不同钙矾石型膨胀源的作用特性和相关影响因素.docx

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不同钙矾石型膨胀源的作用特性和相关影响因素

不同钙矾石型膨胀源的作用特性和相关影响因素的研究

摘要

本文以硅酸水泥为基础，选取UEA膨胀剂、硫铝酸盐水泥、高铝水泥三种典型钙矾石型膨胀源，通过测定三种膨胀源不同掺量对水泥基材料凝结时间、强度、施工性能及膨胀率的影响，研究三种典型钙矾石型膨胀源的基本作用特性，在此基础上选用减水剂、缓凝剂、早强剂三种典型化学外加剂以逐步掺入方法，研究其对不同膨胀源的作用效果的影响，并结合X-衍射分析不同钙矾石型膨胀源应用效果的差异及对其作用机理的探讨。

宏观结果表明：

（1）膨胀源都对水泥基材料产生促凝的效果，其促凝程度：

未掺石膏的硫铝酸水泥膨胀源＞硫铝酸盐水泥膨胀源＞UEA膨胀源＞高铝水泥膨胀源；在影响强度发展方面：

硫铝酸盐水泥膨胀源和高铝水泥膨胀源相近，都会增强水泥胶砂抗压强度发展；优于UEA膨胀源对水泥胶砂抗压强度发展影响。

三种膨胀源都会提高水泥胶砂的初始流动度，其影响程度：

高铝水泥膨胀源＞UEA膨胀源＞硫铝水泥膨胀源。

三种膨胀源对水泥胶砂流动度损失影响程度：

硫铝酸盐水泥膨胀源＞高铝水泥膨胀源和UEA膨胀源，其中高铝水泥膨胀源与UEA膨胀源相近。

（2）掺入缓凝剂时，对掺UEA膨胀源、高铝水泥膨胀源及硫铝水泥膨胀源水泥净浆的凝结时间影响较小，但是会改善掺硫铝水泥净浆未加石膏的促凝效果；能够降低含硫铝水泥膨胀源水泥砂浆的强度发展；对含高铝水泥膨胀源的水泥砂浆强度发展前期影响较小，后期还有一点增长；严重降低含有UEA膨胀源水泥胶砂的1d抗压强度，对后期强度影响较小；对流动度损失程度，没有掺缓凝剂时：

硫水泥膨胀源＞硫铝水泥不外掺石膏＞基准样＞高铝水泥膨胀源＞UEA膨胀源，掺入缓凝剂时：

UEA膨胀源＝硫铝水泥膨胀源＞基准样＞硫铝水泥膨胀源=高铝水泥膨胀源。

且掺入缓凝剂会增大UEA膨胀源流动度损失，降低硫铝水泥膨胀源流动度损失。

（3）掺入缓凝剂时，对掺UEA膨胀源、高铝水泥膨胀源及硫铝水泥膨胀源水泥净浆的凝结时间影响较小，但是会改善掺硫铝水泥未加石膏膨胀源的促凝效果；能够降低含硫铝水泥膨胀源水泥砂浆的强度发展；对含高铝水泥膨胀源的水泥砂浆抗压强度发展前期影响较小，后期还有略微增长；严重降低含有UEA膨胀源水泥胶砂的1d抗压强度，后期强度影响较小；对流动度损失程度，未掺减水剂事：

硫水泥膨胀源＞硫铝水泥不外掺石膏＞基准样＞高铝水泥膨胀源＞UEA膨胀源；掺入缓凝剂时：

UEA膨胀源＝硫铝水泥膨胀源＞基准样＞硫铝水泥膨胀源=高铝水泥膨胀源。

且掺入缓凝剂会增大UEA膨胀源流动度损失，降低硫铝水泥膨胀源流动度损失。

（4）掺入早强剂时，对硫铝水泥膨胀源、高铝水泥膨胀源及未掺石膏的硫铝水泥膨胀源对水泥基材料凝结时间影响较小，其中UEA膨胀源会使水泥基材材料产生促凝现象。

对含硫铝水泥膨胀源水泥砂浆的前期抗压强度有所提高，后期强度发展有损失；对含UEA膨胀源及高铝水泥膨胀源的前期强度发展没有影响，会使含高铝水泥膨胀源的水泥胶砂7d强度损失较大。

对含三种膨胀源水泥胶砂的初始流动影响较小，对含硫铝水泥膨胀源及高铝水泥膨胀源的流动损失较大，对含UEA膨胀源的水泥胶砂流动度损失较小。

微观分析结果表明：

掺入膨胀源，都会促进钙矾石的形成；但是在水泥基材料水化过程中，高铝水泥膨胀源与硫铝水泥膨胀源掺入水泥基材料中时，会与水泥熟料中的石膏先进行反应生成的钙矾石；会促进水泥基材料中硅酸盐水泥的水化速度；但生成的钙矾石包裹在水泥熟料表面，又会抑制水泥基材料中硅酸盐水泥的水化；而UEA膨胀源会抑制水泥熟料中的石膏溶解，从而促进水泥水化速度。

关键词：

钙矾石UEA硫铝水泥高铝水泥外加剂膨胀率

Differentsourcesofettringitetypeexpansioncharacteristicsandtheroleofresearchrelatedfactors

Abstract

Thisthesisisbasedontheuseofsilicatecement,andselectthreetypicaltypeofettringiteexpansionsourcesuchasUEAexpanders、sulphuraluminatecementandhighaluminacementtostudythefunctionalcharacteristicsoftheexpansionsourcebymeasuringtheinfluencetothesettingtime、strength、workabilityandexpansibilityofdifferentproportion.Onthebasisofresultabove,addwaterreducer、retarderandearlystrengthagentstepbysteptostudytheinfluenceofdifferentexpansionsources,andanalyzethethemechanismanddifferencesofapplicationeffectbetweenthreeexpansionsourcescombiningwithx-raydiffractionanalysis.

Macroresultsshowedthat:

（1）expansionsourcescanproduceprocoagulanteffect,itsprocoagulantLevel:

Sulphoaluminateundopedcementexpansionsource>sulfurcementexpansionsource>UEAexpansivesource>gypsumaluminousCementexpansionsource;intheaspectofstrengthdevelopment:

sulfurcementexpansionsourceisclosetoaluminouscementexpansionsource,theyallenhancethedevelopmentofcompressivestrengthofcementmortar,betterthanUEAexpansivesourceofcement.Threeexpansionwillincreasethesourceoftheinitialcementmortarfluidity,itsimpact:

aluminacementexpansionsource>UEAexpansivesource>sulphoaluminatecementexpansionsource.Threekindsofexpansionsourceofcementmortarfluiditylossdegree:

:

sulfurcementexpansionsource>aluminacementexpansionsourceandUEAexpansivesources,aluminouscementexpansionsourceisclosetoUEAexpansion.

（2）whenmixedwithretarder,ithaslittleeffecttothesettingtimeofthreeexpansionresources,butitwillimprovethesulfur-dopedaluminumcementpastedoesnotaddgypsumprocoagulanteffect;abletoreducetheintensityofthedevelopmentofthesulfursourceofaluminumcementexpansivecementmortar;strengthofcementmortarcontaininghighaluminacementexpansionofsmallpre-impactsourcedevelopment,thereislittlegrowthoflate;severelyreducedUEAexpansivecementmortarcontainingsource1dofthecompressivestrength,thestrengthofthelatterhaslittleeffect;extentofthelossoffluidity,nomixedRetarder:

sulfurcementexpansionsource>Howeversulfur-dopedaluminumcementplaster>baselinesample>aluminacementexpansionsource>UEAexpansionsource,whenmixedwithretarder:

UEAexpansivecementexpansionaluminumsource=sulfursource>baselinesample>sulphoaluminatesource=aluminacementcementexpansionexpansionsource.RetarderwillincreaseandtheincorporationofUEAexpansivesourcefluidityloss,reducedsulfursourcealuminumcementexpansionfluidityloss.（3）whenmixedwithretarder,UEAexpansivedopedsource,high-aluminacementexpansionsulfursourceandasourceofaluminumexpansivecementsettingtimeofcementpastehaslittleeffect,butitwillimprovethesulfur-dopedaluminumcementplasterexpansionisnotasourceofprocoagulanteffect;abletoreducetheintensityofthedevelopmentofthesulfursourceofaluminumcementexpansivecementmortar;smallerimpactonpre-aluminacementmortarexpansionofsourcesincludingcompressivestrengthdevelopment,aswellasaslightincreaseoflate;severelyreducedcementcontainingUEAexpansivesourceThecompressivestrengthofmortar1d,latestrengthhaslittleeffect;degreeoffluidityloss,notsuperplasticizerthing:

sulfurcementexpansionsource>Howeversulfur-dopedaluminumcementplaster>baselinesample>aluminacementexpansionsource>UEAexpansionsource;whenmixedwithretarders:

UEAexpansivecementexpansionofthealuminumsource=sulfursource>baselinesample>sulphoaluminatesource=aluminacementcementexpansionexpansionsource.RetarderwillincreaseandtheincorporationofUEAexpansivesourcefluidityloss,reducedsulfursourcealuminumcementexpansionfluidityloss.（4）incorporationofearlystrengthagent,aluminumcementexpansionsulfursource,aluminacementexpansionsourceandundopedaluminumcementplasterexpansionsulfursourcesettingtimeofcement-basedmaterialshaslittleeffect,whichcausestheUEAexpansivecement-basedsourcewoodmaterialtoproduceprocoagulantphenomenon.Sulfursourceforaluminumcementmortarexpansionofpre-compressivestrengthincreased,thelossofthelatestrengthdevelopment;hasnoeffectontheearlystrengthdevelopmentandexpansionsourcescontaininghighaluminacementUEAexpansivesource,thesourcewillcontainaluminacementexpansion7dcementmortarstrengthlosses.Threesourceswiththeexpansionofcementmortarinitialflowhaslittleeffectonthesulfurcontentofaluminumandaluminacementcementexpansionsourceexpansiongreatersourceofflowlosses,thesmallerofthecementmortarwithUEAexpansivefluiditylosssources.

Microscopicanalysisshowedthat:

theincorporationoftheexpansionsourcewillpromotetheformationofettringite;Butinthehydrationprocessofcement-basedmaterials,whenaluminacementorsulfurcementmixedwithcement-basedmaterials,theseexpansionsourceswillreactwithgypsumtogenerateettringiteinadvance;itwillpromotethehydrationrateofPortlandcement;however,theettringitewillsurfaceencasedincementclinker,thussupressthehydrationofportlandcement.whileUEAexpansivesourcewillinhibitthedissolutionofgypsumcementclinker,thuscontributingtothecementhydration.

Keyword：

EttringiteUEAAluminacementAdmixtureExpansion

目录

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.2研究现状1

1.2.1高铝水泥研究现状1

1.2.2硫铝酸盐水泥现状2

1.2.3UEA膨胀剂研究现状2

1.2.4外加剂对钙矾石形成影响研究现状2

1.2.5膨胀机理的研究现状3

1.3研究内容及目的意义4

第2章原材料、研究步骤及试验方法5

2.1试验原材料5

2.2研究步骤5

2.2.1三种钙矾石膨胀源的基本作用特性研究5

2.2.2化学外加剂对钙矾石膨胀源作用效果的影响5

2.2.3不同膨胀源的作用机理研究6

2.3试验方法6

2.3.1凝结时间测定6

2.3.2力学性能及施工性能测试6

2.3.3膨胀率测定6

2.3.4微观分析方法7

第3章三种膨胀源的基本作用特性的研究8

3.1不同膨胀源对水泥净浆凝结时间影响研究8

3.2膨胀源对水泥胶砂强度的研究8

3.3膨胀源对水泥胶砂流动度影响的研究10

3.4三种膨胀源对水泥胶砂膨胀影响的研究10

3.5本章小结11

第4章化学外加剂对钙矾石膨胀源作用效果的影响12

4.1减水剂对含三种膨胀源的作用特性的影响12

4.1.1减水剂对含三种膨胀源水泥净浆凝结时间影响的研究12

4.1.2减水剂对三种膨胀源水泥胶砂强度发展的研究12

4.1.3减水剂对膨胀源水泥胶砂的流动度的影响研究13

4.1.4减水剂对膨胀源水泥胶砂的膨胀影响的研究14

4.2缓凝剂对膨胀源的作用特性影响的研究14

4.2.1缓凝剂对含膨胀源水泥净浆的凝结时间影响的研究14

4.2.2缓凝剂对含膨胀源水泥胶砂的强度影响的研究15

4.2.3缓凝剂对含三种膨胀源水泥胶砂的流动度影响的研究16

4.2.4缓凝剂对含三种膨胀源水泥胶砂的膨胀影响的研究16

4.3早强剂对含膨胀源水泥基材料作用特性的研究17

4.3.2早强剂对含三种膨胀源水泥胶砂的强度影响的研究17

4.3.3早强剂对含三种膨胀源水泥胶砂流动度影响的研究18

4.3.4早强剂对含膨胀源水泥胶砂的膨胀影响的研究19

4.4本章小结19

第5章不同膨胀源作用机理的研究21

5.1减水剂对膨胀源应用效果差异相关机理分析21

5.2缓凝剂对膨胀源应用效果差异相关机理分析23

5.2早强剂对膨胀源应用效果差异相关机理分析23

5.3本章小结25

结论26

参考文献28

致谢29

附录A外文翻译（译文）30

附录B外文翻译（原文）43

第1章绪论

.1研究背景

在建筑工程中，对如防水抗裂、后浇带、结构加固等这些工程中使用的混凝土及某些干粉砂浆如：

自流平、灌浆料、填充、修补砂浆等都有一定微膨胀特性的需求；工程中采用的方法通常是在混凝土及砂浆中添加一定量的膨胀组分，使水泥基材料在凝结硬化的过程中或凝结硬化后的某阶段产生一定的膨胀，消除干燥收缩或产生净值膨胀使工程结构得到加固，提高使用性能。

目前使用的膨胀组分主要有：

硫铝酸钙、氧化钙、铝酸钙、氧化钙—硫铝酸钙、氧化镁与金属六类[1]；钙矾石型膨胀源是目前应用最为广泛的膨胀组分；在膨胀源使用过程中，由于膨胀源自身矿物组分的差异及水泥基材料中其他组分的影响，使得不同膨胀源表现出不同的作用特性；而且，在水泥基材料中添加的各种外加剂也会对不同膨胀源产生不同的影响；因此，研究不同膨胀源的作用基本特性及不同外加剂对不同膨胀源作用效果的影响，对有膨胀性需求的混凝土或砂浆选择合适的膨胀组分有重大的现实意义。

1.2研究现状

1.2.1高铝水泥研究现状

目前，大多数研究内容是关于硅酸盐水泥—高铝水泥不掺石膏与掺石膏的两元或者三元体系的研究，其研究的目的基本上是利用高铝水泥的具有早强、高强、抗硫酸盐腐蚀的特点，改善硅酸水泥早期强度发展缓慢，体积稳定性差。

缺少对高铝水泥-石膏-硅酸水泥复合体系的膨胀性能的研究。

在纯铝酸盐水泥体系中，加水搅拌后，高铝水泥矿物与石膏快速溶解产生Ca2+、SO42-、AlO2-、OH-等离子,再相互反应，形成钙矾石过饱和溶液，体积膨胀而补偿收缩。

化学反应方程式为：

3CA+3CaSO4+41H2O→C3A•3CaSO4•32H2O+6Al（OH）3

3CA+CaSO4+21H2O→C3A•CaSO4•12H2O+6Al（OH）3

离子方程式：

AlO2-+2OH-+2H2O=[Al（OH）6]3-

（1）

2[Al（OH）6]3-+6Ca2++24H2O={Ca6[Al（OH）6]224H2O}6+

（2）

{Ca6[Al（OH）6]224H2O}6++3SO42-+2H2O={Ca6[Al（OH）6]224H2O}[3SO42-2H2O]（3）

王培铭等[5]认为硅酸盐水泥与铝酸盐水泥混合体系的的凝结时间会随铝酸盐水泥掺量的增大而缩短，当掺量高于6%时会显著缩短，当掺量为15%时在10℃及20℃甚至发生速凝现象；混合体系水泥的强度铝酸盐水泥掺量提高，抗压强度会先增大再降低。

其中最大值时掺量为6%；混合体系的干缩，都比单一水泥的大。

但是在其基础上掺入石膏会减少干缩率，甚至产生膨胀。

在硅酸盐水泥与高铝水泥混合体系中掺入石膏的三元体系，可有效提高混合体系的早期强度，并使硬化体重的残余水减少，从而降低硬化浆体的干燥收缩。

1.2.2硫铝酸盐水泥现状

目前，多采用硫铝水泥与硅酸盐水的二元体系研究或硫铝水泥、硅酸盐水泥、石膏三元系统的研究；缺少以硫铝水泥为添加料，掺入水泥基材料中研究其对水泥基材料基本特性的研究，其中所主要研究的性能一般是硫铝酸盐水泥块硬性能，缺少对膨胀性能的研究。

黄熀镔等[2]认为：

掺入硫铝酸钙类膨胀组分的混凝土需水量增加、坍落度损失快；而且，它同其他外加剂的适应性不稳定，在应用前需要通过试验来验证；由于，混凝土的强度更主要依靠水化硅酸钙，所以掺入膨胀组分会对强度发展产生影响。

同时他们指出，由于膨胀组分使用时对养护、对配合比准确性等诸多的要求，在工程必需要慎重的使用膨胀组分。

王来国等[3]认为硅酸盐—硫铝酸盐复合水泥体系，可是复合体系水泥具有优异的早期强度，后期强度有较大的增进率，可是还可以抵消单纯硅酸盐水泥在水泥硬化过程中体积收缩，而不会出现水泥本体产生裂缝或者开裂现象。

刘晓存等[4]研究阿利特—硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合制备的水泥的性能，认为阿利特—硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥按照一定比例复合，可使硬化浆体中得到较为适宜的胶/晶比，使硬化浆体的早期强度发展和后期强度发展都有明显的提高，