马井雨，周宗辉

不同离子对水泥水化性能的影响

Influnces on Different Ions to Cement Hydration Properties

马井雨1，2，周宗辉2

本文研究了不同离子对水泥水化历程、浆体力学性能和物理性能的影响。通过测定各拌合水成型得到的水泥硬化浆体的强度，探讨了水泥水化时不同掺杂离子对水泥浆体性能的影响规律，发现在拌合水中掺入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+（以硝酸盐形式添加），水泥硬化浆体试样的抗压强度比普通拌合水成型试样的抗压强度显著提高，且呈现出一定的规律。

离子；水化；掺杂；结构；性能

1 引言

水泥是无机非金属材料中用量最大的建筑材料之一，己成为当今世界第二大制品业。影响水泥用途的主要是其水化硬化浆体的性能[1]。水泥硬化浆体的性能取决于浆体的组成和结构，而水泥的水化环境是影响其硬化浆体组成和结构的重要因素。水泥的水化速度和水化程度受到水化环境的影响会有不同的变化[2]，并且由水化引起的水—水泥体系是变化的[3]。在一个合适的水化环境下会生成更多的C-S-H凝胶，内部孔径和孔隙率明显减小，孔隙利用率提高，内部结构的密实度增加[4]。一些国内外专家[5-8]研究发现，在水泥水化时掺杂一些离子可以提高水化硬化浆体的硬度及其他性能。由此可以通过研究在水泥水化时掺杂某种离子，改善水泥水化的性能。

本论文研究的重点就是在拌合水中掺杂不同离子，研究其对水泥水化历程、浆体物理性能的影响，经成型后养护不同的时间（3d、7d、28d），通过物理性能和力学性能等分析研究掺杂不同离子对水泥水化的影响。

2 实验准备

2.1 实验用原材料

试验所用水泥熟料为淄博齐银水泥有限公司生产的硅酸盐水泥熟料；

钢渣、超细矿渣由济南钢铁集团提供；

粉煤灰为济南黄台电厂提供的一级粉煤灰；

药品为分析纯药品，主要有：硝酸铝、硝酸钡、硝酸钙、硝酸铁；

水泥制备：95%的熟料和5%的石膏混合粉磨得到水泥，密度为2.99g/cm3，比表面积为413m2/kg。

2.2 实验过程

将水泥熟料、石膏（5%）混合，进行粉磨。分别取在拌合水中掺入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+所得溶液，和水泥拌合成型，测试试样的各种物理性能及力学性能并分析。

3 实验结果与分析

3.1 不同拌合水对硬化水泥浆体物理性能的影响

据国家标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/Tl346-2001）进行试验。采用调整用水量法测其标准稠度用水量，并且测定其初凝、终凝时间以及安定性。详细结果见表1。

分析表1可知，所有试样的初凝和终凝时间均符合国家标准，安定性均为合格，由于拌合水的不同，标准稠度用水量略有改变。当拌合水中掺入Al3+、Ca2+、Fe3+时，初凝和终凝时间有所变化，当掺入的Al3+、Ca2+、Fe3+的浓度为2%时，初凝时间和终凝时间较短，这是因为当这几种溶液浓度为2%时，促进了水泥水化进程，使得凝结时间变短。另外，当拌合水中掺入Ba2+时，在一定范围内随着掺入的Ba2+浓度的升高，凝结时间逐渐变短。这是因为在一定范围内随着掺入的Ba2+浓度的升高，水泥水化进程加快，所以凝结时间也随之变短。

表1 拌合水中掺入不同离子对水泥物理性能的影响

表2 拌合水中掺入离子时成型试样不同龄期抗压强度

图1 拌合水中掺入Al3+时抗压强度

图2 拌合水中掺入Ba2+时抗压强度

3.2 不同拌合水对硬化水泥浆体力学性能的影响

准备好材料后，制得不同系列的净浆试件，标准养护至规定龄期测定其抗压强度，结果见表2。

通过分析实验结果，拌合水中掺入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+时，试样各龄期抗压强度与浓度的关系见图1、图2、图3、图4。

由表2可以看出：在拌合水中掺入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+时，所得试样强度比空白样强度要高，且当拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+浓度为2%时，试样强度最高，拌合水中Ba2+浓度在3%以内时，随着掺量的增加试样的强度逐渐提高。

可以看出浓度在1%～3%时，掺入Al3+、Ca2+、Fe3+时，28d强度先增大后降低，在2%时最大，这是因为掺入Al3+、Ca2+、Fe3+，促进了早期钙矾石的生长，由式（1）可知：掺入Al3+、Ca2+可以促进Aft的生成，并且消耗了C3S水化生成的Ca（OH）2，如式（2）所示，进而促进了水化的进行。而Fe3+的引入可以替代Al3+的作用，促进水化，但是如果Al3+、Ca2+、Fe3+引入过多则会起到抑制作用，抑制水泥的水化，所以当掺量为2%达最佳。

2Al3++3SO42-+6Ca（OH）2+26H2O→

但是浓度在1%～3%时，掺入Ba2+强度有持续增大的趋势，这是因为Ba2+的引入不但可以替代部分Ca2+的作用，促进水泥水化，而且随着水化的进行，Ba2+固化进水泥硬化浆体里，而不是出现过量的现象，所以强度有持续增大的趋势。

图3 拌合水中掺入Ca2+时抗压强度

图4 拌合水中掺入Fe3+时抗压强度

由表2和图2、图3、图4可以看出，当拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+浓度为2%时，试样强度最大，这说明水化更完全，浆体更致密。这是因为当浓度为2%时，离子浓度可以更好地促进水泥水化进程，使C3S水化更加完全，如式（1）和式（2）所示，生成更多的钙矾石晶体，且生成大量的C-S-H凝胶，使得水泥浆体更加致密，从而使强度得到提高。当拌合水中Ba2+浓度在3%以内时，随着掺入的离子浓度的增加，试样的强度逐渐提高。这是因为在一定范围内随着Ba2+浓度的增加，C3S水化完全，水泥浆体更加致密，强度随之提高。

4 结论

本文主要研究了水泥水化时，拌合水中掺杂离子对水泥水化浆体性能和结构的影响。通过对水化后浆体凝结时间、抗压强度的测定，得出如下结论：

（1）当拌合水中Al3+、Ca2+、Fe3+的浓度以硝酸盐计为2%时，强度最高，硬化浆体试样的28d强度与空白样相比，分别提高12.24%、8.68%、6.36%。

（2）当拌合水中Ba2+的浓度以硝酸盐计在3%以内时，硬化浆体试样强度随着浓度的增加而逐渐提高。

（3）拌合水中掺入Al3+、Ba2+、Ca2+、Fe3+，硬化浆体结构更加致密。

[1]Skalny J，Young J F.波特兰水泥水化的机理.第七届国际水泥水化会议论文集[C].北京:中国建筑工业出版社,1985：169-214.

[2]吴科如,张雄,姚武,等译.混凝土(原著第二版)[M].北京:化学工业出版社,2004：24-29.

[3]A-tcill P C.Cements of yesterday and today Concrete of tomorrow[J]. Cement and Concrete Research,2000（30）:1349-1359.

[4]岳汉威等.缓凝高效减水剂对混凝土微观性能的影响[J].商品混凝土,2008（5）:12-16.

[5]王德松,罗青枝,等.阳离子性聚丙烯酰胺对水泥净浆性能德影响[J].混凝土与水泥制品,2002（l）:15-16.

[6]钟世云,陈志源,等.聚合物乳液共混物及其改性水泥砂浆的力学性能[J].混凝土与水泥制品,2002（1）:10-13.

[7]李国忠,于衍真,等.植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究[J].硅酸盐通报.1997（3）:42-45.

[8]N.B Singh,EN.Effect of glucose on tile hydration of Portland Cement [C].Proceedings of the 7th"International Congress on the Chemistry of Cement".Paris,France.1980:100-105.

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2013-02-27； 编辑：赵 莲