聚羧酸减水剂对粉煤灰基浆料水化进程调控机制
0 引 言
粉煤灰是燃煤电厂颗粒控制设备捕获的细小颗粒物[1-2]。我国是粉煤灰产生最多的国家,但利用率不足50%,主要应用在公路、填筑、建材等领域[3]。在填筑中,粉煤灰作为水泥的部分替代可减轻温室气体排放、减少用水量、降低水化时产生的热量等[4]。因此,利用粉煤灰做喷浆材料可提高喷浆材料力学性能,达到节能环保、固体废弃物综合利用的目的。
近年来,喷浆材料的高强度和高耐久性能是研究热点[5-6],但鲜见高性能喷浆材料的流动特性研究。初始流动性和在一定时间内保持流动性是新水泥基材料的重要性能,决定了施工过程中的可泵性[7]。其次黏度也是喷浆材料流变特性的决定指标之一。流动性在很大程度上取决于骨料掺量、化学外加剂及环境温度等因素[8-10]。目前外加剂对水泥浆料流动特性的影响研究较多,但鲜少评估外加剂对水泥浆料水化进程的影响[11-13]。YUN等[14]研究了粉煤灰、硅灰、偏高岭土和高炉矿渣等矿物掺合料对湿喷混凝土流变性能的影响,发现掺入20%~30%粉煤灰或15%硅灰可增强湿喷混凝土的流变性,而偏高岭土和高炉矿渣在较低掺量时能提高流动性,表明加入矿物掺合料能提高流动性能。YUN等[15]研究了矿物掺合料和化学外加剂对高性能喷浆材料流动性能的影响,通过线性回归分析计算扭矩黏度和流动阻力。发现引气剂和高效减水剂能减少流动阻力和扭矩黏度,而硅灰和聚合物会提高流动阻力,降低扭矩黏度。表明化学外加剂对喷射混凝土流变性能的影响比较显著,化学外加剂可能是影响喷射混凝土流变性能的主要因素。KONG等[16]引入相对水化度表征流变性随时间的变化规律,温度越高,PCE吸附性能越强,游离水含量越低,水化速率越快,并提出黏度演化和应力演化2种模型。尽管砂浆和混凝土的流变行为与粉煤灰和水泥浆体的流变行为之间的相通性很差,但粉煤灰具有化学惰性,在一定程度上能反映水化进程与时间的变化规律。减水剂是一种化学外加剂,通过空间位阻或静电斥力等破坏混凝土絮凝结构,使混凝土体系的减水分散效果更显著,大幅改善浆体流动性[17-18],影响水泥浆体的水化进程。
因此,笔者比较了不同减水剂对浆体流动性能的影响,并筛选出最佳减水剂及用量。通过水化热、矿物相及微观形貌分析,研究了PCE对粉煤灰基浆料水化进程与时间的变化规律,提出了PCE对水泥-粉煤灰喷浆材料的水化机理。
1 试 验
1.1 原料成分分析
采用水泥为42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰分级为F类,来自贵州盘江某燃煤电厂。水泥和粉煤灰化学组成见表1,粒径分布如图1、2所示。
表1 粉煤灰和水泥的化学组成
Table 1 Chemical composition of fly ashand cement %
图1 粉煤灰XRD
Fig.1 XRD of fly ash
图2 粉煤灰和水泥粒径分布
Fig.2 Size distribution of fly ash and cement
1.2 喷浆材料制备
水灰比0.4,其中灰按照水泥与粉煤灰质量比3∶1制成均匀浆液,分别以聚羧酸减水剂(PCE,上海某试剂厂)、萘系减水剂(BNS,天津某试剂厂)、脂肪族系减水剂(SAF上海某试剂厂)等作为水泥助剂,添加量为水泥质量的0.15%~0.90%,以0.15%为质量梯度,得到喷浆材料浆体。
将所得浆体置于50 mm×50 mm×50 mm标准模具中制作试件,将所得试件置于恒温恒湿箱中养护,养护时间为3、7、28 d,用于后续分析。
1.3 材料性能的表征
稠度用水量根据GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行检验。减水率WR为
(1)
式中,M0为基础浆体用水量,g;M1为掺加减水剂后用水量,g。
流动度参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》。水灰比0.4,灰按照水泥与粉煤灰质量比3∶1称取,搅拌均匀注入截锥圆模内,垂直方向提起,30 s后用直尺量取流淌部分互相垂直2个方向的最大直径,取平均值为水泥净浆流动度。
凝结时间根据GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》检验。水灰比为0.4,水泥与粉煤灰质量比3∶1。
净浆黏度测量采用NXS-11B型旋转黏度计,剪切速率0~100 s-1,连续测定浆体表观黏度。
水化热测试使用天津SHR-650S水泥水化热测定仪。PCE掺量0.6%,水灰比0.4,混合均匀将样品放入水化热测定仪,测定72 h内水化热变化情况。
喷浆材料晶相采用XRD(德国Bruker公司,D8 Advance型)测定,将养护期龄3、7、28 d的试块去除表皮,取其内核,用无水乙醇浸泡24 h使其终止水化。加速电压40 kV,辐射源为Cu、Kα,在2θ=10°~70°内连续扫描。
喷浆材料固化体的微观形貌采用SEM(捷克TESCAN公司,MIRA 系列)测试,对养护期龄3、7、28 d试件进行分析。
2 结果与讨论
2.1 水泥-粉煤灰喷浆材料浆体流动性
2.1.1 减水率
萘系减水剂对浆体的凝结时间短、引气性低,脂肪组减水剂具有包塑性好和耐高温等特点,聚羧酸减水剂掺量低、保坍性好。因此选取这3种减水剂研究其对喷浆材料的流动性。喷浆材料浆体处于标准稠度状态时,不同减水剂掺量对喷浆材料减水率的影响如图3所示。可知达到相同减水率时,聚羧酸减水剂掺量远低于其他2种减水剂。PCE掺量为0~0.6%时,减水效果非常明显,对应减水率由0增至29.3%。SAF和BNS减水剂掺量为0~0.45%时,减水效果显著,减水率分别由0增至23.1%和16.9%。PCE掺量为0.6%~0.9%,SAF和BNS减水剂为0.45%~0.90%时,减水率增幅不明显,PCE、SAF、BNS分别增加0.9、0.8、0.9个百分点。这是由于减水剂除分散作用外,还有湿润和润滑作用,当湿润作用达到饱和后,其分散作用和减水剂掺量也达到饱和,因此减水速率趋于平缓[19]。喷浆材料中PCE掺量在0.6%、SAF和BNS在0.45%时达到饱和,此后再掺加虽有减水效果,但减水率趋于平缓,减水效果不明显。PCE极限减水率远大于其他2种减水剂,这是由于PCE中羧基属于阴离子型官能团,吸附在水泥颗粒表面带负电,产生静电斥力作用,提高分散性,进一步实现减水效果。
图3 不同减水剂对喷浆材料减水率的影响
Fig.3 Effect of different superplasticizers on water reducing rate of shotcrete materials
2.1.2 流动度
不同减水剂掺量对喷浆材料初始流动度及最终失去流动性时间的影响如图4所示。由图4(a)可知,加入减水剂后,喷浆材料初始流动度明显提升,掺加PCE效果最明显,SAF次之,BNS最后。掺量为0.15%时,PCE、SAF和BNS的浆体初始流动度分别由113 mm延展至214、171、163 mm ;可见PCE对浆体流动性能改善十分明显。PCE掺量达0.6%,SAF和BNS掺量达0.45%时,减水作用达到饱和,流动度趋于平缓。由图4(b)可知,对照组在11 min失去流动性,PCE在饱和掺量时能维持流动性104 min,BNS和SAF分别维持65和81 min,可见PCE对维持浆体流动性最好。流动性维持度过低,导致浆体均匀性降低,出现泌水和离析现象。
图4 不同减水剂掺量对粉煤灰喷浆材料流动度的影响
Fig.4 Effect of different superplasticizers content on fluidity of fly ash shotcrete material
2.1.3 凝结时间
不同减水剂对喷浆材料凝结时间的影响如图5所示。可知初凝时间随减水剂掺量增加而延长,终凝时间也有明显缓凝现象。PCE对凝结时间延长最明显,BNS效果相对较小。相比对照组,PCE饱和掺量为0.6%时,初凝时间由36 min延长至149 min,终凝时间由42 min延长至182 min。BNS和SAF饱和掺量为0.45%时,BNS初凝时间由36 min延长至103 min,终凝时间由42 min延长至111 min;SAF初凝时间由36 min延长至111 min,终凝时间由42 min延长至130 min。比较初凝时间与终凝时间间隔,PCE缓凝效果明显,与对照组间隔相比,基本保持在30 min左右,间隔时间较长。说明加入PCE不仅能起减水作用,还具有缓凝剂的作用。主要原因是PCE分子结构中羟基(—OH)、磺酸基(—SO3—)等官能团[20]通过吸附、络合、静电斥力及空间位阻作用,有效抑制初期铝酸三钙(C3A)和硅酸三钙(C3S)水化。
图5 不同减水剂激发下喷浆材料凝结时间
Fig.5 Setting time of shotcrete material excited by different superplasticizers
2.1.4 浆体黏度和剪切应力
表观黏度和剪切应力随减水剂掺量的变化如图6所示,可知随剪切速率提高,表观黏度下降。这是由于剪切力大于水泥颗粒之间的相互作用力时,会出现剪切变稀的现象[21]。与对照组相比,剪切速率10 s-1,掺量为0.60%时,PCE初始表观黏度降幅达2 168 mPa·s,而BNS和SAF降幅分别为1 694和2 021 mPa·s。说明掺加减水剂对浆体初始表观黏度改善较大。因为减水剂对水泥、粉煤灰颗粒具有分散作用,降低了水与固体颗粒间的表面张力,抑制了固体颗粒间凝聚,从而改善浆体黏度。需要说明的是,减水剂的改善效果有极限,减水剂掺量达到饱和值再继续掺加时,黏度改善幅度很小。剪切应力随剪切速率提高而增加,随减水剂掺量的提高而减少。减水剂的吸附行为使水泥颗粒表面絮凝结构分散解体,絮凝体内自由水释放,从而降低水泥浆体内部阻力,影响浆体流变性能。综上所述,减水剂在一定掺量下能改善浆体黏度,提高流动性能,其中PCE对浆体黏度的影响最显著。
图6 表观黏度和剪切应力随减水剂掺量的变化
Fig.6 Change of apparent viscosity and shear stress with the amount of superplasticizer
2.1.5 减水剂选择
从减水率、初始流动度、流动性维持时间、凝结时间及表观黏度看,掺加减水剂对浆体流动性改善效果明显,其中PCE效果最好。减水剂达饱和掺量后效果明显减弱。本文PCE饱和掺量在0.6%,后续水化进程研究中,PCE掺量定为0.6%。
2.2 PCE对水化进程的影响
2.2.1 水化热
空白组与掺加PCE样品3 d内水化热变化如图7所示。水泥与水接触会短时间内发生水化反应,之后放热速率迅速下降,在诱导前期PCE会减缓C3A溶解,延长诱导期时间。随后进入水化反应加速期,这是因为诱导期内水泥中矿物溶解,而Ca(OH)2溶解度高于C-S-H,使C-S-H不能完全消耗C3S溶解出的Ca2 ,导致水泥浆液中Ca2 浓度不断上升。液相中Ca2 浓度累积到一定数值后,Ca(OH)2迅速结晶析出,导致Ca2 浓度急速下降,硅酸根离子浓度上升,使水化反应进入加速期。研究表明[22],诱导期是富钙缺硅过程,而硅酸根离子出现导致C-S-H迅速沉淀析出,是水泥进入加速期的关键。由图7可知,掺加PCE对浆体水化热的影响显著。与对照组相比,掺加PCE试样诱导期延长,第二放热峰出现延迟和降低。这是因为PCE抑制了C3S溶解,毒化C-S-H成核点位[23],延缓了Ca2 富集过程,导致诱导期延长,而C-S-H生成延缓会直接导致浆体正常凝结,延长凝结时间,这也是加入PCE后出现缓凝现象的原因。而加速期内任意时刻的水化速率完全由该时刻的水合物成核总量决定[24-25]。PCE在诱导期的阻碍作用使水合物成核数量减少,水化峰降低。即PCE的吸附作用降低离子和水穿过水泥和水相界面的扩散速度,抑制水泥水化的成核过程,延长诱导期,延迟和抑制了第二放热峰。同时粉煤灰早期的惰性作用会影响有效水灰比,进而降低水化热。
图7 PCE对水化放热速率的影响
Fig.7 Effect of the PCE on exothermic rate
2.2.2 水化产物
硅酸盐水泥早期水化会生成钙矾石(AFt)、Ca (OH)2,因此可通过AFt和Ca(OH)2生成量侧面反映水泥水化进程[26]。聚羧酸减水剂下喷浆材料的XRD图谱如图8所示,可知Ca(OH)2、AFt、CaCO3、C3S、石膏的衍射峰变化较明显。与对照组相比,掺有PCE的样品在3 d时的水化产物中,明显观察到钙矾石(AFt)、Ca(OH)2、C3S衍射峰低于对照组。这是由于PCE的吸附作用会阻碍水泥中矿物相溶解,毒化C-S-H成核点位,PCE中羧基会与浆体中游离Ca2 发生络合反应,降低了液相中Ca2 浓度[27],使Ca(OH)2和AFt晶体生长较慢,对早期水化进程产生抑制作用,在宏观上表现为产品早期强度有所下降。与对照组7 d相比,掺加PCE样品7 d时,AFt衍射峰增加,说明PCE对水化进程的抑制作用有限。分别对比养护龄期7与28 d对照组和7与28 d试验组,发现对照组与试验组中Ca(OH)2的衍射峰均有降低趋势。这是由于粉煤灰中活性组分Al2O3、SiO2与水泥水化产物Ca(OH)2反应,且石膏会激发粉煤灰活性[28],消耗Ca(OH)2,使水泥发生二次水化反应。在养护龄期28 d时试验组中Ca(OH)2和AFt的生成量与空白组基本相同,说明PCE对后期水化进程基本无影响。所以,PCE会延缓喷浆材料早期的水化进程,但对后期水化进程影响较低,同时由于掺加粉煤灰,会与水化产物发生二次水化反应,影响喷浆材料的中期水化进程。
图8 聚羧酸减水剂下喷浆材料的XRD图谱
Fig.8 XRD patterns of shotcrete materials excited by PCE superplasticizer
2.2.3 水化产物形貌
PCE对粉煤灰喷浆材料水化产物SEM分析如图9所示。图9(a)中空白试样在3 d时,可以观测到大量针状AFt晶体和六方形Ca(OH)2,且搭接紧密。水化反应到7 d时,观察到较多团絮状的C-S-H结构,并成密实紧凑状,早期产生的空隙也随水化进程的推进被填补。28 d后形成更密实的结构,存在光滑圆球状的粉煤灰颗粒,说明粉煤灰充分发挥了填充效应,填补水泥颗粒间的空隙,增加水泥胶体密实度。图9(b)中3 d时,反应生成的水化产物中仅有少量棒状AFt晶体和六方形Ca(OH)2,发现AFt晶型从针状变为棒状。且发现六方形Ca(OH)2晶粒尺寸与空白组相比生成较小,堆积更紧密,提高材料密实性。随水化进程增加,7 d 时体系中AFt数量急剧增加,相互交错生长,喷浆材料强度有所上升,但空隙率仍较高。水化进程到28 d 时,早期产生的微裂纹随水化反应进行被填充密实,与对照组相比密实度基本无差别。说明PCE会延缓早期水化进程,但对后期水化进程影响较小,这与XRD分析一致。原因为PCE中含有羧基,会与Ca2 结合并吸附在水泥颗粒表面,在一定程度上增强分散性,抑制水化反应,但抑制作用有限。试验组28 d中粉煤灰颗粒分布较均匀,说明PCE的分散作用使粉煤灰充分填补水泥颗粒间空隙,改善喷浆材料性能。
图9 PCE对粉煤灰喷浆材料水化产物SEM图
Fig.9 SEM images of hydration products of PCE superplasticizer on fly ash shotcrete material
2.2.4 力学性能
硅酸盐水泥中早期提供抗压强度的是AFt生成量。PCE对喷浆材料抗压强度的影响如图10所示。结果表明,加入PCE使早期抗压强度有所下降。结合水化热、水化产物及微观形貌分析,认为PCE的吸附作用减缓了C3A水化,抑制AFt生产量,且PCE的络合作用会与浆液中Ca2 结合,阻碍了C-S-H和Ca(OH)2的成核与生长,延长了诱导期,所以6 h的抗压强度不及空白组,养护期龄1 d时,试验组完成加速期,此时抗压强度有所提高,3 d时,空白组与试验组进入硬朗期,且PCE失效,此时抗压强度相差不大。
图10 PCE对粉煤灰喷浆材料抗压强度的影响
Fig.10 Effect of PCE on compressive strength of fly ash jet shotcrete material
2.2.5 水化机理分析
PCE对水泥-粉煤灰喷浆材料水化机理为:在诱导前期由于PCE分子结构中含有较多羧基,能与Ca2 形成稳定的络合物,该络合物会覆盖在水泥颗粒表面,阻碍C3S与水接触,延缓Ca(OH)2与C-S-H的生长与成核过程,因此诱导期延长,且PCE吸附作用导致C3A溶解受到抑制,进而影响AFt晶体生长和形貌,因此早期材料抗压强度受到影响。同时粉煤灰早期惰性作用也会影响有效水灰比,进而导致水化速率降低,PCE对浆体早期水化的影响如图11所示。中期时,PCE作用效果失效,不会抑制水化行为。后期时,粉煤灰中活性组分(Al2O3、SiO2)会与水泥中水化产物发生二次水化反应,进一步提升材料的抗压强度。
图11 PCE对早期水化影响
Fig.11 Effect of PCE on early hydration
3 结 论
1)掺加减水剂能显著降低用水量,PCE掺量为0.6%时减水效果达到饱和,对应的减水率为29.3%,SAF和BNS在0.45%时达到饱和,减水率分别为21.3%和16.9%。
2)掺加减水剂对浆体流动性能影响明显,其中PCE最有利于改善浆体流动性。PCE掺量为0.6%时,流动度由113 mm延伸至351 mm,剪切速率为10 s-1时,表观黏度降幅为2 168 mPa·s,初凝时间由32 min延长至149 min,终凝时间由42 min延长至182 min,出现明显缓凝现象。
3)PCE的吸附和络合作用对喷浆材料的水化产生重要影响。诱导期前期,PCE会减缓C3A溶解,同时羧基会与Ca2 结合成稳定络合物,影响Ca(OH)2生成,延长诱导期时间。同时PCE较强的吸附作用也会抑制AFt晶体生长,形貌从针状变为棒状,且更分散,宏观表现为材料力学性能下降。早期,C3S水化受到抑制,延缓C-S-H凝胶向结晶体的转变过程,导致浆体凝结时间有所延长,出现缓凝现象。
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