嚴寒地區硅酸鹽水泥基鏡面材料制備與性能研究

　　摘 要： 為提高硅酸鹽水泥基材料鏡面效果，擬通過摻加堿性激發物質等方法配制硅酸鹽水泥基材料，通過單摻及復摻的方法，研究了不同摻量和不同模具對各齡期硅酸鹽水泥基材料的光澤度、耐久性的影響。研究表明，硅酸鹽水泥基材料表面光澤度隨水膠比降低而增加，隨齡期增長而降低，摻加粉煤灰和堿性激發劑能夠提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度，水膠比為 0.27 硅膠模具成型的硅酸鹽水泥基材料具有更高的表面光澤度，其 28 d 光澤度值達 56，抗侵蝕性介質侵入的能力較強，抗單面鹽凍性能優異。

　　關鍵詞： 硅酸鹽水泥基材料;光澤度;模具;激發劑;性能

　　李曉; 金梟; 張建峰， 混凝土 發表時間：2021-09-27

　　0 引言

　　隨著綠色建筑材料的不斷發展，鏡面混凝土應運而生[1]。鏡面混凝土是集結構和裝飾于一體的綠色建筑材料，既滿足普通混凝土所要求的強度、工作性和耐久性，又具有表面平整光滑、明亮如鏡的特點[2-3] 。目前，對鏡面混凝土配合比設計參數及配制工藝參數的研究還不夠深入，光澤度的研究也尚屬缺少，使其應用受到限制。針對上述問題，本研究從配制硅酸鹽水泥基的原材料選擇和性能入手，采用均勻試驗設計方法得到其配合比，并通過試配確定了配制硅酸鹽水泥基材料的較優配合比設計參數和配制工藝參數。分析了組成對硅酸鹽水泥基材料光澤度、硫酸鹽侵蝕試驗、單面鹽凍的影響[4]。探討硅酸鹽水泥基材料應用于混凝土工程的可行性。

　　1 原材料及試驗方法

　　1.1 試驗原材料

　　試驗用原材料具體如下：選用 P·O 42.5 級水泥，3 d 抗壓強度 27.2 MPa，28 d 抗壓強度 51.9 MPa;II 級粉煤灰;自來水;20%濃度 SPC-102 聚羧酸高效減水劑;昕特瑪干粉消泡劑;Ca(OH)2 固體粉末;34%濃度 Na2SiO3 ·9H2O 溶液，水泥和粉煤灰的化學成分見表 1。

　　1.2 試驗方法

　　本試驗預先將其與水泥、粉煤灰等固體原料混合均勻，分別摻入水泥質量 0.2%Ca(OH)2、0.2%Na2SiO·3 9H2O，并通過以下配合比進行試驗研究。

　　研究中，水膠比控制在0.27~0.33之間，分別采用 200 mm× 200 mm×20 mm 的鐵模具、PVC 模具、硅膠模具制備試件。其中，使用硅膠模具時，模具外側采用硬質膠合板固定，以避免成型時試件變形，并采用分層注漿[5]。試件拆模后，用 PE 薄膜裹覆，防止吸附環境粉塵，影響試件表面光澤度。在標準養護條件下養護至各齡期測試其底模面光澤度。

　　測定光澤度方法：將每組試塊分為 5 個區域，分別是模具成型試塊外部邊緣易于空氣接觸的 4 個區域，以及不易于外界接觸的中心區域，每個區域取 5 個測點進行測試。取全部 25 個測點測試值去掉最高的 3 個值和最低的 3 個值后的平均值為試件光澤度值。

　　硫酸鹽侵蝕試驗、單面鹽凍試驗參照 GB/T 50082— 2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。掃描電鏡采用美國 FEI 公司 QUANTA250 多功能鎢燈絲掃描電鏡。光澤度采用譽德光澤儀器智能型-168 進行測定。

　　2 結果與分析

　　2.1 制備條件對硅酸鹽水泥基材料表面光澤度的影響

　　根據前期基礎性研究，使用相同脫模劑時，水膠比、粉煤灰摻量、堿性激發劑和模具材質等對硅酸鹽水泥基材料表面光澤度影響顯著。按照 1.2 節中所述配合比與方法開展試驗，結果如圖 1、2 所示。

　　研究中以表面光澤度表征材硅酸鹽水泥基材料的鏡面效果。由圖 1 可知，采用相同硅膠模具時，各組試件的 28 d 光澤度值隨水膠比的升高而降低。其中，空白組試件 28 d光澤度值在 8~10 范圍內;水膠比為 0.27 時，摻加 Ca(OH)2 組 28 d 試件光澤度值最高，為 56。根據膠凝材料凝結硬化理論，拌和水并非全部參與水泥的水化反應，硅酸鹽水泥完全水化的理論水膠比為約 0.23[6]。水膠比越低，水泥漿體越密實，孔隙率越低且孔徑較小。拌合物中多余的水在改善和易性的同時，也導致硬化體中形成了更多的孔隙包括凝膠孔、毛細孔等[7]。攪拌過程中也會引入一定量的氣泡，在凝結硬化過程中產生微裂紋，這些孔隙的孔徑分布從納米級到毫米級，從而影響材料密實度和表面光澤度[7]。材料表面孔隙率越大，大孔徑孔隙越多，則材料表面的光澤度就越低。同時，在低水膠比體系中水分的供給和擴散遷移都受到限制，影響水泥的水化過程和鏡面的形成[8]。而摻加堿性激發劑后，水膠比 0.27~0.30 間材料光澤度值降低更為顯著，且材料各水膠比下的 28 d 光澤度值均明顯優于空白組。這主要是因為堿性激發劑加速了火山灰性材料的水化反應，其硬化體孔隙率比硅酸鹽水泥石小，且孔徑小于 10 nm 的孔隙分布較多。這種尺寸的孔隙能有效限制液體遷移或離子擴散，提高材料的致密度[9]，從而有利于提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度。摻加 Ca(OH)2 對材料 28 d 光澤度的影響優于 Na2SiO·3 9H2O。這是因為摻加堿物質使硬化體毛細孔中堿濃度較高，在凝結硬化的過程中，部分堿性物質隨著水分遷移至表面，并與空氣中的 CO2 反應，其產物提高了材料表面的粗糙度。而 Ca(OH)2 的溶解度和與 CO2 的反應速度均低于 Na2SiO3 ·9H2O 水解產生的 NaOH，從而在材料表面形成的反應物更少。水膠比為 0.27 時，材料 28 d 光澤度隨粉煤灰摻量增加而先增加后降低，但隨著水膠比的增加，粉煤灰對材料 28 d 光澤度提升作用逐漸顯著。這是因為粉煤灰顆粒形態為球體，可以有效降低拌合物需水量，提升漿體的保水性，提高材料密實度，對減少粗大孔隙有顯著效果[10]，并能夠降低硅酸鹽水泥基材料的開裂傾向。同時，粉煤灰與堿性物質的反應速度較慢，28 d 時生成的高密實度水化產物較少，因而隨其摻量的增加會導致材料 28 d 水化程度降低，對其表面光澤度不利[11]。在本研究條件下，干燥收縮、塑性變形、自收縮是導致材料表面微裂縫的產生的主要原因，也就是說，水化進程和水分遷移速度決定了材料表面粗糙度。隨水膠比增加，多余水量逐漸增多，材料干燥收縮加劇，但水化速度提升，兩者對材料光澤度的影響是相反的，而粉煤灰對材料抗開裂能力的提升作用對其光澤度影響更為顯著。

　　編號 2 組配合比分別使用鐵模具、硅膠模具和 PVC 模具的光澤度試驗結果見圖 2。由圖 2 可知，使用鐵模具時，硅酸鹽水泥基材料的 3、14、28 d 光澤度最差，且試驗中發現其表面均質性較差，僅局部存在鏡面效果。而使用硅膠模具時的試驗結果最佳。這主要是因為硅酸鹽水泥基材料在硬化過程中，與模具之間的接觸緊密程度對材料表面光澤度影響顯著。其中使用鐵模具和硅膠模具成型的材料表面電鏡照片如圖 3、4 所示。

　　由圖 3、4 可知，使用硅膠模具的材料表面較為致密，而使用鐵模具的材料表面存在較多的微米級以上孔隙。

　　材料與模具之間的縫隙會加速其內部液相向表面的遷移，進而提高表面的粗糙度。使用鐵模具和 PVC 模具時，摻入 Ca(OH)2 的試件光澤度低于摻 Na2SiO·3 9H2O 的，而使用硅膠模具時相反。鐵模具和 PVC 模具硬度和剛度相對硅膠模具較高。同時，脫模劑在模具上的均布性也影響材料表面光澤度，試驗所用的脫模劑在硅膠模具和 PVC 模具上的均布性顯著優于鐵模具。硅酸鹽水泥基材料硬化收縮造成其與剛度較大的模具產生一定側向間隙，加速液相從底面，也就是光澤度測試面析出。Na2SiO·3 9H2O 自身可以發生膠凝反應，提升液相稠度，能夠在一定程度上堵塞滲水通道，阻礙水分向表面遷移，從而降低表面孔隙率和孔徑尺寸。而 Ca(OH)2 參與反應速度較慢，所以在使用鐵模具和 PVC 模具時，表面光澤度相對較低。使用硅膠模具時，硅酸鹽水泥基材料在硬化過程中與模具接觸緊密，液相不易從底部析出，且氣相也不易存留。硬化過程，部分堿性物質遷移到底面。拆模后 Ca(OH)2 與活性摻合料反應速度較慢，發生碳化反應更慢，但 Na2SiO·3 9H2O 水解產物發生反應速度較快，其反應產物提升材料表面粗糙度更為顯著。所以在各齡期摻 Ca(OH)2的試件光澤度均優于摻 Na2SiO·3 9H2O 的。

　　2.2 光澤度對材料耐硫酸鹽侵蝕性的影響

　　采用硅膠模具，編號 1~3 組配合比，以水膠比 0.27 制作試件，再進行抗硫酸鹽侵蝕試驗，結果見圖 5。以摻加 Ca(OH)2 的編號 2 組配合比制作的試件進行 5%硫酸鈉溶液和純凈水浸泡試驗，并測試不同齡期光澤度，結果見圖 6。

　　由圖 5 可知，除粉煤灰摻量為 10%且摻加 Ca(OH)2 組外，隨循環次數增加，各組試件的耐硫酸鹽侵蝕系數先增加而后降低。這是因為硫酸鈉溶液呈堿性，能夠加速粉煤灰的水化反應，提升硅酸鹽水泥基材料的密實度，但是隨循環次數增加，材料表面受硫酸根離子侵蝕日趨嚴重，這一點可以從圖 6 所示結果中得證，從而導致耐硫酸鹽侵蝕系數降低。隨粉煤灰摻量提升，可顯著提升硅酸鹽水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性，粉煤灰摻量高于 15%時，各組試件 150 個循環內耐硫酸鹽侵蝕系數均高于 90%。而摻 Ca(OH)2 的試驗結果表明，粉煤灰摻量為 15%時，試件 150 個循環內耐硫酸鹽侵蝕系數保持最穩定，這充分說明材料表面光澤度越高，即表面越致密，抵抗侵蝕性介質侵入的能力越強。

　　2.3 光澤度對材料單面鹽凍性能的影響

　　采用摻加 Ca(OH)2 的編號 2 組配合比，以水膠比 0.27 制作試件，標養 28 d 后進行單面鹽凍試驗，鹽溶液為質量濃度為 3%的 NaCl 溶液，試驗結果如圖 7、8 所示。

　　由圖 7 可知，隨單面鹽凍循環次數增加，該硅酸鹽水泥基材料的表面剝落物總質量逐漸增加，其增加幅度在 8 次以內較小，8~12 次之間顯著提高，12 次以后又逐漸降低。 28 次鹽凍循環后，材料表面剝落物總質量僅為 3.8 g/m2 ，遠低于 GB/T 50082 中的要求，這充分說明表面光澤度高的材料具有良好的抗單面鹽凍性能。由圖 8 可知，材料在開始鹽凍循環后，其表面光澤度首先顯著降低，而 4~8 次循環間降低不顯著。這主要是因為部分鹽溶液附著在材料表面，在干燥過程中 NaCl 結晶析出，造成材料表面的粗糙度提高，而不是材料表面破損，這也是材料在 8 次鹽凍循環內表面剝落物總質量變化較小的原因。8~12 次鹽凍循環過程中，材料表面特別是粉煤灰水化程度較低的區域，部分 100 nm 以上的孔隙開始出現破損、擴張，導致光澤度顯著減低，表面剝落物總質量顯著增加。而 12 次鹽凍循環后，材料表面光澤度變化又逐漸趨于緩和，這主要是由于隨鹽凍循環增加，材料表面孔隙擴張，孔壁破損的同時，未水化物質進一步水化，其產物修復了部分缺陷，延緩了表面光澤度的降低。同時，光澤度較高的材料表面都有一定厚度的相對致密層，這層致密結構會顯著改善材料抗鹽凍能力。

　　3 結論

　　(1)相對于 PVC 模具和鐵模具，使用硅膠模具成型的硅酸鹽水泥基材料可以獲得更高的表面光澤度。

　　(2)硅酸鹽水泥基材料表面光澤度隨水膠比降低而增加，隨齡期增長而降低，摻加粉煤灰和堿性激發劑可以顯著提高硅酸鹽水泥基材料表面光澤度，其中摻加 Ca(OH)2 優于 Na2SiO·3 9H2O。

　　(3)硅酸鹽水泥基鏡面材料光澤度越高抗硫酸鹽侵蝕性能越好，其 28 d 光澤度值達 56 時，抗單面鹽凍性能優異。