HCSA膨胀剂对混凝土结构的作用

本文作者：李伏虎 马芹永 单位：安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心

喷射混凝土、锚杆及钢筋网相结合的锚喷支护技术具有工艺简单、施工快速、安全可靠、经济合理及适应性强等优点，已成为矿山井巷与地下工程建设中一种重要的现代化施工手段［1］。由于喷射混凝土施工工艺的要求，通常需要加入一定比例的速凝剂，以达到速凝快硬、增加粘结力、减少回弹损失的效果。速凝剂的加入往往会导致喷射混凝土产生收缩裂缝和渗水现象，严重影响了支护工程的强度和使用寿命。针对喷射混凝土存在的这个问题，研究人员采取了添加钢纤维、碳纤维、聚合物纤维等多种方法，取得了一定效果［2－4］。同时，开发多功能复合型速凝剂也是喷射混凝土发展方向之一。最近，马芹永、崔朋勃等研究人员进行了HCSA膨胀剂与速凝剂复合在喷射混凝土中应用的研究，研究结果表明，在喷射混凝土中适当掺入HCSA膨胀剂同时配合钢纤维的三维约束，利用膨胀剂在喷射混凝土中产生的预压应力抵消喷射混凝土收缩产生的预拉应力，可以起到补偿收缩、减少微裂缝、提高强度的作用［5－6］。但是，关于膨胀剂的加入对喷射混凝土微观结构的影响，以及膨胀剂在喷射混凝土中的作用机理，还需要进行深入研究。本文研究了添加HCSA膨胀剂对速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料凝结时间、水化产物和微观结构的影响，分析了HCSA膨胀剂-速凝剂-硅酸盐水泥三元胶凝材料微观结构演变特征，为提高喷射混凝土宏观力学性能、推广喷射补偿收缩混凝土在工程上的应用打下理论基础。

1试样材料与样品测试

1．1原材料水泥:普通硅酸盐水泥PO42．5级;膨胀剂:HCSA高性能膨胀剂，主要成分硫铝酸钙;速凝剂:D型速凝剂，主要成分NaAlO2(铝酸钠)。

1．2样品制备水泥净浆样品制备:胶凝材料总量为100g，膨胀剂、速凝剂均采用内掺方式，等量取代水泥。膨胀剂等量取代水泥8%，速凝剂内掺量2%～8%;水胶比为0．4。准确称量各种胶凝材料用量，加水制成水泥浆体，测试胶凝材料的初凝时间。养护1d、3d、7d、28d后取出部分样品，进行SEM和XRD测试。混凝土试块制备:按C30基准混凝土设计，HCSA膨胀剂掺量0～10%，钢纤维体积掺量1．2%，具体材料配合比及养护条件见文献［5］，混凝土试块养护28d后测试抗压强度。

1．3试验仪器使用水泥稠凝测定仪(维卡仪，无锡建材仪器厂)测试三元胶凝材料的凝结时间。使用扫描电子显微镜(SEM，日本日立公司，S-3000N型)观测样品的微观形貌特征;使用X射线衍射仪(XRD，北京普析通用有限公司，XD-3型，Cu/Kα1辐射源，扫描范围5°～60°)测试样品的晶体结构特征。采用TYE—2000型压力机测试混凝土试块抗压强度。

2结果与分析

2．1膨胀剂对速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料凝结时间的影响在混凝土中添加HCSA膨胀剂可以提高其密实度，减少收缩造成的裂缝，但对于喷射混凝土来说，还要满足速凝快硬、回弹量少、不易脱落的施工工艺要求。因此，本文对比了添加HCSA膨胀剂前后，速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料凝结时间的变化情况，结果见表1。从表1中可以看出，二元胶凝体系中加入不同比例的HCSA膨胀剂后，相比于掺加前的初凝时间变化不大。而胶凝材料的初凝时间主要取决于速凝剂的添加量，当速凝剂掺量为5%时初凝时间最短，具有最佳的促凝效果。一些研究表明速凝剂的水化反应速度很快，通常在几分钟至十几分钟内完成［7］，而膨胀剂水化反应生成钙矾石晶体的速度较慢，通常需要5～7d才能达到钙矾石生长的最大值［8－9］，所以，在速凝剂-硅酸盐水泥胶凝材料中掺加HCSA膨胀剂，没有影响速凝剂的促凝作用。

2．2膨胀剂对喷射混凝土抗压强度的影响喷射混凝土中加入HCSA膨胀剂后，对其抗压强度也有影响。膨胀剂掺量对喷射混凝土抗压强度的影响见图1。从图1可以看到，随着膨胀剂掺量的增加，试块抗压强度先缓慢增大后下降，掺量8%时，抗压强度达到最大，相比不掺加膨胀剂的喷射混凝土抗压强度提高了7．1%。膨胀剂对喷射混凝土抗压强度的影响与其微观结构的变化有着密切的关系。

2．3HCSA膨胀剂对速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料微观形貌的影响HCSA膨胀剂对喷射混凝土宏观力学性能的影响，是因为改变了混凝土材料的微观结构和组成。为了更清楚地说明这一点，本文对比研究了添加8%HCSA膨胀剂前后胶凝材料不同龄期微观形貌的演变过程，如图2、3所示。从图2中可以看到，未掺加膨胀剂的速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料在水化初期(1d)有较多的片状Ca(OH)2晶体生成(图2(a))，水化7d有少量的针棒状钙矾石(AFt)晶体生成(图2(c))，水化28d的微观结构仍较为疏松，明显有微裂缝存在(图2(d))。而二元胶凝材料中添加HCSA膨胀剂后形成的膨胀剂-速凝剂-水泥三元胶凝材料微观形貌发生了明显的变化(图3)。三元胶凝材料水化反应1d时，水化晶体产物以片状和异方型Ca(OH)2结晶为主，针棒状钙矾石晶体很少(图3(a))。水化3d时，胶凝材料中针棒状晶体明显增多，这些针棒状钙矾石AFt晶体在材料的微孔洞和缝隙中生长，逐渐搭接在一起形成相互交错网状结构(图3(b))。从图3(c)中可以看到，水化7d后的胶凝材料比较密实，颗粒状CaCO3晶体和针棒状AFt晶体较多，水化晶体产物基本填充了微孔洞和缝隙。水化28d后，晶体产物的生长基本稳定，可以看到针棒状晶体变得粗壮，针棒状、层片状和块状晶体交错搭接在一起，使胶凝材料形成高强度的整体(图3(d))。对比图2与图3两种胶凝材料微观形貌的差别，可以清楚地看到，添加HCSA膨胀剂明显促进了针棒状钙矾石AFt晶体的生长，形成相互交错的网状结构，减少微裂缝的产生，有利于胶凝材料密实度和强度的提高。

2．4HCSA膨胀剂对速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料晶体结构的影响对胶凝材料不同龄期的水化反应产物进行X射线衍射测试，可以研究其水化反应产物晶体组成特征的演变规律。图4和图5分别为添加HCSA膨胀剂前后速凝剂-硅酸盐水泥胶凝材料水化产物不同龄期的XRD测试图谱。从图4中可以看到，二元胶凝材料的主要水化产物包括:Ca(OH)2、CaCO3、C—S—H、C—A—H及AFt等晶体化合物，水化1～7d期间CaCO3和C—A—H的衍射峰较强，水化28d时Ca(OH)2的衍射峰较强。速凝剂-硅酸盐水泥二元胶凝材料添加HCSA膨胀剂后水化产物的组成基本没有变化(图5)，但水化产物X射线衍射峰的强弱发生了改变。水化1d时，Ca(OH)2和C—S—H的衍射峰较强，随着水化龄期的延长，CaCO3和钙矾石晶体AFt的衍射峰明显增强，水化3～7d期间钙矾石AFt增长最快，随后逐渐稳定，这符合HCSA膨胀剂水化反应生成钙矾石的规律［9］。水化28d时，CaCO3晶体的衍射峰最强，这有利于提高胶凝材料抗压强度［6］。对比图4和图5可以发现，添加HCSA膨胀剂明显促进了钙矾石和CaCO3晶体的生长，这与扫描电子显微镜图像是一致的。

3结论

1)HCSA膨胀剂与速凝剂、硅酸盐水泥形成的三元胶凝材料，在速凝剂掺量为5%时具有较快的初凝时间，HCSA膨胀剂掺量为8%时，喷射混凝土抗压强度可以提高7．1%。2)对比掺加HCSA膨胀剂前后胶凝材料的微观结构发现，掺加8%HCSA膨胀剂可以促进水化产物钙矾石晶体和CaCO3晶体的生长，有助于提高凝胶材料的抗压强度。3)钙矾石晶体的生长填充了胶凝材料的微孔洞和缝隙，形成了相互交错的网状结构，减少了微裂缝的产生，有利于提高凝胶材料的密实度。