几种缓凝物质对碱矿渣水泥影响效果的研究
文/ 朱效荣 2017-02-22
孙彦生，孙 宇，王 璐，黄 珊，张 玭
（中铁九局集团工程检测试验有限公司，辽宁 沈阳 110025）
摘 要：主要研究了硝酸钡、氯化钡、生石膏、偏磷酸钠、氯化镁等几种不同化合物对碱矿渣水泥凝结时间的影响，并通过水泥胶砂强度试验研究了缓凝组分掺量对水泥强度的影响。
关键词：碱矿渣水泥；凝结时间；强度；掺量
The research of the Effect of Several Retarding Materials Impact on the Alkali-active Slag Cement
SUNYansheng，SUNYu，WANGLu，HUANGShan，ZHANGPin
（China Railway NO.9（Group）Co.- Engineering Testing Co.，Ltd，Shenyang，Liaoning 110025）
Abstract：The influence of several compounds，such as Ba（NO3）2，BaCl2，CaSO4·2H2O，NaPO3and MgCl2， on the setting time of alkali-active slag cement was studied. The effect of retarding component’s dosage on the strength was studied by testing the cement mortar’s strength.
Key words：Alkali-active Slag Cement；Setting time；Strength；Dosage
0 引言
碱矿渣水泥凝结时间的控制一直是制约其投入使用的关键因素之一。碱矿渣水泥虽然具有早强、高强、耐久、节能等优点，但在不掺加缓凝组分的情况下，其初凝时间极短，初凝和终凝时间间隔很小，不具有施工操作性，限制了其在工程中的应用。因此如何延缓碱矿渣水泥的凝结硬化，保证用碱矿渣水泥拌制的混凝土在施工生产中具有良好的工作性，一直都是广大研究人员关注的重点和难点。笔者所在技术团队为研制出能实际使用的碱矿渣水泥，对几种常用缓凝物质的作用效果进行了试验研究，通过对各缓凝物质在碱矿渣水泥中作用效果的分析，探索延缓碱矿渣水泥凝结时间并保持水泥强度的有效途径。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
（1）矿渣粉：本试验采用粒化高炉矿渣粉，比表面积345m2/kg，其化学成分见表1。碱度系数0.818＜1.0，属于酸性矿渣，活度系数0.254。
表1 矿渣粉的化学成分（质量分数） %
| f-CaO | SO3 | MgO | CaO | Fe2O3 | Al2O3 | SiO2 |
| 0.03 | 0.04 | 9.31 | 37.94 | 1.8 | 11.7 | 46.06 |
（2）粉煤灰：粉煤灰化学成分见表2。
表2 粉煤灰的化学成分（质量分数） %
| f-CaO | SO3 | MgO | CaO | Fe2O3 | Al2O3 | SiO2 |
| 0.03 | 0.32 | 3.38 | 1.51 | 4.79 | 18.64 | 74.85 |
（3）水玻璃：采用沈阳北山化工厂的液体水玻璃，模数为2.7，Na2O含量7.52%，SiO2含量19.67%，用NaOH调整至所需模数。
（4）生石灰：生石灰来自沈阳化学试剂厂，氧化钙含量75.9%。
（5）缓凝物质：硝酸钡、氯化镁均为沈阳市新化试剂厂的分析纯；氯化钡为沈阳化学试剂厂的分析纯；二水硫酸钙（生石膏）为沈阳市试剂三厂分析纯；偏磷酸钠为国药集团化学试剂有限公司的化学纯。
1.2 试验方法
首先将粒化高炉矿渣粉与不同模数的水玻璃、生石灰、水及缓凝物质等按不同的比例拌和，按GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定水泥净浆标准稠度用水量和凝结时间，按GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测定水泥胶砂强度。根据试验结果分析不同缓凝物质对碱矿渣水泥凝结时间的影响及缓凝物质掺量对水泥胶砂强度的影响，找到缓凝效果明显并能有效保持碱矿渣水泥强度的适当的缓凝组分。
试验所用水玻璃模数为1.4，掺量为5%（以Na2O占矿渣粉质量的百分比计）；生石灰掺量为5%（以生石灰与矿渣粉总质量的百分比计）；缓凝物质掺量为1%~5%（以矿渣粉和生石灰总质量的百分比计）；水泥胶砂的水灰比为0.38。
2 结果与讨论
2.1 缓凝物质种类及掺量对碱矿渣水泥凝结时间的影响
已有文献指出“磷酸盐、Ca（OH）2、硝酸盐可以作AAS水泥的缓凝剂”[1]，所以笔者选择了以上5种化学物质进行缓凝试验。试验发现不同缓凝物质对碱矿渣水泥凝结时间的影响相差较大，缓凝效果比较好的主要是硝酸钡、生石膏和氯化镁，而偏磷酸钠的缓凝作用相对较弱，氯化钡在掺量较大时缓凝效果较好。碱矿渣水泥在掺加不同化学物质时的凝结时间见表3。
表3 碱矿渣水泥的凝结时间
| 缓凝物质 | 凝结时间（min） | ||||||
| 掺量% | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 硝酸钡 | 初凝 | 15 | 55 | 52 | 97 | 67 | 32 |
| 终凝 | 20 | 170 | 268 | 247 | 215 | 172 | |
| 生石膏 | 初凝 | 15 | 68 | 79 | 89 | 83 | 95 |
| 终凝 | 20 | 175 | 184 | 206 | 230 | 217 | |
| 氯化钡 | 初凝 | 15 | 31 | 30 | 37 | 42 | 72 |
| 终凝 | 20 | 79 | 82 | 77 | 79 | 206 | |
| 偏磷酸钠 | 初凝 | 15 | 42 | 38 | 35 | 21 | 18 |
| 终凝 | 20 | 63 | 71 | 77 | 56 | 44 | |
| 氯化镁 | 初凝 | 15 | 51 | 52 | 58 | 57 | 53 |
| 终凝 | 20 | 111 | 137 | 199 | 146 | 108 |
2.1.1硝酸钡对凝结时间的影响
硝酸钡是比较传统的碱矿渣水泥缓凝剂。早在1993年，杨长辉、蒲心诚申请的“碱矿渣水泥缓凝剂（YP-3）”专利中的主要成分就是硝酸钡，该缓凝剂可以将用偏硅酸激发的和用碱性矿渣激发的高强碱矿渣水泥的初凝时间从5～15min延缓到2～22h[2]。但表3的试验数据显示硝酸钡掺量超过3%时，水泥初、终凝时间均缩短。
2.1.2生石膏对凝结时间的影响
适用于普通波特兰水泥系统的缓凝剂并不一定适合于AAS水泥[3]，但试验结果显示生石膏是可以延缓碱矿渣水泥凝结时间的，而且生石膏较其他缓凝剂（除偏磷酸钠外）对水泥胶砂强度的不良影响小。从表3可以看出，掺加1%生石膏后，碱矿渣水泥的凝结时间大幅度增加，而且掺量越多，凝结时间越长。
2.1.3偏磷酸钠对凝结时间的影响
掺加少量偏磷酸钠后，水泥的初、终凝时间均延长，但初凝时间仍小于45min，初、终凝时间间隔仍较短，而且随偏磷酸钠掺量的增加，初、终凝时间又不断降低。试验表明：偏磷酸钠对碱矿渣水泥的缓凝作用有限。
2.1.4氯化钡对凝结时间的影响
氯化钡在掺量较少时对凝结时间的影响有限，但当掺量达到5%后，水泥初、终凝时间均大幅增加。试验中发现，氯化钡对碱矿渣水泥有显著的减水作用，掺氯化钡的水泥净浆标准稠度用水量较掺其他缓凝剂时少很多。
2.1.5氯化镁对凝结时间的影响
氯化镁可以有效延缓碱矿渣水泥的凝结硬化，但当掺量超过3%后，缓凝作用下降。初凝时间随氯化镁掺量变动的幅度不大，但终凝时间受掺量的影响较大，掺量为3%时的效果最好。
2.2 缓凝物质种类及掺量对碱矿渣水泥强度的影响
有研究发现“采用各种有缓凝作用的物质后，碱-矿渣水泥的净浆强度与空白样相比有所降低，而且随着缓凝性物质掺量的增加水泥强度的下降趋势愈明显”[4]。蒲心诚也指出“（YP-3）随着掺量的增加，各龄期（特别是早期）抗折、抗压强度均有规律地下降”[2]。为了研究各种缓凝物质对水泥强度的影响程度，笔者进行了水泥胶砂强度试验，碱矿渣水泥抗压和抗折强度随缓凝剂掺量的变化情况见图1~图4。
图1 缓凝剂掺量与水泥28d抗压强度的关系
图2 缓凝剂掺量与水泥28d抗折强度的关系
图3 缓凝剂掺量与水泥3d抗压强度的关系
图4 缓凝剂掺量与水泥3d抗折强度的关系
2.2.1缓凝物质对水泥28d强度的影响
从图1和图2可以看出，缓凝物质的掺量会对水泥强度产生较大影响，而且基本上是不利影响，其中对强度影响最大的是氯化钡，其次是硝酸钡。偏磷酸钠会降低水泥抗折强度和3d抗压强度，但对28d抗压强度有利，掺入水泥后，28天抗压强度比未掺时高，当掺量不超过4%时，抗压强度会随掺量的增加而增大；硝酸钡掺量超过3%时，水泥28d抗压和抗折强度会大幅度下降；水泥抗压强度随生石膏掺量的增加而降低，但掺量超过3%后，对水泥抗折强度不再产生不良影响；氯化镁掺量对水泥的抗折强度影响较小，但掺量超过3%时，水泥抗压强度会受到明显影响；氯化钡掺量达到3%以后水泥强度急剧下降。
2.2.2缓凝物质对水泥早期强度的影响
从图3和图4可以看出，各种缓凝物质均会对碱矿渣水泥早期强度产生不良影响，尤其是氯化钡和硝酸钡对强度的影响最为显著，掺氯化钡和硝酸钡的水泥胶砂试件在24h时强度较低，拆模时间需延长。对早期抗压强度影响最小的是偏磷酸钠，其次是生石膏和氯化镁；但对早期抗折强度影响最小的是生石膏，其次是偏磷酸钠和氯化镁。
3 结论
3.1 硝酸钡、氯化镁、生石膏、氯化钡（掺量5%以上）对碱矿渣水泥的缓凝效果较好。但硝酸钡、氯化钡对水泥强度影响较大，需采取措施提高强度；而生石膏对强度的影响较小，是较合适的缓凝物质。
3.2碱矿渣水泥的强度随缓凝物质掺量的增加而降低，掺量超过3%后影响更加明显，缓凝效果越好的缓凝剂对强度尤其是早期强度的影响越大。
3.3 碱矿渣水泥的凝结时间一般随缓凝剂掺量的增加而延长，但有些缓凝剂在超过一定掺量后会使水泥凝结时间又不断缩短，因此在使用缓凝剂时要通过试验确定其最佳掺量。
参考文献：
[1] 吴其胜. 水玻璃模数对碱矿渣水泥性能的影响[J]. 水泥工程，1999（5）：10-11.
[2] 蒲心诚. 碱矿渣水泥与混凝土[M]. 北京：科学出版社，2010.
[3] 马保国等. 碱-矿渣水泥快速凝结的影响因素与机理研究[J]. 建筑材料学报，1999年6月（第2卷第2期）：99-104.
[4] 张志强等. 碱-矿渣水泥缓凝物质的选择研究[J]. 混凝土，2008年第8期（总第226期）：63-64.
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