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申达 葛凯莉
（沈阳建筑大学材料科学与工程学院）
随着社会工业化程度的日益加深，能源、化工、材料等生产加工行业，释放大量CO2气体。在水泥制造产业中，每生产1 吨普通水泥，平均释放出近1 吨CO2，为了改善CO2过多的问题，急切需要对水泥产业实行二氧化碳减排，有不少专家学者提出了“绿色水泥”、“低碳水泥”的概念[1]。
目前，二氧化碳在水泥基材料中的应用集中在二氧化碳养护、二氧化碳强化再生骨料等[2,3]方面，而针对二氧化碳直接加入到水泥基材料中的研究[4,5]较少。因此本试验将二氧化碳以干冰形式加入水泥中，探究干冰对普通硅酸盐水泥物理性能的影响。
1.1 原材料
⑴水泥：普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），山东山水水泥集团生产。
⑵砂子：普通河砂，细度模数2.5。
⑶水：城市自来水，水温(20±2）℃。
⑷干冰：3mm 颗粒状。
1.2 试验方法
⑴凝结时间、扩展度及强度测试。
凝结时间：按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。
净浆扩展度：按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。
水泥强度：按照GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行。
⑵微观测试。
利用S-4800 扫描电子显微镜观察加入干冰的1d净浆试样的微观结构。
利用Empyrean X 射线衍射仪对加入干冰的28d 净浆试样进行测试。
2.1 流动度
干冰对水泥流动度的影响如图1 所示。由图1 可见，干冰掺量增加，水泥流动度先增大后减小。当干冰掺量为0.2%时，水泥流动度最大。以干冰掺量为0%作为基准组。当干冰掺量为0.2%、0.4%、0.8%时，流动度较基准组增大了3.16%、1.90%、1.27%；
干冰掺量为1.2%、1.6%、2.0%时，流动度较基准组减小了3.80%、8.86%、17.72%。
这是由于干冰的加入，加速了早期钙矾石的形成，特别是当其掺量大于0.6%后加速效果更显著[5]。干冰加入后体系温度降低，阻碍了净浆流动度，且钙矾石交叉生成，形成骨架结构，共同作用下水泥浆体流动度下降。
2.2 凝结时间
干冰对水泥凝结时间的影响如图2 所示。由图2 可见，加入干冰后，水泥凝结时间总体呈延长趋势。但在过程中存在略微降低情况。以干冰掺量为0%作为基准组，随干冰掺量的的增加，初凝、终凝时间较基准组延长，在掺量为0.6%时，初凝时间显著缩短，为254min，较基准组降低2.68%。当掺量为1.5%时，初凝、终凝时间均最长，较基准组延长16.86%和14.86%。当掺量为0%时，终凝时间最短，为323min。
这是由于干冰的加入会阻碍C3S 的早期水化，并随掺量的增多，效果越明显，因此凝结时间呈逐渐增长趋势[5]。同时，由于AFt 会转化为单硫铝酸钙(AFm)，但随着干冰的加入，干冰在一定程度上阻止了AFt 向AFm 的转化[5]。因此凝结过程中存在凝结时间略微降低情况。
2.3 力学性能
水泥胶砂的抗压强度由图3 所示。由图3 可见，随干冰掺量增加，水泥胶砂的3d 抗压强度略微降低；
7d、28d 抗压强度先增大后减小，随着龄期增长，水泥胶砂强度逐渐增大。当干冰掺量为0.8%时，水泥胶砂3d 抗压强度最低，为24.40MPa，较基准组降低5.02%。当干冰掺量在0%～1.0%时，水泥胶砂7d 强度逐渐增加，掺量大于1.0%时，抗压强度逐渐减小。干冰掺量为1.0%时的7d 抗压强度最大，为35.88MPa，较基准组提高7.55%。当干冰掺量为0%～0.6%时，水泥胶砂28d 强度逐渐增大，掺量大于0.6%时，强度逐渐减小。干冰掺量为0.6%时的28d 抗压强度最大，为46.89MPa，较基准组提高6.45%。
2.4 微观分析
2.4.1 XRD 分析
试样XRD 分析结果如图4、图5 所示。由图4 可见，未掺入干冰的水泥净浆28d 试样衍射图谱中存在明显的钙矾石、氢氧化钙及水化硅酸钙的衍射峰。此外衍射图谱中也看到一定量的碳酸钙生成。由图5 可见，在掺入干冰后，28d 的衍射图谱中显示出钙矾石以及碳酸钙随干冰的加入而增加；
氢氧化钙及水化硅酸钙的衍射峰也出现降低情况。说明干冰的掺入，改变了硅酸盐水泥28d 的水化作用。同时干冰也与水化产物中的氢氧化钙及水化硅酸钙反应生成一定量的碳酸钙，进而在一定程度上改变了硅酸盐水泥的物理性能。
2.4.2 SEM 分析
试件SEM 扫描电镜结果如图6、图7 所示。由图6可见，未掺入CO2的水泥净浆试样在水化初期，内部有部分絮凝状的水化产物生成。由图7 可见，加入2%干冰的水泥净浆试样内部虽也已生成部分絮凝状水化产物，但整体结构相较基准组疏松，且有更大空隙。这是由于加入过大掺量的干冰阻碍了C3S 的早期水化以及AFt的早期形成。同时也可能由于气体引入，影响水泥早期絮状搭接的形成，进而影响了早期水化进程以及力学性能。
⑴随着干冰掺量的增加，加快了钙矾石的早期形成，但当掺量过大后，则不利于钙矾石的早期形成，因此水泥流动度先增大后减小。干冰掺量为0.2%时，水泥净浆的流动度高于其他组。
⑵干冰掺入后，水泥凝结时间随掺量增加而逐渐延长。当掺量为1.5%时，初凝、终凝时间均最长。
⑶随着干冰掺量的增加，干冰会与C3S 的水化产物Ca (OH)2及水化硅酸钙反应生成碳酸钙，进而阻碍C3S的水化。因此水泥胶砂3d 抗压强度降低；
7d、28d 抗压强度先增大后减小。当干冰掺量为1.0%时，7d 强度高于其他试验组；
当干冰掺量为0.6%时，28d 强度高于其他试验组。
