨料的物理和力学性能，经过CO2强化后得到的CO2强化再生骨料表观密度和堆积密度均增大1.2%，吸水率减小27.3%，压碎指标降低10.5%。对于将二氧化碳直接掺入水泥基材料中的研究很少，本文将二氧化碳以干冰的形式直接掺入水泥中，探究其对水泥水化和硬化性能的影响。

1 原材料与试验方法1.1 原材料

水泥采用42.5级普通硅酸盐泥水泥(P.O42.5)，其主要技术指标见表1、表2。干冰采用细粉状，其纯度为99.99%。砂采用标准砂。减水剂包括萘系减水剂和聚羧酸系减水剂。水为洁净自来水。

表1 水泥的化学组成 下载原图

表2 42.5级硅酸盐水泥的物理性能 下载原图

1.2 试验方法

试验中，干冰分别以硅酸盐水泥质量的0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%的比例掺入。其中，净浆的水灰比为0.35;砂浆的配比是:水泥∶标准砂∶水=450∶1350∶225。

水泥净浆拌制:首先分别称量水泥、水和干冰，用水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌过程中要防止水和水泥溅出，先低速搅拌120s，停15s，接着高速搅拌120s停机。水泥砂浆拌制:分别称量水泥、标准砂、水和干冰，用水泥砂浆搅拌机搅拌。

水泥凝结时间参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行，流动度参照GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行，抗压强度以净浆、砂浆为研究对象，净浆试块尺寸为40mm×40mm×40mm，砂浆试块尺寸为40mm×40mm×160mm，试模采用标准养护，分别测试7d和28d的抗压强度。

2 结果与讨论2.1 凝结时间

干冰对硅酸盐水泥凝结时间的影响见图1。从图1可以看出，随着干冰掺量的增加，凝结时间先缩短后延长，在干冰掺量为0.6%时，凝结时间最短，相比于空白样，初凝时间、终凝时间分别由228min、285min缩短为193min、228min，即分别缩短了15.4%、20%，掺加干冰试样的凝结时间均比空白样短。说明掺加干冰在一定程度上促进了硅酸盐水泥的初期水化，从而对凝结时间产生了影响。

图1 干冰对凝结时间的影响 下载原图

2.2 净浆流动度2.2.1 掺有萘系减水剂时

在水灰比为0.35、萘系减水剂掺量为1%、干冰掺量为0.6%时，测试了水泥净浆初始流动度和60min时的流动度，通过流动度的测试，对比研究了在掺有萘系减水剂时干冰对净浆流动度的影响，试验结果见图2。

图2 掺萘系减水剂时干冰对净浆流动度的影响 下载原图

由图2可知，掺加萘系减水剂的情况下，在初始时，空白样的净浆直径为236mm，掺加干冰试样的净浆直径为220mm，掺加干冰试样的净浆直径比空白样小了6.8%，即两者差别比较小，说明干冰的掺入，对萘系减水剂的减水效果影响较小。在60min时，空白样的净浆直径为118mm，掺加干冰试样的净浆直径为160mm。掺加干冰的试样比空白样的扩展度大了35.6%，也就是说，干冰的掺入，有利于净浆保坍效果。

2.2.2 聚羧酸系减水剂

在水灰比为0.35、聚羧酸系减水剂掺量为1%、干冰掺量为0.6%时，测试了水泥净浆初始流动度和60min时的流动度，通过流动度的测试，对比研究了在掺有聚羧酸系减水剂时干冰对净浆流动度的影响，试验结果见图3。

图3 掺聚羧酸系减水剂时干冰对净浆流动度的影响 下载原图

由图3可知，掺加聚羧酸系减水剂的情况下，在初始时，空白样的净浆直径为280mm，掺加干冰试样的净浆直径为275mm，掺加干冰试样的净浆扩展度仅小了1.8%，说明在初始时，掺加干冰对流动度的影响不大。在60min时，空白样的净浆直径为235mm，掺加干冰试样的净浆直径为170mm。掺加干冰的试样比空白样的扩展度小了27.7%，说明掺加干冰后，净浆的扩展度损失较大，也就是说，干冰的掺入，影响了聚羧酸减水剂的保坍效果。

2.3 力学性能2.3.1 净浆试块力学性能

在干冰掺量为0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%，水灰比为0.35时，对比分析了干冰对水泥净浆抗压强度的影响，其结果见图4。

由图4可知，随着干冰掺量的增加，7d和28d抗压强度均先增大后减小，在干冰掺量为0.6%时抗压强度最大。相比于空白样分别增大了5.3%、6.1%。由图4可知，在掺量小于0.9%时，抗压强度均大于空白样。总体来说干冰掺量小于0.9%时对硅酸盐水泥的抗压强度有利，在掺量为0.6%时，效果更佳。其原因是水泥水化过程中产生的Ca(OH)2与CO2发生反应生成Ca CO3，而Ca CO3起到密实填充作用，使水泥抗压强度得到提高。当CO2含量过多时，在净浆试块中形成较多孔隙，影响了水泥的抗压强度。

图4 干冰对净浆抗压强度的影响 下载原图

2.3.2 砂浆试块力学性能

固定水灰比为0.5，砂灰比为3，干冰掺量为硅酸盐水泥质量的0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%，对比分析了干冰对水泥砂浆抗压强度、抗折强度的影响，其结果见图5、图6。

图5 干冰对砂浆抗压强度的影响 下载原图

由图5可知，随着干冰掺量的增加，砂浆的抗压强度先增大后减小，在干冰掺量为0.6%时，7d、28d抗折强度达到最大值，相比空白样提高了11.7%、6.9%。对于7d、28d砂浆抗压强度在掺量小于0.9%时，均大于空白样，在0.9%时，强度仍可提高7.0%、5.0%。

图6 干冰对砂浆抗折强度的影响 下载原图

由图6可知，随着干冰掺量的增加，砂浆抗折强度先增大后减小，在干冰掺量为0.6%时，7d、28d抗折强度达到最大值，相比空白样提高了6.8%、7.1%。对于7d抗折强度，掺量大于0.9%时，强度小于空白样。对于28d强度，掺量为0.9%时仍大于空白样，总体来说，在掺量不大于0.9%时，干冰对砂浆的抗折强度有利。

2.4 SEM分析

采用SEM测试，对比研究干冰掺入量从0%～1.2%范围内，养护7d及28d后水泥水化产物的微观结构形态。

在7d时，干冰掺量为0%时，水化产物之间的连接不是很紧密，结构疏松;干冰掺量为0.3%和0.6%时，可明显的观察到钙矾石晶体，干冰掺量为0.9%和1.2%时，不能明显的观察到AFt晶体，但结构相对来说紧凑、密实。

在28d时，掺加干冰试样的结构均比空白样密实，尤其是掺量为0.3%、0.6%时结构更加密实，在28d时，并没有观察到明显的AFt存在。

3 结论

(1)干冰掺入量低于1.2%范围内，净浆凝结时间先缩短后延长，但凝结时间均低于未掺入干冰的试件。当干冰掺入0.6%时，凝结时间最短，初凝时间、终凝时间分别缩短了15.4%、20%。净浆中掺入萘系减水剂及聚羧酸减水剂后，干冰的掺入对净浆初始流动度影响较小。60分钟净浆流动度测试表明，萘系减水剂的净浆试块中，干冰的掺入对保坍有利。聚羧酸减水剂的净浆试块中，干冰的掺入对保坍有不利影响。

(2)干冰掺入后，净浆和砂浆试块的抗压抗折强度呈现先增后减的趋势。当干冰掺入量不大于0.9%时，干冰对抗压抗折强度均有利。干冰掺入量为0.6%时，抗压抗折强度均达到峰值，7d、28d净浆抗压强度分别提高了6.6%、6.5%;砂浆抗压强度提高了11.7%、6.9%;砂浆抗折强度分别提高了6.8%、7.15%。

(3)SEM测试表明，干冰的掺入优化了水泥水化的硬化结构，适量的干冰可以使硬化体变得更加致密。

参考文献

[1] 史春树．绿色水泥:不是零碳而是负碳．环境与生活，2012(1):69-72．

[2] 温平．新型干法水泥生产线节能减排实时检测分析系统在水泥厂中的应用．中国水泥企业总工程师论坛暨全国水泥企业总工程师联合会年会．2011．

[3] 马忠诚，汪澜．水泥工业CO2减排及利用技术进展．材料导报，2011.25(19):150-154．

[4] 何宏涛，袁文献．水泥生产中减排二氧化碳措施和效果分析．中国水泥，2005(3):47-49.