水热条件对硅酸盐水泥的水化及其干缩性能的影响分析

摘要：本文通过对水泥强度、干缩度、砂浆孔径以及NMR和TG-DSC进行测定，分析了水热条件下硅酸盐水泥的水化和干缩性能的概况。实验结果表明硅酸盐水泥早期水化程度与水养温度呈正相关，也就是随着水养温度的增高，其水化程度越加显著。但是在水化后期，水泥的强度和干缩度却随着温度增高而减小。

关键词：水热条件 硅酸盐水水泥 干缩性能 水化

1、前言

水泥水化温度指的是水泥在硬化过程中产生的温度。水泥水化后产生的较高温度在很大程度上影响水泥浆体和水泥基材料的性能和干缩。若水化温度造成水泥干缩增大，那么水泥基材料就会产生较为严重的裂缝，影响其使用。控制水泥水化温度是水泥研究工作者一直以来的研究内容，但是目前高校的控制水化和利用水化温度的方法仍未被研究出来[1]。本文就硅酸盐水泥在不同水热条件下的性能变化情况进行试验分析，旨在真正了解水化及干缩机理，从而更好的指导实际生产。

2、实验过程

2.1材料准备

压汞仪：PM-60-GT-3型，来自美国公司。

水泥：P.II 52.5R硅酸盐水泥。来自台湾远东集团水泥有限公司。水泥中三氧化硫（SO3）的总含量占2.05%。比表面积为368m2/kg，密度为3.13 g/cm3。

砂子：选择的是河北欧亚兴邦科技有限公司的ISO标准砂。

2.2实验方法

（1）控制水热。水热条件对于硅酸盐水泥的所有检验工作都有着极其密切的关系。所谓的水热指的是水养护的温度，是实验试件在成型并拆模两天后的水养温度。同样情况下，标准的水养温度应该是20℃或者60℃。

（2）测定水泥砂浆孔径。具体的步骤是首先进行砂浆干缩实验，将砂浆干缩成为一个小试块，试块的大小为三面均为1.414cm。将砂浆小试块进行24小时的养护后开始拆模，拆模完毕后将小试块放到标准的水热养护条件下养护48小时。待养护结束后将试块进行切样，切成直径约为3～5mm的小颗粒，然后使用无水乙醇对小颗粒进行水化终止和抽空干燥，待所有步骤全部完成后3天内使用压汞仪对砂浆颗粒孔径的分布概况进行全面测量[2]。

（3）测定NMR和TG-DSC。首先，第一步要求制作和准备试样。具体步骤是，将要进行试验的水泥调节成净浆，净浆的水灰比为0.5，制作完成后将净浆放在密封的试管内进行标准水热条件养护，养护时间为3天。3天后停止水热养护并停止净浆水化，然后将停止水化的净浆研磨成粉状。将研细后的净浆放到60℃养护条件下烘烤6小时。然后使用这些净浆作为NMTR和TG-DSC测定的主要样品。其次，使用探头为4mm、振幅为15KHZ的核磁共振仪对NMR进行测试；使用温度提升速度为10℃/min的综合热分析仪对TG-DSC进行测定。

（4）侧性水泥性能。水泥性能包括水泥的干缩性和强度。在这里，水泥强度的测定主要依据ISO法内规定的标准进行确定，且确定的标准还包括水泥的养护条件是水热条件范围内，若是在在控制之外的时段进行那么则不能够使用该标准法进行确定；水泥干缩度的测试是按照JC/T603-1995测试法内的标准步骤进行。具体测试步骤是，将水泥进行57天的干燥养护后确保你内部无水分后，将其峰值在温度为标准养护温度（20℃）的水当中，密切观察水泥在不同时期的干缩情况，做好记录，并将这些记录绘制成为一个想象的曲线图。

3、实验结果

3.1水泥强度变化测试结果

试样脱模并放入不同水热条件（20℃或者60℃）后，其抗压和抗拉强度变化结果为：水泥在水热温度为20℃和60℃时其抗压强度变化极大，但是其抗拉强度变化却比较小。在不同水热条件下水泥前后两期的抗压强度的差距非常明显，后期的强度均小于前期强度。

3.2水泥砂浆孔径测定结果

使用压汞法测量的砂浆孔径的大小主要分几种情况，即≤200、100～200、30～100、10～30、≤10，单位均为mm。不同水热条件下孔径结果测定为：孔径≤30mm的孔体积在20℃水热条件中的水养护样要小于60℃水热条件中的水养护样，特别是当孔径小于10mm时，两者之间的水养护样差距更是明显，也就是说，水泥的早期（3天）水化速度和浆体紧密度与温度变化成正相关，也就是水温越高，水化复速度越快，浆体密度越大[3]。

3.3NMR和TG-DSC的测定结果

NMR测定结果表明，无论在何种温度下，也就说无论是在20℃还是在60℃水热条件下，水泥在水化3天后产生的物质均不可避免要发生硅氧聚合反应。但是，随着测试时间不断增加，只有60℃水热条件下的水化产物会再次发生硅氧聚合反应，而20℃的水热条件并没有再次发生化学反应。意思就是说水热温度与水产物致密性呈正相关，与产物的表面积和性能呈负相关。

TG-DSC的测定结果显示，当水温为90～105℃时，水泥的凝胶出现较明显的脱水吸热现象；当水温为154℃时水泥有较为明显的脱水吸热现象；当水温为440～672℃时，出现了氢氧化钙的分解吸热现象。可见，水养护温度与水泥早期的水化速度和水化产物生成数量呈正相关，也就是温度越高，水化越快，产物越多。

3.4水泥性能测试结果

这里分析水热条件下的干缩性能变化测试结果。具体变化情况为：硅酸盐水泥的总干缩值随着温度的升高而逐渐减小，从0.063%降到0.043%，减少了0.02%；硅酸水泥的不可逆干缩值没有明显变化；可逆干缩值与总干缩值一致，均随着温度的增加而出现大幅度降低。可见，温度变化严重影响水泥干缩。

4、讨论

从以上几个实验结果中可知，工程使用的水泥基材料出现干缩现象的根本原因是水泥浆体在水化过程中出现干缩所致。目前见到的硬化水泥浆体（或者橙汁为水泥石）的主要组成部位为：C-S-H凝胶、胶体表面的水、结晶产物、水泥颗粒以及水泥内的孔隙组成。这几个组成部分中，结晶产物与水泥颗粒内部均含有大量的氢氧化钙和AFt，这两个物质具有抑制收缩性能，在水泥水化过程中能够抑制水泥干缩；而组成部分中的C-S-H凝胶和孔径却具有较强的收缩性质。所以也就意味着，水泥本身的组成物质就具有干缩和抑制干缩的能力。是否会出现较大程度的干缩，取决于这些物质的数量和反应情况。假设水泥的水化条件相同，那么影响水泥干缩的主要因素不再是C-S-H凝胶结构而是水泥水化程度，简单来说就是C-S-H凝胶量越多，那么干缩度就越大；假若不考虑C-S-H凝胶结构的收缩性质的影响，单从水泥孔径、强度以及NMR和TG-DSC几个方面分析干缩情况，那么则可以得出，水养护水温越高（60℃）干缩率越大。但是，实际是水养护水温越高，干缩率越小。所以，实验结果为C-S-H凝胶是影响水泥干缩最主要的因素。

5、结束语

从以上研究可知，影响硅酸盐水泥水化和干缩性能的因素非常多，在不同水热条件下，水泥的强度、干缩度、水化速度、水化产物数量等均各不相同。出现这种现象的原因主要是因为水泥内部组成结构性能影响所。在分析多个可能性之后得出，C-S-H凝胶是影响水泥水化速度、水化产物数量、干缩的最重要因素。也就是说，控制硅酸盐水泥中的C-S-H凝胶数量和改变其结构性能，对于控制水泥水化温度，减少水泥基材料干缩现象具有非常重大的意义。

参考文献：

[1]张风臣，马保国，谭洪波，蹇守卫.不同环境下水泥基材料硫酸盐侵蚀类型和机理[J].济南大学学报（自然科学版），2008，41（01）：85-87.

[2]蔡安兰，黄颖星，严生，许仲梓，邓敏.水泥石的结构、组成与干缩性能的关系[J].材料科学与工程学报，2005，20（04）：212-213.

[3]黄颖星，严生，蔡安兰，邓敏.养护条件对水泥砂浆干缩性能的影响[J].南京工业大学学报（自然科学版），2006，10（03）：141-142.