水灰比和碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响_韩建国

表 1 硫铝酸盐水泥的化学组成
%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 TiO2 K2O Na2O Loss 16.40 25.83 1.09 37.18 1.82 9.22 0.58 0.31 0.16 7.40
1 试验
1.1 原材料品质
硫铝酸盐水泥的化学组成如表 1 所示。X 射线衍射图谱如 图 1 所示，可见该水泥中的主要矿物为 C4A3S和 C2S，以及为调 节硫铝酸盐水泥的凝结时间、自应力水平和体积稳定性等目的， 在粉磨阶段掺入的二水石膏、硬石膏和石灰石粉。试验所用碳酸 锂（Li2CO3）的品质为试剂级、分析纯。 收稿日期：2010-07-17 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（2008BAE61B05）
3 31 863 28 327 26 792 28 689 29 894 2 8578 27 239
韩建国，阎培渝 （清华大学 土木工程系 结构工程与振动教育部重点实验室，北京 100084）
摘 要： 研究了水灰比和碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响。水化放热历程测试结果表明：随着水灰比的增大，硫铝酸盐水泥的水化
放热速率增大，水化放热量提高；碳酸锂的掺入使得水化诱导期消失，水泥在加入水后直接进入水化加速期，与水灰比的影响相比，碳酸锂
0 引言
硫铝酸盐水泥是以 C4A3S和 C2S 为主要组成矿物的第三系 列水泥，它具有凝结时间快、早期强度高、体积稳定性好、负温 下水化和抗硫酸盐侵蚀能力强的特点[1-2]，因此可用于抢修工程、 冬季施工工程、预应力结构和地下工程等[3]。作为一种水硬性胶 凝材料，其水化历程必然受水胶比和具有调凝性质外加剂的影 响，例如在掺入少量锂化合物的条件下，可显著缩短硫铝酸盐 水泥的凝结时间[4]。本试验研究了水胶比和碳酸锂对硫铝酸盐水 泥水化历程和水化产物种类的影响。这将有助于对硫铝酸盐水 泥水化历程和影响因素的理解。
后，降低了硫铝酸盐水泥早期水化产物钙矾石的成核势垒并提 高了其生成速率所致。Rodger 和 Double 的研究结果也显示出同 样的规律[6]。由图 5 可见，掺入 Li2CO3 增大了硫铝酸盐水泥早期 的水化放热量，但降低了后期的水化放热量。
图 2 水灰比对水化放热速率的影响
图 3 水灰比对水化放热量的影响
久性劣化的重要原因。利用 1.2 中介绍试验方法，研究了纤维对
现浇应力吸收层湿接缝混凝土抗疲劳性能的影响，具体结果见
表 7。
表 7 疲劳试验结果
编号 1
2
3
4
5
6 平均
1 9 280 10 021 9 987 9 574 9 678 9 863 9 733
2 23 674 21 566 22 456 21 356 21 256 2 2156 21 256
·6·
图 4 Li2CO3 对水化放热速率的影响 图 6、7 显示了在掺入 Li2CO3 的条件下，水灰比的变化对硫 铝酸盐水泥水化放热速率和水化放热量的影响。由图 6、7 可见， 在掺入 Li2CO3 的条件下，当水胶比增大时，硫铝酸盐水泥的水化 放热速率和水化放热量也呈增大趋势，但与图 2 不掺入 Li2CO3 的情况相比，水灰比的变化对水化加速期放热速率的影响不再 显著，此时不同的水灰比在水化加速期表现出基本相同的水化 放热速率。即掺入 Li2CO3 相对于变化水灰比而言，对硫铝酸盐水 泥水化加速期水化放热速率的影响更为显著。
2.2 碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化历程影响
图 4、5 显示了在不同的水灰比 0.3、0.4 和 0.5 条件下，掺入 Li2CO3 对硫铝酸盐水泥水化历程的影响。由图 4 可见，与空白试 样相比，掺入 Li2CO3 使得硫铝酸盐水泥的水化诱导期消失，硫铝 酸盐水泥在加水后直接进入水化加速期。这是由于加入 Li2CO3
文献标志码： A
文章编号： 1002-3550（2010）12-0005-03
In flu e n ce o f w a te r to ce m e n t ra tio a n d lith iu m ca rb o n a te o n s u lp h o a lu m in a te ce m e n t h yd ra tio n p ro ce s s
2 结果和分析
2.1 水灰比对硫铝酸盐水泥水化历程影响
图 2、3 显示了水灰比对硫铝酸盐水泥水化放热速率和水 化放热量的影响。由图 2 可见，硫铝酸盐水泥的水化历程与硅 酸盐水泥的类似，在加水后先表现出一个初始的润湿峰，然后 进入诱导期，诱导期结束后进入水化加速期，并逐渐过渡到水 化减速期。但与硅酸盐水泥不同的是，它在水化加速期表现出 三个连续的放热峰，这是由于不同的钙矾石生成阶段所致。同 时可见，当水灰比增大时，硫铝酸盐水泥的水化放热速率增大； 由图 3 可见，当水灰比增大时，硫铝酸盐水泥的水化放热量也 增加。这是由于水灰比增大时，水泥粒子的分散空间扩大，水化 矿物溶解和水化产物沉降的几率增大[5]，水泥粒子的水化程度 增大所致。
图 6 水灰比对水化放热速率的影响
图 7 水灰比对水化放热量的影响 图 10、11 显示了空白和掺入 Li2CO3 的硫铝酸盐水泥试样 在水化过程中，不同水化阶段采样所得 XRD 图谱。
图 10 显示了空白试样在水化过程中不同阶段的水化产物， 编号 Cement 表示未水化的硫铝酸盐水泥试样。由编号 C-FP 可 见，硫铝酸盐水泥在经历了水化诱导期后，到第一放热峰时，其 中的二水石膏已绝大部分溶解，从 XRD 图谱上已分辨不出来， 但由于此时钙矾石的生成量还较少，因此，XRD 图谱没能探测出 来；由编号 C-SP、C-TP 和 C-6D 可见，在第二水化放热峰后，水
图 8、9 中的标识 C 表示空白试样、C1 表示掺入 Li2CO3 的 试样、FP 表示第一放热峰、SP 表示第二放热峰、TP 表示第三放 热峰、6D 表示试样水化已进行了 6 d（未在图上标出）。
图 8 空白试样在水化进程中的采样点
图 9 掺入 Li2CO3 的试样在水化进程中的采样点 图 5 Li2CO3 对水化放热量的影响
·5·
程是将一定质量的硫铝酸盐水泥试样装入玻璃试管，相应质量 的水吸入注射器，然后将注射器装入试管中并放置到量热仪的 测试筒中进行热平衡，当达到热平衡状态后，使用量热仪测试 筒上的螺旋推进器将水注入到硫铝酸盐水泥试样中，在注水的 同时开始水化历程的测试。当需掺入 Li2CO3 时，首先将相应质量 的碳酸锂试剂与硫铝酸盐水泥均匀混合，然后装入玻璃试管，其 余的步骤与空白试样的测试过程相同。
的掺入对水化加速期放热速率的影响更为显著；同时，碳酸锂的掺入使得硫铝酸盐水泥的早期水化速率和水化放热量增加，后期水化放热
量减小。X 射线衍射测试结果表明：碳酸锂的作用仅是提高了硫铝酸盐水泥的水化进程和水化速率，对生成水化产物历程；水化产物
中图分类号： TU528.01
2010 年 第 12 期（ 总 第 254 期 ） Number 12 in 2010（Total No.254）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2010.12.002
混
凝
土
Concrete
理论研究 THEORETICAL RESEARCH
水灰比和碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响
Ab s tra ct: The influence of water to binder ratio （W/C）and lithium carbonate on hydration process of sulphoaluminate cement were studied. Hydration heat evolution process tests manifest that the exothermic rate and accumulative heat increase along with the increase of W/C.Lithium carbonate can significantly reduce the induction period，makes the acceleration period immediately begin after adding pared with W/C， lithium carbonate can enhance the exothermic rate during the acceleration period more significantly.Meanwhile，Lithium carbonate can enhance the exothermic rate and accumulative heat during the early hydration process，but lower the accumulative heat during the later hydration process. X-ray diffraction analyses show that lithium carbonate can only accelerate the hydration process and product forming rate，and has no influence on the hydration product type. Ke y w o rd s : water to cement ratio；lithium carbonate；sulphoaluminate cement；hydration process；hydration product
2.3 锂盐对硫铝酸盐水泥水化产物种类影响
为研究硫铝酸盐水泥在水化过程中不同阶段的水化产物， 以及 Li2CO3 的掺入对硫铝酸盐水泥水化产物种类的影响。对水 灰比为 0.4 的空白和掺入 Li2CO3 的硫铝酸盐水泥净浆试样，在 不同的水化阶段停止测试，如图 8、9 所示，将试样从量热仪中 取出，并浸泡入丙酮中终止水化，再用 X 射线衍射仪来测试不 同水化阶段的水化产物。