嚴(yán)寒地區(qū)硅酸鹽水泥基鏡面材料制備與性能研究

　　摘 要： 為提高硅酸鹽水泥基材料鏡面效果，擬通過摻加堿性激發(fā)物質(zhì)等方法配制硅酸鹽水泥基材料，通過單摻及復(fù)摻的方法，研究了不同摻量和不同模具對各齡期硅酸鹽水泥基材料的光澤度、耐久性的影響。研究表明，硅酸鹽水泥基材料表面光澤度隨水膠比降低而增加，隨齡期增長而降低，摻加粉煤灰和堿性激發(fā)劑能夠提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度，水膠比為 0.27 硅膠模具成型的硅酸鹽水泥基材料具有更高的表面光澤度，其 28 d 光澤度值達(dá) 56，抗侵蝕性介質(zhì)侵入的能力較強(qiáng)，抗單面鹽凍性能優(yōu)異。

　　關(guān)鍵詞： 硅酸鹽水泥基材料;光澤度;模具;激發(fā)劑;性能

　　李曉; 金梟; 張建峰， 混凝土 發(fā)表時間：2021-09-27

　　0 引言

　　隨著綠色建筑材料的不斷發(fā)展，鏡面混凝土應(yīng)運(yùn)而生[1]。鏡面混凝土是集結(jié)構(gòu)和裝飾于一體的綠色建筑材料，既滿足普通混凝土所要求的強(qiáng)度、工作性和耐久性，又具有表面平整光滑、明亮如鏡的特點(diǎn)[2-3] 。目前，對鏡面混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)及配制工藝參數(shù)的研究還不夠深入，光澤度的研究也尚屬缺少，使其應(yīng)用受到限制。針對上述問題，本研究從配制硅酸鹽水泥基的原材料選擇和性能入手，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到其配合比，并通過試配確定了配制硅酸鹽水泥基材料的較優(yōu)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)和配制工藝參數(shù)。分析了組成對硅酸鹽水泥基材料光澤度、硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)、單面鹽凍的影響[4]。探討硅酸鹽水泥基材料應(yīng)用于混凝土工程的可行性。

　　1 原材料及試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)原材料

　　試驗(yàn)用原材料具體如下：選用 P·O 42.5 級水泥，3 d 抗壓強(qiáng)度 27.2 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度 51.9 MPa;II 級粉煤灰;自來水;20%濃度 SPC-102 聚羧酸高效減水劑;昕特瑪干粉消泡劑;Ca(OH)2 固體粉末;34%濃度 Na2SiO3 ·9H2O 溶液，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表 1。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　本試驗(yàn)預(yù)先將其與水泥、粉煤灰等固體原料混合均勻，分別摻入水泥質(zhì)量 0.2%Ca(OH)2、0.2%Na2SiO·3 9H2O，并通過以下配合比進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　研究中，水膠比控制在0.27~0.33之間，分別采用 200 mm× 200 mm×20 mm 的鐵模具、PVC 模具、硅膠模具制備試件。其中，使用硅膠模具時，模具外側(cè)采用硬質(zhì)膠合板固定，以避免成型時試件變形，并采用分層注漿[5]。試件拆模后，用 PE 薄膜裹覆，防止吸附環(huán)境粉塵，影響試件表面光澤度。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至各齡期測試其底模面光澤度。

　　測定光澤度方法：將每組試塊分為 5 個區(qū)域，分別是模具成型試塊外部邊緣易于空氣接觸的 4 個區(qū)域，以及不易于外界接觸的中心區(qū)域，每個區(qū)域取 5 個測點(diǎn)進(jìn)行測試。取全部 25 個測點(diǎn)測試值去掉最高的 3 個值和最低的 3 個值后的平均值為試件光澤度值。

　　硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)、單面鹽凍試驗(yàn)參照 GB/T 50082— 2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。掃描電鏡采用美國 FEI 公司 QUANTA250 多功能鎢燈絲掃描電鏡。光澤度采用譽(yù)德光澤儀器智能型-168 進(jìn)行測定。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 制備條件對硅酸鹽水泥基材料表面光澤度的影響

　　根據(jù)前期基礎(chǔ)性研究，使用相同脫模劑時，水膠比、粉煤灰摻量、堿性激發(fā)劑和模具材質(zhì)等對硅酸鹽水泥基材料表面光澤度影響顯著。按照 1.2 節(jié)中所述配合比與方法開展試驗(yàn)，結(jié)果如圖 1、2 所示。

　　研究中以表面光澤度表征材硅酸鹽水泥基材料的鏡面效果。由圖 1 可知，采用相同硅膠模具時，各組試件的 28 d 光澤度值隨水膠比的升高而降低。其中，空白組試件 28 d光澤度值在 8~10 范圍內(nèi);水膠比為 0.27 時，摻加 Ca(OH)2 組 28 d 試件光澤度值最高，為 56。根據(jù)膠凝材料凝結(jié)硬化理論，拌和水并非全部參與水泥的水化反應(yīng)，硅酸鹽水泥完全水化的理論水膠比為約 0.23[6]。水膠比越低，水泥漿體越密實(shí)，孔隙率越低且孔徑較小。拌合物中多余的水在改善和易性的同時，也導(dǎo)致硬化體中形成了更多的孔隙包括凝膠孔、毛細(xì)孔等[7]。攪拌過程中也會引入一定量的氣泡，在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生微裂紋，這些孔隙的孔徑分布從納米級到毫米級，從而影響材料密實(shí)度和表面光澤度[7]。材料表面孔隙率越大，大孔徑孔隙越多，則材料表面的光澤度就越低。同時，在低水膠比體系中水分的供給和擴(kuò)散遷移都受到限制，影響水泥的水化過程和鏡面的形成[8]。而摻加堿性激發(fā)劑后，水膠比 0.27~0.30 間材料光澤度值降低更為顯著，且材料各水膠比下的 28 d 光澤度值均明顯優(yōu)于空白組。這主要是因?yàn)閴A性激發(fā)劑加速了火山灰性材料的水化反應(yīng)，其硬化體孔隙率比硅酸鹽水泥石小，且孔徑小于 10 nm 的孔隙分布較多。這種尺寸的孔隙能有效限制液體遷移或離子擴(kuò)散，提高材料的致密度[9]，從而有利于提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度。摻加 Ca(OH)2 對材料 28 d 光澤度的影響優(yōu)于 Na2SiO·3 9H2O。這是因?yàn)閾郊訅A物質(zhì)使硬化體毛細(xì)孔中堿濃度較高，在凝結(jié)硬化的過程中，部分堿性物質(zhì)隨著水分遷移至表面，并與空氣中的 CO2 反應(yīng)，其產(chǎn)物提高了材料表面的粗糙度。而 Ca(OH)2 的溶解度和與 CO2 的反應(yīng)速度均低于 Na2SiO3 ·9H2O 水解產(chǎn)生的 NaOH，從而在材料表面形成的反應(yīng)物更少。水膠比為 0.27 時，材料 28 d 光澤度隨粉煤灰摻量增加而先增加后降低，但隨著水膠比的增加，粉煤灰對材料 28 d 光澤度提升作用逐漸顯著。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒形態(tài)為球體，可以有效降低拌合物需水量，提升漿體的保水性，提高材料密實(shí)度，對減少粗大孔隙有顯著效果[10]，并能夠降低硅酸鹽水泥基材料的開裂傾向。同時，粉煤灰與堿性物質(zhì)的反應(yīng)速度較慢，28 d 時生成的高密實(shí)度水化產(chǎn)物較少，因而隨其摻量的增加會導(dǎo)致材料 28 d 水化程度降低，對其表面光澤度不利[11]。在本研究條件下，干燥收縮、塑性變形、自收縮是導(dǎo)致材料表面微裂縫的產(chǎn)生的主要原因，也就是說，水化進(jìn)程和水分遷移速度決定了材料表面粗糙度。隨水膠比增加，多余水量逐漸增多，材料干燥收縮加劇，但水化速度提升，兩者對材料光澤度的影響是相反的，而粉煤灰對材料抗開裂能力的提升作用對其光澤度影響更為顯著。

　　編號 2 組配合比分別使用鐵模具、硅膠模具和 PVC 模具的光澤度試驗(yàn)結(jié)果見圖 2。由圖 2 可知，使用鐵模具時，硅酸鹽水泥基材料的 3、14、28 d 光澤度最差，且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其表面均質(zhì)性較差，僅局部存在鏡面效果。而使用硅膠模具時的試驗(yàn)結(jié)果最佳。這主要是因?yàn)楣杷猁}水泥基材料在硬化過程中，與模具之間的接觸緊密程度對材料表面光澤度影響顯著。其中使用鐵模具和硅膠模具成型的材料表面電鏡照片如圖 3、4 所示。

　　由圖 3、4 可知，使用硅膠模具的材料表面較為致密，而使用鐵模具的材料表面存在較多的微米級以上孔隙。

　　材料與模具之間的縫隙會加速其內(nèi)部液相向表面的遷移，進(jìn)而提高表面的粗糙度。使用鐵模具和 PVC 模具時，摻入 Ca(OH)2 的試件光澤度低于摻 Na2SiO·3 9H2O 的，而使用硅膠模具時相反。鐵模具和 PVC 模具硬度和剛度相對硅膠模具較高。同時，脫模劑在模具上的均布性也影響材料表面光澤度，試驗(yàn)所用的脫模劑在硅膠模具和 PVC 模具上的均布性顯著優(yōu)于鐵模具。硅酸鹽水泥基材料硬化收縮造成其與剛度較大的模具產(chǎn)生一定側(cè)向間隙，加速液相從底面，也就是光澤度測試面析出。Na2SiO·3 9H2O 自身可以發(fā)生膠凝反應(yīng)，提升液相稠度，能夠在一定程度上堵塞滲水通道，阻礙水分向表面遷移，從而降低表面孔隙率和孔徑尺寸。而 Ca(OH)2 參與反應(yīng)速度較慢，所以在使用鐵模具和 PVC 模具時，表面光澤度相對較低。使用硅膠模具時，硅酸鹽水泥基材料在硬化過程中與模具接觸緊密，液相不易從底部析出，且氣相也不易存留。硬化過程，部分堿性物質(zhì)遷移到底面。拆模后 Ca(OH)2 與活性摻合料反應(yīng)速度較慢，發(fā)生碳化反應(yīng)更慢，但 Na2SiO·3 9H2O 水解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)速度較快，其反應(yīng)產(chǎn)物提升材料表面粗糙度更為顯著。所以在各齡期摻 Ca(OH)2的試件光澤度均優(yōu)于摻 Na2SiO·3 9H2O 的。

　　2.2 光澤度對材料耐硫酸鹽侵蝕性的影響

　　采用硅膠模具，編號 1~3 組配合比，以水膠比 0.27 制作試件，再進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，結(jié)果見圖 5。以摻加 Ca(OH)2 的編號 2 組配合比制作的試件進(jìn)行 5%硫酸鈉溶液和純凈水浸泡試驗(yàn)，并測試不同齡期光澤度，結(jié)果見圖 6。

　　由圖 5 可知，除粉煤灰摻量為 10%且摻加 Ca(OH)2 組外，隨循環(huán)次數(shù)增加，各組試件的耐硫酸鹽侵蝕系數(shù)先增加而后降低。這是因?yàn)榱蛩徕c溶液呈堿性，能夠加速粉煤灰的水化反應(yīng)，提升硅酸鹽水泥基材料的密實(shí)度，但是隨循環(huán)次數(shù)增加，材料表面受硫酸根離子侵蝕日趨嚴(yán)重，這一點(diǎn)可以從圖 6 所示結(jié)果中得證，從而導(dǎo)致耐硫酸鹽侵蝕系數(shù)降低。隨粉煤灰摻量提升，可顯著提升硅酸鹽水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性，粉煤灰摻量高于 15%時，各組試件 150 個循環(huán)內(nèi)耐硫酸鹽侵蝕系數(shù)均高于 90%。而摻 Ca(OH)2 的試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰摻量為 15%時，試件 150 個循環(huán)內(nèi)耐硫酸鹽侵蝕系數(shù)保持最穩(wěn)定，這充分說明材料表面光澤度越高，即表面越致密，抵抗侵蝕性介質(zhì)侵入的能力越強(qiáng)。

　　2.3 光澤度對材料單面鹽凍性能的影響

　　采用摻加 Ca(OH)2 的編號 2 組配合比，以水膠比 0.27 制作試件，標(biāo)養(yǎng) 28 d 后進(jìn)行單面鹽凍試驗(yàn)，鹽溶液為質(zhì)量濃度為 3%的 NaCl 溶液，試驗(yàn)結(jié)果如圖 7、8 所示。

　　由圖 7 可知，隨單面鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，該硅酸鹽水泥基材料的表面剝落物總質(zhì)量逐漸增加，其增加幅度在 8 次以內(nèi)較小，8~12 次之間顯著提高，12 次以后又逐漸降低。 28 次鹽凍循環(huán)后，材料表面剝落物總質(zhì)量僅為 3.8 g/m2 ，遠(yuǎn)低于 GB/T 50082 中的要求，這充分說明表面光澤度高的材料具有良好的抗單面鹽凍性能。由圖 8 可知，材料在開始鹽凍循環(huán)后，其表面光澤度首先顯著降低，而 4~8 次循環(huán)間降低不顯著。這主要是因?yàn)椴糠蛀}溶液附著在材料表面，在干燥過程中 NaCl 結(jié)晶析出，造成材料表面的粗糙度提高，而不是材料表面破損，這也是材料在 8 次鹽凍循環(huán)內(nèi)表面剝落物總質(zhì)量變化較小的原因。8~12 次鹽凍循環(huán)過程中，材料表面特別是粉煤灰水化程度較低的區(qū)域，部分 100 nm 以上的孔隙開始出現(xiàn)破損、擴(kuò)張，導(dǎo)致光澤度顯著減低，表面剝落物總質(zhì)量顯著增加。而 12 次鹽凍循環(huán)后，材料表面光澤度變化又逐漸趨于緩和，這主要是由于隨鹽凍循環(huán)增加，材料表面孔隙擴(kuò)張，孔壁破損的同時，未水化物質(zhì)進(jìn)一步水化，其產(chǎn)物修復(fù)了部分缺陷，延緩了表面光澤度的降低。同時，光澤度較高的材料表面都有一定厚度的相對致密層，這層致密結(jié)構(gòu)會顯著改善材料抗鹽凍能力。

　　3 結(jié)論

　　(1)相對于 PVC 模具和鐵模具，使用硅膠模具成型的硅酸鹽水泥基材料可以獲得更高的表面光澤度。

　　(2)硅酸鹽水泥基材料表面光澤度隨水膠比降低而增加，隨齡期增長而降低，摻加粉煤灰和堿性激發(fā)劑可以顯著提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度，其中摻加 Ca(OH)2 優(yōu)于 Na2SiO·3 9H2O。

　　(3)硅酸鹽水泥基鏡面材料光澤度越高抗硫酸鹽侵蝕性能越好，其 28 d 光澤度值達(dá) 56 時，抗單面鹽凍性能優(yōu)異。