纳米类水滑石对硫铝酸盐水泥熟料水化硬化规律的影响

李海艳，刘小星，司鹤洋，韦  帅，张丙文，张旭阳，管学茂

(河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454000)

摘要：采用成核晶化隔离法合成了锂铝、镁铝、锌镁铝及锌铝类4种类水滑石。通过水化热、X射线衍射、Fourier红外光谱、热重–差热分析和抗压强度测试等研究了4种纳米类水滑石对硫铝酸盐水泥熟料水化及其强度的发展规律。结果表明：类水滑石的添加均能促进硫铝酸盐水泥熟料的早期水化，没有改变水化产物的种类，但增加了水化产物的数量，提高了1、3、7、28和60 d的抗压强度；类水滑石的化学组成影响其对硫铝酸盐水泥熟料的水化及增强能力，且其大小顺序依次为锂铝类水滑石、镁铝类水滑石、锌镁铝类水滑石及锌铝类水滑石。

关键词：纳米；类水滑石；硫铝酸盐水泥熟料；水化；硬化

中图分类号：TQ172   文献标志码：A    文章编号：0454–5648(2018)07–0887–08

网络出版时间：2018–04–23

水泥基注浆材料广泛应用于隧道和地下煤矿等修复和加固工程中。硫铝酸盐(CSA)水泥是以无水硫铝酸钙和β硅酸二钙为主要熟料矿物的第三系列水泥，由于其早期强度高、凝结时间快、抗腐蚀能力强、微膨胀等性能在注浆工程中具有广泛的应用。作为一种水硬性的胶凝材料，硫铝酸盐水泥熟料的水化历程受很多因素的影响，如石膏的用量^[1]和类型^[2]、石灰的用量^[3]、锂盐^[4]及甲酸盐外加剂^[5]等。

      近年来，将纳米科技应用于水泥基材料引起了广泛的关注。纳米材料具有高的堆积水平(填充效应)和密的约束能力(成核效应)，因此将纳米材料用作添加剂来改性水泥基材料的水化硬化过程是非常有效的。各种纳米材料如Nano-SiO₂^[6]、Nano-Al₂O₃^[7]、Nano-CaCO₃^[8]、Nano-Fe₂O₃^[9]、Nano-TiO₂^[10]、碳纳米管(CNTs)及NanoClay^[11]等被加入水泥基材料，来尝试改变其水化、硬化、力学性能及耐久性能等。

类水滑石又名层状双羟基氢氧化物(LDHs)，是一类层状阴离子型纳米黏土。类水滑石具有很多特性，如纳米级的层间距，层板元素组成的可调变性，层板电荷密度(x值)的可调变性，层间阴离子种类的可调变性，具有酸碱双功能性，记忆效应等而广泛应用于催化、生物药物、吸附和塑料添加剂等领域^[12–14]。水泥的水化产物单硫型水化硫铝酸钙(AFm)具有典型的层状结构，属于LDHs家族。前期的研究中^[15]采用水热法合成了三维微纳米结构的锂铝类水滑石，发现锂铝类水滑石对硫铝酸盐水泥熟料具有促进作用，且粒径越小，对硫铝酸盐水泥熟料水化及力学性能的增强作用越显著。有文献报道^[16]，类水滑石层板元素组成影响其碱性，且其碱性强弱与组成中低价金属氢氧化物的碱性强弱基本一致。因此，不同化学组成的类水滑石影响硫铝酸盐水泥熟料的水化硬化历程。

本工作采用成核晶化隔离法合成了锂铝、镁铝、锌镁铝及锌铝4种纳米类水滑石并对其结构进行表征，研究4种不同化学组成的类水滑石对硫铝酸盐水泥熟料水化硬化特性的影响。

1) 采用成核晶化隔离法合成出了锂铝、镁铝、锌镁铝及锌铝类水滑石。

2) 类水滑石的添加促进了CSA水泥熟料的早期水化，没有改变水化产物的种类，但增加了水化产物的数量。类水滑石是由于晶核及层板金属离子的共同促进作用加速了CSA水泥熟料的水化。

      3) 锂铝类水滑石能够显著提高CSA水泥熟料的早期抗压强度，且中后期抗压强度依然呈现增长趋势。1、3、7、28及60 d抗压强度增长率分别为136%、93%、38%、24%及26%。4种类水滑石对CSA水泥熟料抗压强度的增强能力大小依次为锂铝类水滑石、镁铝类水滑石、锌镁铝类水滑石和锌铝类水滑石，与对水化程度的影响规律一致。