不同种类电解活化水对砂浆水化特性及强度的影响研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.029混凝土Concrete预拌砂浆READYMIXEDMORTAR不同种类电解活化水对砂浆水化特性及强度的影响研究石端1，周厚峰1，杨尚夫1，谢子茜，王亮（1.中建八局第一建设有限公司，山东济南2 50 10 1；2.青岛农业大学建筑工程学院，山东青岛2 6 6 10 9)摘要：使用了4种不同种类电解活化水制备水泥砂浆，与普通自来水砂浆进行对比分析，系统研究了不同电解活化水对水泥砂浆水化特性及力学性能的影响规律。试验结果表明，与普通自来水砂浆相比,不同电解活化水均能一定程度地改善砂浆工作性能和力学性能,其中pH为9.5时的钾基碱性电解活化水对砂浆的强度改善效果最为明显，7、14d抗压强度分别提高了18.9%和10.3%,9 1d强度提高了6.1%。酸性电解活化水对砂浆的强度改善效果最差，7 d抗压强度仅提高了5.2%,9 1d强度下降了2.4%同时，不同碱性电解活化水均能促进水泥水化反应，使其Ca(OH)2含量明显高于普通自来水砂浆，并伴有多钙钾石膏和钾长石产生。此外，4种电解活化水砂浆的SEM图谱表现出明显的球形颗粒化，这对砂浆工作性和强度改善具有积极作用。关键词：电解活化水；水化特性；XRD；力学性能；Ca(OH)2含量中图分类号：TU528.01Effect of different kinds of electrolytic activated water on hydration characteristics and strength of cement mortars(1.No.1 Construction Co.,Ltd.,China Construction Eighth Engineering Bureau,Jinan 250101,China;2.College of Architectural Engineering,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)Abstract:In this study,four kinds of electrolytic activated water were used to prepare different cement mortar,the effects of differentelectrolytic activated water on hydration characteristics and mechanical properties of cement mortar were systematically studied.The resultsshowed compared with ordinary tap water mortar,different electrolytic activated water all can improve the working and mechanicalproperties of mortar to a certain extent.The potassium based alkaline electrolytic activated water with pH of 9.5 has the most obvious effecton the strength of mortar.The compressive strength at 7 d and 14 d was increased by 18.9%and 10.3%respectively,and the strength at 91 dwas increased by 6.1%.The strength improvement effect of acid electrolytic activated water was the worst.The 7 d strength was onlyincreased by 5.2%,while the 91 d strength was decreased by 2.4%.Meanwhile,different alkaline electrolysis activated water could promotehydration reaction of cement so that the Ca(OH)2 content was significantly higherthan that ofordinary tap water mortar,and was accompaniedby calcium potassium gypsum and potassium feldspar.In addition,the SEM images of four activated water mortars show obvious sphericalgranulation,which play a positive role in improving the workability and strength of mortars.Key words:electrolytic activated water;hydration characteristics;XRD;mechanical property;Ca(OH)2 content文献标志码：ASHI Duan,ZHOU Houfeng,YANG Shangfu,XIE Zixi?,WANG Liang?文章编号：10 0 2-3 550(2 0 2 3)0 6-0 145-0 5研究表明相较于普通自来水混凝土，磁化水混凝土强度提高0引言约2 0%,且能够改善工作性能;WeiH.等研究发现，磁化水作为混凝土中水泥水化反应的主要载体,拌和水的性能够减小混凝土收缩;WangYX.等研究证明磁化水能够质对混凝土的凝结硬化、工作性、力学性能和耐久性均有提高混凝土的抗渗性;JouzdaniB.E.证明了磁化水能够有着很大影响。然而,国内外学者大多通过掺加矿物掺合效提高混凝土的抗压、抗弯及抗拉强度；李贵民等表明磁料、降低水胶比、采用高效外加剂等方式来制备高性能混化水对水泥石早期强度发展有一定的促进作用9;段懿航等凝土 2-3 ,但是从改变拌和水性质的角度来改善混凝土的各人用磁化水搅拌的水泥净浆的屈服应力增大,塑性黏度先增项性能的研究相对较少，主要集中在磁化水混凝土方面。大后减小,水泥浆体初期水化更加充分。然而,磁化水混凝自来水经过磁化处理后，能够提升水化放热速率，混凝土土存在的缺陷也比较明显。磁水器在较大磁场强度范围内的和易性、抗压抗折强度均有一定程度的提高 4。Nan S.等易受限制,在温度较高或长时间的使用状态下,磁水器性能收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 9基金项目：国家自然科学基金面上项目（518 7 8 3 6 6,519 7 8 3 53）；国家自然科学基金青年科学基金项目（518 0 8 3 10）；山东省自然科学基金项目(ZR2019PEE007,ZR2020ME036)145.也不稳定。此外，由于可选取的磁场参数较少，研究获得的规律具有一定的局限性,不具有普适性,工业推广应用困难。电解活化水主要是电解液通过隔膜式电解槽以电解方式生成,在电解槽阳极生成具有氧化性的酸性电解活化水,在阴极则生成具有还原性的碱性电解活化水。由于电解作用，电解活化水自身具有高活性、强酸碱性、吸附性、分散性、小分子团渗透性等优点叫。同时，电解设备性能稳定、性价比高、性能可调节性好，能够弥补磁化水存在的缺陷。张天宇等发现低碱性电解水粉煤灰砂浆的早期抗压强度发展速率较普通自来水砂浆提高了11.7%2 ;谢子茜等研究发现当粉煤灰取代率为2 0%和30%时，电解水混凝土的56d抗压强度较自来水混凝土增长了8.7%和3.5%13 李长江等研究结果表明碱性电解水在一定程度上能够提高矿粉砂浆的抗折强度和抗压强度 14。ChakrabortyS.等证明了碱性电解水能够加速水泥水化反应，促进早期凝结硬化，形成更加致密的孔隙结构,有效提高水泥砂浆的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性 15;刘桂宾等表明利用电解水有可能实现约50%的混凝土矿物掺合料用量的有效利用，而不会造成水泥细度品种/%P042.52.3表2普通硅酸盐水泥的化学组成（XRF分析）CaoSiO2Al,O,Fe,O,SO;MgO62.7317.806.385.832.981.940.860.580.52 0.38通过定制的隔膜式电解水设备进行电解，制备不同系列电解活化水。以普通自来水作为对照组，记为PT；对普通自来水进行通电电解，在电解槽阴极侧产生碱性电解活化自来水，记为PT-DJ;由于碳酸钾（K,CO，)具有高水溶性、耐蚀性、小分子团渗透性、性价比高等优良特性，故本试验采用碳酸钾作为电解质溶液，在隔膜式电解水设备中进编号pH值PT7.5PT-DJ8.8DJ-16.7DJ-29.5DJ-310.5HKOH图1酸性和碱性电解水的生产原理图146强度损失,具有良好的经济效益和环境效益。因此,采用不同种类的电解活化水制备水泥砂浆,通过与普通自来水水泥砂浆的对比分析,研究了不同电解活化水对水泥砂浆工作性能、抗压强度和抗折强度的影响规律,并通过TG/DTA、X R D 和SEM等微观试验，揭示了不同种类电解活化水对水泥砂浆的水泥水化反应和性能的影响机理,为电解活化水在混凝土中的推广应用提供一定的理论支撑。1试验概况1.1原材料本研究采用P042.5级水泥（青岛山水水泥有限公司），符合国家标准GB1752007通用硅酸盐水泥的规定要求，其物理性能与化学成分XRF分析分别如表1、2 所示。采用细骨料的表观密度为2 6 30 kg/m,体积密度为17 10 kg/m、吸水率为1.40%和细度模量为2.7 8。采用NC-J型聚羧酸系高效减水剂（产自山东省建筑科学研究院），减水剂掺量为胶凝材料用量的1.5%1.2%，减水率为2 8%，以质量分数计，以此控制砂浆扩展度在18 0 2 2 0 mm目标范围内。表1普通硅酸盐水泥的物理与力学性能指标凝结时间/min抗压强度/MPa初凝终凝165260Na.0K,0TiO2Loss表3不同电解活化水的基本参数OPR值K,CO;浓度/%343一241一4570.051790.052070.08通电电解02OHK,CO,电解质抗折强度/MPa3d28d18.546.8%行电解，电解槽中的交换隔膜渗透率为0.2 0 cc/（c m/min），进水温度控制在为2 0 2 5,通电时间为15min。K,C O 3电解质溶液经过电解，在电解槽的阳极侧产生碳酸，水分子分解成氧气和氢离子，故阳极溶液呈酸性，即酸性活化水，记为DJ-1；在阴极侧则产生KOH,水分子分解成氢气和游离的羟基离子，故溶液呈碱性，即碱性活化水，记为DJ-2,通过调控K,CO;电解质浓度，可以得到更高pH值的碱性电解活化水，记为DJ-3。电解生产原理如图1所示。总进水量/(L/h）碱性电解水/(L/h)一一40204020402040201.2配合比设计不同电解活化水水泥砂浆的详细配合比如表4所示。采用P042.5级水泥，水胶比统一设定为0.5，水泥与砂子的比例为1:3,减水剂掺量为水泥用量的1.2%,以质量分数计。普通自来水砂浆的编号为PT,钾基酸性电解活化水砂浆的编号为DJ-1,钾基碱性电解活化水砂浆(pH值为9.5)的编号为DJ-2,钾基碱性电解活化水砂浆(pH值为10.5)的编号为DJ-3,砂浆的目标扩展度控制在(2 0 0 10）mm范围之内。1.3试验方法将原材料充分拌和后，以不同电解活化水作为砂浆拌H,CO;和用水，利用水泥胶砂搅拌机制备尺寸为40 mmx40mmx安定性3d28d4.67.0电流/mA一0.60.60.61.0（沸煮法）合格电压V一10.110.110.118.7表4不同电解活化水砂浆试验的配合比设计组别编号普通自来水PT碱性电解自来水PT-DJ钾基酸性电解水DJ-1钾基碱性电解水pH9.5DJ-2钾基碱性电解水pH10.5DJ-3100mm的水泥砂浆试件，2 4h后脱模处理后进行标准养护。参照JGJ/T702009建筑砂浆基本性能试验方法，测定砂浆的工作性能。参照GB/T17671一1999水泥胶砂强度检验方法（ISO法），分别在7、14、2 8 d养护龄期时进行砂浆的抗压强度和抗折强度试验。gP042.5级水泥用水量450.0225450.0225450.0225450.0225450.022524020016012080上砂子13501350135013501350减水剂5.45.45.45.45.4采用热重分析法(TG/DTA)分析不同养护温度条件下不同粉煤灰砂浆中的Ca(OH)2含量。将已停止水化反应的硬化砂浆试样抽真空烘干后放人振动磨中粉磨，收集通过40m筛的2 0 mg微粉作为最终测试样品。Ca(OH),在450500会发生脱水反应，通过该区间内水化产物质量损失率可以计算得到不同砂浆试样中水化产物Ca(OH)2的含量,具体见式(1),在得到的Ca(OH)2含量基础上乘以50,即可得到1g微粉中所含Ca(OH)2含量。(1)m2式中:Mca(OH)2-20mg微粉中Ca(OH)2的含量;Tos-450500时的质量损失率，%；Ca(OH)2的分子量,值为7 4.0 9;m2-H,0的分子量，值为18.0 2。采用X射线衍射和X射线荧光对水泥砂浆的矿物组成进行分析，定量分析的样品细度在45m左右（过32 5目筛）,并通过扫描电镜（SEM)观察不同电解活化水砂浆的微观结构。2结果与讨论2.1不同电解活化水砂浆的工作性能不同系列电解活化水砂浆的工作性能如图2 所示。由图可知，相较于普通自来水砂浆，不同电解活化水对砂浆的工作性能均有一定程度的提升作用,其中pH为9.5的碱性电解活化水(DJ-2)提升效果最为明显,流动度由194mm提高至2 0 6 mm，增幅为4.6%左右，其次为DJ-3和PT-DJ系列碱性活化水砂浆,增幅分别为3.5%和2.0%。酸性活化水改善效果最差，砂浆流动度仅提高1.5%。这说明由于电解作用，电解活化水本身具有较高的活性和离子吸附性，一定程度上能够加速水泥水化作用，释放更多自由水,进一步提高水泥砂浆的流动度。2.2不同电解活化水砂浆的强度发展不同电解活化水砂浆的抗压强度试验结果如图3所示。由图3可知,与普通自来水水泥砂浆相比,3种碱性电解活化水砂浆在早期和后期的抗压强度均有所提高，而酸性电解活化水仅对早期强度有一定改善作用,DJ-2砂浆的各龄期抗压强度均达到最高,DJ-2砂浆的7、14d的抗压强400PT图2 7不同电解活化水砂浆的工作性能55碱性电解水-9.550上454035305图3不同电解活化水砂浆的抗压强度度分别提高了18.9%和10.3%；DJ-3砂浆的强度改善作用有所降低，7、14d的抗压强度分别提高了14.3%和5.9%；PT-DJ砂浆的7、14d的抗压强度分别提高了7.1%和2.4%；DJ-1砂浆的强度最低,DJ-1砂浆的7 d强度仅提高了5.2%，14d强度基本与普通自来水砂浆强度持平。相较于普通自来水砂浆，不同碱性电解活化水砂浆的2 8 d强度均有所提高，DJ-2砂浆的强度仍然最高，提高了6.1%,DJ-3砂浆的强度提高了5.5%，PT-DJ砂浆的强度提高了3.8%；相反，酸性电解活化水DJ-1砂浆的2 8 d强度却下降了2.1%。由此可知,碱性电解活化水DJ-2对于水泥砂浆的早后期强度改善最为明显，酸性电解活化水对砂浆后期强度发展不利。不同电解活化水砂浆的抗折强度试验结果如图4所示。由图4可知，不同电解活化水砂浆的抗折强度基本与抗压强度的规律一致。与普通自来水砂浆相比,DJ-2砂浆的各龄期抗折强度均达到最高,DJ-2砂浆的7、14、2 8 d的抗折强度分别提高了11.9%、10%、5.2%;DJ-3砂浆7、14、2 8 d的抗折强度分别提高了9.5%、5.0%、1.3%;PT-DJ砂浆的7、14、2 8 d 的抗折强度分别提高了9.5%、6.7%、4.1%;DJ-1砂浆的抗折强度最低,DJ-1的砂浆强度基本与普通自来水砂浆持平,7、14d强度甚至略低于普通自来水砂浆。2.3不同电解活化水砂浆的Ca(OH)2含量不同电解活化水砂浆各龄期的Ca(OH)2含量如图5所示。由图5可知随着养护龄期的增加,不同电解活化水砂浆中的Ca(OH)2含量均呈现上升趋势,主要与水泥水化反应有关。随着龄期的增加，与普通自来水水泥砂浆相比,3种147DJ-1DJ-2IDJ-3PT-DJ不同电解水种类酸性电解水普通自来水-PTDJ-1DJ-2DJ-3-+PT-DJ1015养护龄期/d2025305550454035305图4不同电解活化水砂浆的抗折强度120110100(3/8u)/908070605图5不同电解活化水砂浆各龄期的Ca(OH)2含量碱性电解活化水砂浆各龄期的Ca(OH)2含量均有所提高，DJ-2砂浆的各龄期Ca(OH)2含量均达到最高,DJ-2砂浆的7、14、2 8 d 的Ca(OH)2含量分别提高了13.6%、9.8%、9.8%;而DJ-3砂浆的7、14、2 8 d的Ca(OH)2含量分别提高了9.1%、10.8%、5.9%;P T-D J砂浆的7、14、2 8 d的Ca(OH)2含量分别提高了9.1%、6.5%、2.9%;DJ-1砂浆的Ca(OH)2含量最低，DJ-1砂浆的7 dCa(OH)2含量仅提高了3.0%,其14、2 8 d的Ca(OH)2含量基本与普通自来水砂浆强度持平。这说明碱性电解活化水在早期能够促进水泥水化反应，使其产生更多的 C-S-H凝胶和 Ca(OH),等水化产物,降低了砂浆内部孔隙率，提高了结构密实度，对于强度改善具有积极作用。2.4不同电解活化水砂浆的XRD衍射分析不同电解活化水砂浆的7、2 8 d的XRD衍射图谱如图6.7 所示。由图6 可以看出,对于普通自来水水泥砂浆(PT)，SiO2、C a C O,的峰值最为明显,还有水化硅酸钙C-A-S-H和少量钙矾石AFt产生。相比之下,在不同电解活化水砂浆的XRD衍射图谱中，由于电解活化水能够促进水泥水化反应进程,产生更多Ca(OH),相,在(2 0=18.0 1,34.12,47.11,50.82)处的Ca(OH)2衍射峰均明显增强，而普通自来水砂浆的 Ca(OH),衍射峰最低。1:AFt3:Ca(OH),5:C,S2:AFm 4:C-A-s-H4.000F3,835004530002.5002.000150010005000图6 7 d时不同砂浆的XRD图谱对比由图7 可以看出，不同碱性电解活化水水泥砂浆的2 8 d1481:AFm碱性电解水-9.52:AFt3:Ca(OH),6:CaCo;45003,8酸性电解水4000普通自来水-I-PT+DJ-1DJ-2-DJ-3-+:PT-DJ1015养护龄期/d碱性电解水-9.5酸性电解水普通自来水1015养护龄期/d7:KAISi,O,6:Caco,8:Sio,63(5,75633.3AWMmPT-DJDJ-3DJ-2mMDJ-1wnPT1一1020养护龄期/d4:C-A-S-H7:KAISi,O;5:C,S8:SiO,9:K,Ca,(SO.).H,O6,9.335001230002500200015002025-PTDJ-1+DJ-2+DJ-3-+PT-DJ20253040515,7MLM3010005000图7 2 8 d时不同砂浆的XRD图谱对比XRD图谱中的Ca(OH),衍射峰继续增强,但是酸性电解活化水的Ca(OH),衍射峰却低于其他系列砂浆。同时,不同碱性电解活化水砂浆中还有一定含量的多钙钾石膏K,Cas(SO4)H,O和钾长石产生。这说明在水泥水化后期，碱性电解水中一定浓度的KOH能够与水泥中的CaOAl,O;SiO2和SiO2发30生反应，生成一定量的多钙钾石膏和钾长石，这对于砂浆强度的改善具有一定的积极作用。2.5不同电解活化水砂浆的SEM图谱分析不同电解活化水砂浆的7 dSEM微观形貌如图8 所示。由图8 可知,相比于普通自来水砂浆,碱性和酸性电解活化水砂浆中的水泥颗粒大量分散独立成为球形,且彼此互相连接凝聚,这很可能是因为电解活化水中含有大量高活性且带有电荷的游离离子这些离子能够吸附包裹在水泥颗粒表面，进而形成带电荷的离子层，在静电斥力的作用下，水泥颗粒不断分散排斥，形成独立的水泥颗粒，减少了水泥颗粒间絮凝，释放出更多自由水，促进了水泥水化1 mI um(a)普通自来水(pH=7.5)(b)钾基酸性电解水(pH=6.7)1um(c)钾基碱性电解水(pH=9.5)506056DJ-2DJ-1PT1020养护龄期/d(d)钾基碱性电解水(pH=10.5)1 m(c)钾基碱性电解水(pH=8.8)图8 不同电解活化水砂浆的SEM图谱3.3PT-DJAmDJ-3304050601 m进程，改善了砂浆的流动性和强度。同时，相较于普通自来水砂浆，不同碱性电解活化水砂浆和酸性电解活化水砂浆的SEM图谱之间的差异并不显著。3结论研究了不同电解活化水对水泥砂浆力学性能和水化特性的影响,并结合XRD和SEM微观试验对砂浆中的矿物组成进行了分析，得到了以下结论：（1)不同电解活化水均能一定程度上改善水泥砂浆的工作性能。相较于普通自来水砂浆,DJ-2、D J-3,P T-D J系列的碱性电解活化水砂浆的流动度增幅分别为4.6%、3.5%2.0%，而酸性电解活化水的工作性改善效果最差,砂浆流动度仅提高了1.5%。(2)使用电解活化水均可以有效地提高砂浆的早期强度,相较于普通自来水砂浆,DJ-1、D J-2、D J-3、P T-D J系列的电解活化水砂浆的7 d抗压强度分别提高了5.2%、18.9%、14.3%和7.1%和2.4%。(3)不同碱性电解活化水砂浆的后期强度增幅有所降低,DJ-2、D J-3、P T-D J系列的碱性电解水砂浆的2 8 d强度分别提高了6.1%、5.5%、3.8%；相反地，酸性电解活化水DJ-1砂浆的2 8 d强度却下降了2.1%,对于水泥基材料的强度改善效果较差，不宜使用。（4)不同碱性电解活化水均能够促进砂浆中水泥水化反应，使其产生更多Ca(OH)等水化产物,XRD图谱中的 Ca(OH),衍射峰明显增强,还有一定含量的多钙钾石膏K,Cas(SO4)HO和钾长石产生，使得砂浆内部结构更加密实牢固。参考文献：1 李上红,刘承伟,杨青,等.拌合用水对混凝土性能的影响 广西科技大学学报,2 0 15,2 6(3):90-92,98.2 熊辉霞,张谦,李岩,等.粉煤灰和硅灰掺料对高性能混凝土氯离子扩散影响 J.混凝土,2 0 2 1(7):95-97,10 2.3 罗小博,宋或,郭启明,等.粉煤灰掺量对混凝土力学性能影响的试验研究 J混凝土,2 0 2 1（8)：8 8-9 0,9 5.4 GHOLHAKI 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