严寒地区硅酸盐水泥基镜面材料制备与性能研究

　　摘 要： 为提高硅酸盐水泥基材料镜面效果，拟通过掺加碱性激发物质等方法配制硅酸盐水泥基材料，通过单掺及复掺的方法，研究了不同掺量和不同模具对各龄期硅酸盐水泥基材料的光泽度、耐久性的影响。研究表明，硅酸盐水泥基材料表面光泽度随水胶比降低而增加，随龄期增长而降低，掺加粉煤灰和碱性激发剂能够提高硅酸盐水泥基材料表面光泽度，水胶比为 0.27 硅胶模具成型的硅酸盐水泥基材料具有更高的表面光泽度，其 28 d 光泽度值达 56，抗侵蚀性介质侵入的能力较强，抗单面盐冻性能优异。

　　关键词： 硅酸盐水泥基材料;光泽度;模具;激发剂;性能

　　李晓; 金枭; 张建峰， 混凝土 发表时间：2021-09-27

　　0 引言

　　随着绿色建筑材料的不断发展，镜面混凝土应运而生[1]。镜面混凝土是集结构和装饰于一体的绿色建筑材料，既满足普通混凝土所要求的强度、工作性和耐久性，又具有表面平整光滑、明亮如镜的特点[2-3] 。目前，对镜面混凝土配合比设计参数及配制工艺参数的研究还不够深入，光泽度的研究也尚属缺少，使其应用受到限制。针对上述问题，本研究从配制硅酸盐水泥基的原材料选择和性能入手，采用均匀试验设计方法得到其配合比，并通过试配确定了配制硅酸盐水泥基材料的较优配合比设计参数和配制工艺参数。分析了组成对硅酸盐水泥基材料光泽度、硫酸盐侵蚀试验、单面盐冻的影响[4]。探讨硅酸盐水泥基材料应用于混凝土工程的可行性。

　　1 原材料及试验方法

　　1.1 试验原材料

　　试验用原材料具体如下：选用 P·O 42.5 级水泥，3 d 抗压强度 27.2 MPa，28 d 抗压强度 51.9 MPa;II 级粉煤灰;自来水;20%浓度 SPC-102 聚羧酸高效减水剂;昕特玛干粉消泡剂;Ca(OH)2 固体粉末;34%浓度 Na2SiO3 ·9H2O 溶液，水泥和粉煤灰的化学成分见表 1。

　　1.2 试验方法

　　本试验预先将其与水泥、粉煤灰等固体原料混合均匀，分别掺入水泥质量 0.2%Ca(OH)2、0.2%Na2SiO·3 9H2O，并通过以下配合比进行试验研究。

　　研究中，水胶比控制在0.27~0.33之间，分别采用 200 mm× 200 mm×20 mm 的铁模具、PVC 模具、硅胶模具制备试件。其中，使用硅胶模具时，模具外侧采用硬质胶合板固定，以避免成型时试件变形，并采用分层注浆[5]。试件拆模后，用 PE 薄膜裹覆，防止吸附环境粉尘，影响试件表面光泽度。在标准养护条件下养护至各龄期测试其底模面光泽度。

　　测定光泽度方法：将每组试块分为 5 个区域，分别是模具成型试块外部边缘易于空气接触的 4 个区域，以及不易于外界接触的中心区域，每个区域取 5 个测点进行测试。取全部 25 个测点测试值去掉最高的 3 个值和最低的 3 个值后的平均值为试件光泽度值。

　　硫酸盐侵蚀试验、单面盐冻试验参照 GB/T 50082— 2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。扫描电镜采用美国 FEI 公司 QUANTA250 多功能钨灯丝扫描电镜。光泽度采用誉德光泽仪器智能型-168 进行测定。

　　2 结果与分析

　　2.1 制备条件对硅酸盐水泥基材料表面光泽度的影响

　　根据前期基础性研究，使用相同脱模剂时，水胶比、粉煤灰掺量、碱性激发剂和模具材质等对硅酸盐水泥基材料表面光泽度影响显著。按照 1.2 节中所述配合比与方法开展试验，结果如图 1、2 所示。

　　研究中以表面光泽度表征材硅酸盐水泥基材料的镜面效果。由图 1 可知，采用相同硅胶模具时，各组试件的 28 d 光泽度值随水胶比的升高而降低。其中，空白组试件 28 d光泽度值在 8~10 范围内;水胶比为 0.27 时，掺加 Ca(OH)2 组 28 d 试件光泽度值最高，为 56。根据胶凝材料凝结硬化理论，拌和水并非全部参与水泥的水化反应，硅酸盐水泥完全水化的理论水胶比为约 0.23[6]。水胶比越低，水泥浆体越密实，孔隙率越低且孔径较小。拌合物中多余的水在改善和易性的同时，也导致硬化体中形成了更多的孔隙包括凝胶孔、毛细孔等[7]。搅拌过程中也会引入一定量的气泡，在凝结硬化过程中产生微裂纹，这些孔隙的孔径分布从纳米级到毫米级，从而影响材料密实度和表面光泽度[7]。材料表面孔隙率越大，大孔径孔隙越多，则材料表面的光泽度就越低。同时，在低水胶比体系中水分的供给和扩散迁移都受到限制，影响水泥的水化过程和镜面的形成[8]。而掺加碱性激发剂后，水胶比 0.27~0.30 间材料光泽度值降低更为显著，且材料各水胶比下的 28 d 光泽度值均明显优于空白组。这主要是因为碱性激发剂加速了火山灰性材料的水化反应，其硬化体孔隙率比硅酸盐水泥石小，且孔径小于 10 nm 的孔隙分布较多。这种尺寸的孔隙能有效限制液体迁移或离子扩散，提高材料的致密度[9]，从而有利于提高硅酸盐水泥基材料表面光泽度。掺加 Ca(OH)2 对材料 28 d 光泽度的影响优于 Na2SiO·3 9H2O。这是因为掺加碱物质使硬化体毛细孔中碱浓度较高，在凝结硬化的过程中，部分碱性物质随着水分迁移至表面，并与空气中的 CO2 反应，其产物提高了材料表面的粗糙度。而 Ca(OH)2 的溶解度和与 CO2 的反应速度均低于 Na2SiO3 ·9H2O 水解产生的 NaOH，从而在材料表面形成的反应物更少。水胶比为 0.27 时，材料 28 d 光泽度随粉煤灰掺量增加而先增加后降低，但随着水胶比的增加，粉煤灰对材料 28 d 光泽度提升作用逐渐显著。这是因为粉煤灰颗粒形态为球体，可以有效降低拌合物需水量，提升浆体的保水性，提高材料密实度，对减少粗大孔隙有显著效果[10]，并能够降低硅酸盐水泥基材料的开裂倾向。同时，粉煤灰与碱性物质的反应速度较慢，28 d 时生成的高密实度水化产物较少，因而随其掺量的增加会导致材料 28 d 水化程度降低，对其表面光泽度不利[11]。在本研究条件下，干燥收缩、塑性变形、自收缩是导致材料表面微裂缝的产生的主要原因，也就是说，水化进程和水分迁移速度决定了材料表面粗糙度。随水胶比增加，多余水量逐渐增多，材料干燥收缩加剧，但水化速度提升，两者对材料光泽度的影响是相反的，而粉煤灰对材料抗开裂能力的提升作用对其光泽度影响更为显著。

　　编号 2 组配合比分别使用铁模具、硅胶模具和 PVC 模具的光泽度试验结果见图 2。由图 2 可知，使用铁模具时，硅酸盐水泥基材料的 3、14、28 d 光泽度最差，且试验中发现其表面均质性较差，仅局部存在镜面效果。而使用硅胶模具时的试验结果最佳。这主要是因为硅酸盐水泥基材料在硬化过程中，与模具之间的接触紧密程度对材料表面光泽度影响显著。其中使用铁模具和硅胶模具成型的材料表面电镜照片如图 3、4 所示。

　　由图 3、4 可知，使用硅胶模具的材料表面较为致密，而使用铁模具的材料表面存在较多的微米级以上孔隙。

　　材料与模具之间的缝隙会加速其内部液相向表面的迁移，进而提高表面的粗糙度。使用铁模具和 PVC 模具时，掺入 Ca(OH)2 的试件光泽度低于掺 Na2SiO·3 9H2O 的，而使用硅胶模具时相反。铁模具和 PVC 模具硬度和刚度相对硅胶模具较高。同时，脱模剂在模具上的均布性也影响材料表面光泽度，试验所用的脱模剂在硅胶模具和 PVC 模具上的均布性显著优于铁模具。硅酸盐水泥基材料硬化收缩造成其与刚度较大的模具产生一定侧向间隙，加速液相从底面，也就是光泽度测试面析出。Na2SiO·3 9H2O 自身可以发生胶凝反应，提升液相稠度，能够在一定程度上堵塞渗水通道，阻碍水分向表面迁移，从而降低表面孔隙率和孔径尺寸。而 Ca(OH)2 参与反应速度较慢，所以在使用铁模具和 PVC 模具时，表面光泽度相对较低。使用硅胶模具时，硅酸盐水泥基材料在硬化过程中与模具接触紧密，液相不易从底部析出，且气相也不易存留。硬化过程，部分碱性物质迁移到底面。拆模后 Ca(OH)2 与活性掺合料反应速度较慢，发生碳化反应更慢，但 Na2SiO·3 9H2O 水解产物发生反应速度较快，其反应产物提升材料表面粗糙度更为显著。所以在各龄期掺 Ca(OH)2的试件光泽度均优于掺 Na2SiO·3 9H2O 的。

　　2.2 光泽度对材料耐硫酸盐侵蚀性的影响

　　采用硅胶模具，编号 1~3 组配合比，以水胶比 0.27 制作试件，再进行抗硫酸盐侵蚀试验，结果见图 5。以掺加 Ca(OH)2 的编号 2 组配合比制作的试件进行 5%硫酸钠溶液和纯净水浸泡试验，并测试不同龄期光泽度，结果见图 6。

　　由图 5 可知，除粉煤灰掺量为 10%且掺加 Ca(OH)2 组外，随循环次数增加，各组试件的耐硫酸盐侵蚀系数先增加而后降低。这是因为硫酸钠溶液呈碱性，能够加速粉煤灰的水化反应，提升硅酸盐水泥基材料的密实度，但是随循环次数增加，材料表面受硫酸根离子侵蚀日趋严重，这一点可以从图 6 所示结果中得证，从而导致耐硫酸盐侵蚀系数降低。随粉煤灰掺量提升，可显著提升硅酸盐水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性，粉煤灰掺量高于 15%时，各组试件 150 个循环内耐硫酸盐侵蚀系数均高于 90%。而掺 Ca(OH)2 的试验结果表明，粉煤灰掺量为 15%时，试件 150 个循环内耐硫酸盐侵蚀系数保持最稳定，这充分说明材料表面光泽度越高，即表面越致密，抵抗侵蚀性介质侵入的能力越强。

　　2.3 光泽度对材料单面盐冻性能的影响

　　采用掺加 Ca(OH)2 的编号 2 组配合比，以水胶比 0.27 制作试件，标养 28 d 后进行单面盐冻试验，盐溶液为质量浓度为 3%的 NaCl 溶液，试验结果如图 7、8 所示。

　　由图 7 可知，随单面盐冻循环次数增加，该硅酸盐水泥基材料的表面剥落物总质量逐渐增加，其增加幅度在 8 次以内较小，8~12 次之间显著提高，12 次以后又逐渐降低。 28 次盐冻循环后，材料表面剥落物总质量仅为 3.8 g/m2 ，远低于 GB/T 50082 中的要求，这充分说明表面光泽度高的材料具有良好的抗单面盐冻性能。由图 8 可知，材料在开始盐冻循环后，其表面光泽度首先显著降低，而 4~8 次循环间降低不显著。这主要是因为部分盐溶液附着在材料表面，在干燥过程中 NaCl 结晶析出，造成材料表面的粗糙度提高，而不是材料表面破损，这也是材料在 8 次盐冻循环内表面剥落物总质量变化较小的原因。8~12 次盐冻循环过程中，材料表面特别是粉煤灰水化程度较低的区域，部分 100 nm 以上的孔隙开始出现破损、扩张，导致光泽度显著减低，表面剥落物总质量显著增加。而 12 次盐冻循环后，材料表面光泽度变化又逐渐趋于缓和，这主要是由于随盐冻循环增加，材料表面孔隙扩张，孔壁破损的同时，未水化物质进一步水化，其产物修复了部分缺陷，延缓了表面光泽度的降低。同时，光泽度较高的材料表面都有一定厚度的相对致密层，这层致密结构会显著改善材料抗盐冻能力。

　　3 结论

　　(1)相对于 PVC 模具和铁模具，使用硅胶模具成型的硅酸盐水泥基材料可以获得更高的表面光泽度。

　　(2)硅酸盐水泥基材料表面光泽度随水胶比降低而增加，随龄期增长而降低，掺加粉煤灰和碱性激发剂可以显著提高硅酸盐水泥基材料表面光泽度，其中掺加 Ca(OH)2 优于 Na2SiO·3 9H2O。

　　(3)硅酸盐水泥基镜面材料光泽度越高抗硫酸盐侵蚀性能越好，其 28 d 光泽度值达 56 时，抗单面盐冻性能优异。