丙烯酸鈣與摻合料復合對水泥強度性能的影響研究

孫恒 韓麗 張文娟

摘 要：在水泥中添加礦物摻和料不僅可以節省水泥熟料，節約資源，保護環境，而且還可以提高水泥的性能。聚合物改性水泥以其獨特的粘結強度，抗腐蝕能力，及抗滲防水效果也在水泥領域占有重要地位。本論文結合礦物摻和料與聚合物的優點，利用實驗手段，研究了丙烯酸鈣與礦物摻合料復合對水泥強度的影響。本文采用以粉煤灰和礦渣為變量，丙烯酸鈣為定量，以水泥抗壓強度指標，探討丙烯酸鈣與礦物摻合料復合對水泥強度性能的影響。經實驗分析發現，復合1.5%的丙烯酸鈣漿液與10%的礦渣可有效地提高水泥的強度16.45%。

關鍵詞：礦物摻和料；聚合物；硅酸鹽水泥；抗壓強度

中圖分類號：TQ172文獻標識碼： A

一、前 言

水泥中添加礦物摻合料，一方面能提高水泥的性能，另一方面減少了水泥孰料的使用，充分利用了工業廢渣[1-3]。例如，礦渣水泥中，礦渣中的SiO2與Al2O3能和水泥水化產物中的Ca(OH)2反應，產生水化硫鋁酸鈣及C-S-H凝膠，以便水泥石中的Ca(OH)2含量降低，使抗硫酸鹽腐蝕能力增強[4, 5]。由于水泥的相對耐久性不良，強度低，造成建筑物過早退役甚至倒塌，對建筑物的使用壽命及安全性不利[6-9]。礦物摻合料水泥或是聚合物改性水泥對水泥工業的發展帶來了契機，它們以自己的優勢在水泥領域中占有重要地位[10-12]

本文將自制水溶性的丙烯酸鈣溶液與礦物摻合料按不同配比復合，摻入自制硅酸鹽水泥中，通過檢測標準稠度需水量，凝結時間，抗壓和抗折強度，探索丙烯酸鈣與礦物摻合料的復合效果，及復合對水泥性能的影響。通過分析整理數據，得出最優復合摻量，及影響規律。實驗最后結合XRD和SEM等分析測試手段，進行丙烯酸鈣與礦物摻合料復合改性的機理分析。

二、 實驗部分

（1）制備丙烯酸鈣：待配丙烯酸鈣溶液的濃度為0.2g/ml，讓79.59g的丙烯酸與60g的CaCO3反應，后用500ml的容量瓶定容即可。

（2）磨料（水泥熟料和石膏，礦渣）：需要10kg的水泥熟料和石膏，5kg的礦渣。首先把熟料，石膏，礦渣用顎式破碎機破碎，然后再用球磨機粉磨直到達到合適的粒度。最后進行混料，裝入袋中，備用。

（3）配料：根據查找的相關文獻，每一組礦物摻合料的配比設計（各種類占膠凝材料固體總質量的比例）如下表：

表2.1 礦物摻合料的種類及用量（%）

B01 B02 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9

粉煤灰 0 0 10 20 30 0 0 0 14 10 6

礦渣 0 0 0 0 0 10 30 50 6 10 14

水泥 10 10 90 80 70 90 70 50 80 80 80

丙烯酸鈣漿液的量為膠凝材料固體質量的1.5%，其中促進劑、引發劑、交聯劑占丙烯酸鈣漿液質量的百分數分別為1.5%、2%、10%

(4)測標準稠度需水量與凝結時間：測標準稠度需水量時采用調整水量法，首次按水灰比為0.28. 凝結時間均采用國標規定的方法進行測試。

(5)測1d，3d，28d強度：對十組樣進行水泥凈漿成型后，分別測試試樣的1d，3d，28d的抗壓強度。

(6)進行電子掃描電鏡（SEM）及X射線衍射（XRD）測試：對比較好的樣品或異常樣品通過電子掃描電鏡（SEM）及X射線衍射（XRD）測試進行機理分析。

三、 結果與分析

經過抗壓強度測試后，水泥凈漿的1d，3d，28d的抗壓強度如下：

表3.1 水泥凈漿的1d，3d，28d的抗壓強度

組號 丙烯酸鈣/% 粉煤灰/% 礦渣/% 水灰比 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 0 0.267 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 0 0.28 27.43 50.94 88.95

B1 1.5 10 90 0.285 15.21 46.33 71.75

B2 1.5 20 80 0.292 12.33 39.10 69.38

B3 1.5 30 70 0.307 9.29 27.3 58.42

B4 1.5 10 90 0.262 25.54 50.50 89.67

B5 1.5 30 70 0.262 23.58 36.70 77.83

B6 1.5 50 50 0.265 22.00 33.10 81.33

B7 1.5 14 6 0.277 22.88 48.70 80.33

B8 1.5 10 10 0.278 22.04 45.00 79.08

B9 1.5 6 14 0.272 23.08 47.90 87.42

3..1 粉煤灰與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度影響的分析

表3.2與圖3.1顯示了粉煤灰摻量與水泥抗壓強度之間的關系

表3.2 粉煤灰與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度

組號 丙烯酸鈣/% 粉煤灰/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 27.43 50.94 88.95

B1 1.5 10 15.21 46.33 71.75

B2 1.5 20 12.33 39.10 69.38

B3 1.5 30 9.29 27.3 58.42

通過對比既不加丙烯酸鈣漿液也不加礦物摻合料的水泥試樣B01與只加丙烯酸鈣漿液的水泥B02的1d，3d，28d的抗壓強度可以知道，向水泥中添加丙烯酸鈣漿液后，水泥的早期強度有所降低，但后期強度增高，增幅為15.5%。

圖3.1 粉煤灰摻量與水泥抗壓強度之間的關系

由圖3.1可知，加入粉煤灰后水泥的1d，3d，28d的抗壓強度均降低，且隨著粉煤灰加入量的增加，抗壓強度降低的越多。

通過對比既不加礦物摻合料又不加丙烯酸鈣漿液的水泥試樣B01的28d抗壓強度，可以看出，加入粉煤灰后水泥的28d天強度不如既不加礦物摻合料又不加丙烯酸鈣漿液的水泥的抗壓強度高，這說明丙烯酸鈣漿液的加入并不能改變粉煤灰降低水泥強度的現象。

3.2 礦渣與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度影響的分析

表3.3與圖3.2顯示了礦渣摻加量與水泥抗壓強度的關系

由圖3.2可知，加入礦渣后，丙烯酸鈣改性水泥的的1d，3d的抗壓強度降低，28d的抗壓強度與礦渣的加量無相關性關系。

加入礦渣后水泥的28天強度均高于既不加礦物摻合料又不加丙烯酸鈣漿液的水泥B01組，且B4組的28d強度要高于只加丙烯酸鈣漿液B02組的強度。這表明不僅丙烯酸鈣漿液能提高水泥的抗壓強度，礦渣也能提高。

表3.3 礦渣與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度

組號 丙烯酸鈣/% 礦渣/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 27.43 50.94 88.95

B4 1.5 10 25.54 50.50 89.67

B5 1.5 30 23.58 36.70 77.83

B6 1.5 50 22.00 33.10 81.33

圖3.2 礦渣摻加量與水泥的抗壓強度的關系

3.3 粉煤灰和礦渣雙摻與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度影響的分析

表3.4與圖3.3顯示了粉煤灰和礦渣雙摻與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度的影響。

表3.4 粉煤灰和礦渣雙摻與丙烯酸鈣漿液復合對水泥的抗壓強度

組號 丙烯酸鈣/% 粉煤灰/% 礦渣/% 1d/MPa 3d/MPa 28d/MPa

B01 0 0 0 50.75 56.28 77.00

B02 1.5 0 0 27.43 50.94 88.95

B7 1.5 14 6 22.88 48.70 80.33

B8 1.5 10 10 22.04 45.00 79.08

B9 1.5 6 14 23.08 47.90 87.42

圖3.3粉煤灰和礦渣雙摻比與復合水泥的抗壓強度的關系

由上圖可看出，粉煤灰和礦渣雙摻與丙烯酸鈣漿液復合水泥的28d抗壓強度均要大于既不摻丙烯酸鈣漿液又不摻礦物摻合料水泥的抗壓強度。

四、 結論

本次研究通過實驗手段，探討了丙烯酸鈣與礦物摻和料復合對水泥強度影響。實驗以丙烯酸鈣為固定量，通過改變礦物摻和料的種類及摻量來尋找最佳的丙烯酸鈣及礦物摻和料的配比。經過對不同種類及摻量礦物摻和料與丙烯酸鈣漿液復合水泥的抗壓強度測試，最終發現，丙烯酸鈣漿液的摻入使水泥前期強度降低而后期強度增加。礦渣及粉煤灰的摻入均使摻有丙烯酸鈣漿液水泥的早期強度降低，且隨著加入量的增加，降幅變大。但是，摻有10%礦渣的丙烯酸鈣漿液水泥的28d強度高，復合10%礦渣與丙烯酸鈣漿液的水泥比空白樣水泥的強度要高出16.45%。

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