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文献精读 Constr. Build. Mater.: CSA与硅酸盐水泥共混物在高氯环境中的行为  背景介绍 硫铝酸钙水泥（CSA）可被视为普通硅酸盐水泥（OPC）一种有前景的替代品。与硅酸盐熟料相比，CSA熟料的生产在煅烧过程中产生更少的CO2排放。CSA水泥可被视为高性能粘合剂，其主要特点包括快速凝固和快速硬化、高抗硫酸盐性和良好的尺寸稳定性。此外，由于CSA熟料的断裂能较低，因此其所需的研磨能量远低于OPC熟料。总之，使用CSA水泥代替OPC可以实现25%的节能，并减少20-35%的CO2排放量，从而产生环境效益。尽管具有上述良好特性，但与OPC相比，CSA在钢筋保护方面效果较差，因为其pH值较低，碳化率较高。 研究出发点 海水中的氯离子显著影响硬化过程中所涉及相的化学性质，从而限制其在混凝土构件中的使用。现有研究都是基于模拟海水的盐溶液对硅酸盐水泥的影响，而关于真实海水对CSA替代传统水泥的影响研究非常有限。 全文速览 意大利东皮埃蒙特大学Geo Paul课题组研究了真实海水对混合不同数量的硅酸盐水泥、硫铝酸盐熟料和硬石膏的混合物的物理化学行为的影响。相关论文以“Behavior of blends of CSA and Portland cements in high chloride environment”为题，于2020年发表在Construction and Building Materials上。 图文解析 （1）水化作用的研究 表1 样品组成   图1样品的XRD图谱（E=钙矾石，Ms=单硫酸盐，Hc=半碳酸盐，Mc=单碳酸盐，Y=硫铝酸钙，A=硬石膏，C=方解石，Fs=弗里德尔盐） 在与淡水混合的样品中，钙矾石是主要的水化产物，数小时后，所有样品都已大量形成钙矾石。混合物1中的硬石膏在7天后耗尽，而另外两种混合物中仍存在约10%的残渣。当淡水被海水取代时，钙矾石仍然是形成的第一个水化相，并且含量更丰富。弗里德尔盐(Fs)在混合物1和2中形成非常快，而在混合物3中延迟达7天。在所有系统中，Fs的形成速度都快于使用淡水的样品。在海水水化系统中，硬石膏的消耗要慢得多：1 d后仍观察到大量硬石膏残留，混合物1s和混合物2s中分别为20%和30%，混合物3s中<10%。这是氯离子和硫酸盐竞争的结果，当氯离子丰富时，优先形成Fs，抑制硫酸钙溶解。  图2 样品在4h，7d，90d的DSC热分析图谱（a）样品1；（b）样品2；（c）样品3 在150℃的主要吸热峰对应于钙矾石的脱水，混合物2和3中观察到的比混合物1更高的尖锐度和强度证明这两个系统中的钙矾石含量更高。在所有系统中观察到上述峰在4 h到90 d之间扩大，这归因于AFm相的形成，其脱水发生在与钙矾石重叠的温度范围内。通过DSC评估，无法明确区分钙矾石和AFm相以及不同AFm相。然而，基于峰的有限扩大，可以说明，无论使用淡水或海水，样品3中的AFm相数量最低。4 h后在所有混合物中观察到氢氧化铝，在淡水制备样品的7 d后观察到氢氧化钙，其延迟超过了用海水制备的样品。 （2）力学性能  图3 三种与（a）淡水和（b）海水混合料的抗压强度 当与淡水混合时，抗压强度与硬石膏/CSA熟料含量比成正比。与海水的水化作用导致硬石膏/CSA熟料比较高的混合物强度发展受到抑制。在混合物1s的情况下，使用海水可以提高早期强度；事实上，与混合物1相比，1 d和7 d的强度更高。加速可能是由于氯离子对C-S-H成核的影响。当使用硬石膏/CSA熟料比较高的海水时，强度发展受到强烈抑制。特别是，混合物3的长期强度（90 d）明显低于混合物3。当使用淡水生产砂浆时，硬石膏/CSA比与抗压强度成正比，而在使用海水的情况下则成反比，尤其是从7 d开始。 当砂浆暴露在干燥环境下时，确认了LPC、CSA熟料和硬石膏三元混合物的良好尺寸稳定性，这可能是由于形成了大量的钙矾石。值得注意的是，添加硬石膏可提高尺寸稳定性。与混合物1相比，混合物3显示出明显的收缩降低。海水的对尺寸稳定性有积极影响，因为它提供了额外的硫酸盐源，有助于钙矾石的形成，从而减少收缩。在混合料3s的情况下，较高的硬石膏/CSA比是初始膨胀的原因；因此，含海水的CSA系统的收缩行为与传统波特兰体系相反。实际上，在OPC中，主要的水化产物是C-S-H，这对相对湿度的变化以及氯离子的存在引起的加速效应更敏感。 （3）孔隙结构  图4 与淡水（实线）和海水（虚线）混合的混合物1（a）、混合物2（b）和混合物3（c）的孔径分布比较 当使用淡水时，主要孔径集中在0.15 mm。在低硬石膏/CSA熟料比下，使用海水会导致孔径减小。在高硬石膏/CSA熟料比下，使用海水导致相同直径（0.15 mm）的孔隙数量显著增加。孔径分布的结果与抗压强度的结果一致。在混合物1s中，海水中的氯离子加速C-S-H凝胶的形成，并改变其形态，从而形成更致密的结构，其特征是凝胶孔隙率更小。 总结 研究证明使用海水会导致水化相组合的变化。无论使用何种类型的水，在所有系统中，钙矾石都会快速形成，然后被不同的AFm相取代：在使用淡水的情况下为Hc或Mc，在使用海水的情况下为Fs。众所周知，AFm相在含有石灰石的系统中起着重要作用，因为它们在钙矾石晶体之间的孔隙内沉淀，从而形成更致密的结构，有助于强度增强。Fs的形成动力学比Hc或Mc快：当使用海水时，Fs几乎立即形成，因为氯离子已经溶解在水中，因此立即可用。Fs的快速沉淀阻止了其他AFm相的形成，其效果取决于硬石膏/CSA熟料比。 当用少量硫酸盐配制时，Fs的形成不会影响其他水化相的分布，但会使结构致密化。当含有大量硫酸盐时，对矿物相组合的影响几乎可以忽略不计，但另一方面，会形成更多的孔隙，导致强度发展降低。因此，只有在考虑少量硫酸盐的情况下，海水的使用才有利于LPC-CSA粘合剂的早期强度发展，同时始终可以提高此类系统的尺寸稳定性。总之，从所进行的研究可以看出，即使在高氯化物环境中，CSA基粘合剂也显示出较高的机械性能。 本期编者简介 翻译： 余 阳 博士生 深圳大学 审核： 李雪琪 博士生 深圳大学 排版： 于坷坷 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.conbuildmat.2020.120852 |
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