礦物摻合料對水泥基材料化學收縮與光譜性能的影響

吳福飛，董雙快，趙振華，吳發(fā)銀，陳榮妃

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礦物摻合料對水泥基材料化學收縮與光譜性能的影響

吳福飛，董雙快，趙振華，吳發(fā)銀，陳榮妃

（貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴陽 550025）

為了研究礦物摻合料對水泥基材料收縮性能的影響規(guī)律，對不同礦物摻合料（鋰渣、粉煤灰、鋼渣）、不同摻量（20%和60%）、不同水膠比（0.30和0.40）下水泥基材料的化學收縮和光譜特性進行研究，同時分析化學收縮與漿體中官能團之間的相關性。結(jié)果表明：水泥基材料的化學收縮大致可以分為加速階段、變緩階段和平緩階段且可采用雙曲線模型來擬合，相關系數(shù)在0.98以上。礦物摻合料等質(zhì)量替代水泥后，水膠比為0.40且摻量為20%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最大化學收縮分別約為純水泥漿體的81.2%、97.2%和91.0%，摻量由20%增加至60%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最大化學收縮分別降低了1.9%、1.8%和5.0%?？梢娝?粉煤灰漿體的化學收縮最大，水泥-鋼渣漿體的化學收縮次之，水泥-鋰渣漿體的化學收縮最小。4種水泥基材料的波譜相似，均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1為主要的特征峰，其中水泥基材料的化學收縮受波數(shù)1 124、3 451、1 418、978、3 647 cm-1的影響較大。該研究可為礦物摻合料在混凝土中的合理選用提供依據(jù)。

礦物；水泥；材料；水膠比；摻合料；化學收縮；光譜特性

0 引 言

礦物摻和料中通常含有SiO2和Al2O3，其中具有潛在活性的部分能參與二次水化反應[1-2]，降低水泥水化CH的含量，提高混凝土的體積穩(wěn)定性。目前，常見的礦物摻合料有硅粉、礦粉、鋰渣、粉煤灰、沸石粉、鋼渣、煤矸石、石灰石等，其中硅粉、礦粉、鋰渣的活性相對較好，粉煤灰和沸石粉次之，鋼渣、煤矸石、石灰石等相對較差。文獻[3]發(fā)現(xiàn)，適量的礦粉、石灰等質(zhì)量替代水泥后能改善混凝土的力學性能，但主要取決于摻合料對界面過渡區(qū)孔結(jié)構(gòu)在100 nm以上的優(yōu)化情況。即使在其他的摻合料中仍然存在類似的規(guī)律，如張成中等[4]采用粉煤灰摻量、礦渣摻量、煤矸石等質(zhì)量替代水泥后能改善混凝土的碳化性能；吳福飛等[5]發(fā)現(xiàn)礦渣粉能水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)和抗硫酸鹽侵蝕性能；Chinaaprasirt等[6]通過試驗發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的活性雖不如礦渣，但也能改善水泥基材料的抗侵蝕性能和干燥收縮；李華等[7]進一步證實了常見礦物摻合料對水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用；信玉良等[8]發(fā)現(xiàn)鋼渣顆粒和鋼渣粉摻入也能改善混凝土的抗沖磨性能；董作超等[9-11]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石既能改變混凝土的力學性能和水化產(chǎn)物，也能細化混凝土的孔結(jié)構(gòu)；崔自治等[12]研究得出鎂渣也能在一定程度上改善混凝土的干燥收縮性能。除此之外，文獻[13-14]發(fā)現(xiàn)，礦物摻合料等質(zhì)量替代水泥，還能改變最終水化產(chǎn)物的含量和孔隙率。因此，礦物摻和料等質(zhì)量替代水泥后，既能改善混凝土的性能，也能達到節(jié)約資源和保護環(huán)境的目的，同時也在一定程度降低了混凝土的成本，因此成為了國內(nèi)外學者研究的熱點問題。

過去幾十年的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土開裂的主要原因由其體積變化引起[15-17]，這在一定程度上影響了混凝土的耐久性?；炷镣ǔＳ赡z凝材料、水、粗細骨料等組成，因此，混凝土開裂的原因主要由漿體的體積變化引起，其中化學收縮是影響漿體體積變化的主要因素。目前，針對礦物摻合料對漿體化學收縮和光譜特性影響的研究相對較少，且未系統(tǒng)地探索礦物摻和料對漿體化學收縮和光譜特性變化規(guī)律差異性的影響，未明確漿體的化學收縮與光譜特性官能團之間的相關性，因此探討礦物摻合料對漿體化學收縮和光譜特性的影響規(guī)律及其相關性是非常有必要的。本研究以鋰渣、粉煤灰、鋼渣為研究對象，探索不同礦物摻合料和摻量、水膠比對漿體化學收縮和光譜特性的影響，分析漿體化學收縮的變化規(guī)律，建立化學收縮的預測模型，探索光譜特性的變化規(guī)律，計算特征峰的相對強度，并通過SPSS軟件分析漿體化學收縮與光譜特性之間的相關性。通過研究，以期為鋰渣、粉煤灰、鋼渣在混凝土工程中使用提供理論支撐，同時改善混凝土的化學收縮。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥（C）采用中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產(chǎn)的42.5（P.Ⅰ）基準水泥；鋰渣（Li）采用鋰鹽廠的烘干鋰渣；粉煤灰（Fa）采用葦湖梁電廠收集加工的Ⅰ級粉煤灰；鋼渣（Ss）采用寶鋼集團的磨細鋼渣微粉?；鶞仕嗪?種礦物摻合料（鋰渣、粉煤灰和鋼渣）的比表面積分別為380、400、430和453 m2/kg，密度分別為3.10、2.48、2.68和3.53 g/cm3，化學成份如表1所示。

表1 原材料的化學成分

Note: Na2Oeq = Na2O+0.658K2O.

1.2 試驗設計

文獻[1,5,14]研究表明，粉煤灰、鋰渣和鋼渣在長齡期時，摻量在20%時混凝土的力學性能與純水泥混凝土基本相當；文獻[18]發(fā)現(xiàn)鋰渣的摻量超過60%時，由于SO3含量過高導致漿體有“速凝”現(xiàn)象，不利于混凝土的制備。因此，本文設計摻量（質(zhì)量分數(shù)）分別為20%和60%，礦物摻合料種類為粉煤灰、鋰渣和鋼渣，分析摻合料摻量和種類對混凝土性能的影響。文獻[19-20]的研究結(jié)果：1 g水泥水化需水0.24 g，高性能混凝土時水膠比通常不大于0.42，基于此本文選擇水膠比為0.3和0.4，具體設計方案見表2。

表2 水泥與礦物摻合料的比例設計

注： “0.3C”中0.3表示水膠比，C表示水泥；“0.3Li2”中0.3表示水膠比，Li表示鋰渣，2表示摻量為20%；Fa表示粉煤灰，Ss表示鋼渣。其余以此類推。

Note: “0.3” presented the ratio of water–binder and “C” presented cement in “0.3C”; “0.3” presented the ratio of water–binder, “Li” presentedlithium slag and “2” presented the content was 20% in “0.3Li2”; “Fa” presented fly ash and “Ss” presented steel slag. The rest may be deduced by analogy.

1.3 試驗方法

化學收縮的測試：試驗時按照表2所示的原材料比例設計，分別將成型的純水泥漿體、水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體置于250 mL的洗瓶中，裝滿水、置于恒溫水槽（溫度為：(20±1)℃）中，并按圖1的測試流程與原理進行化學收縮的測試。

圖1 化學收縮的測試流程與原理圖

光譜性能的測試：試驗時按照表2所示的原材料比例設計，分別將成型的水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體置于10 mL的離心管中，擰緊蓋后送入養(yǎng)護室中（溫度為(20±1)℃，濕度≥95%）養(yǎng)護28 d，之后，將其破碎、浸泡在無水乙醇中24 h，磨細（過篩0.1 mm）并在65 ℃的烘箱中烘干備用。將磨細的漿體與烘干磨細的KBr按1:200混合均勻、研磨并成片，之后通過WQF-520型傅里葉紅外光譜測試其光譜性能。

1.4 數(shù)據(jù)處理

化學收縮的相對值=V/V×100%，化學收縮的降低率=(V–V)/V，其中V為純水泥漿體的化學收縮，cm3；V為含摻合料漿體的化學收縮，cm3。試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2010和Origin9.1軟件進行計算和繪圖，并通過Origin9.1軟件對漿體吸收峰的相對強度進行分析。通過SPSS20.0統(tǒng)計軟件中一般線性模型的單變量分析，計算Ⅲ型平方和百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻合料對水泥基材料化學收縮的影響

鋰渣、粉煤灰和鋼渣微粉等質(zhì)量替代基準水泥后，其漿體的水化產(chǎn)物含量和體積分數(shù)、抗壓強度指標隨摻合料種類和摻量、水膠比、養(yǎng)護齡期的變化而發(fā)生變化[13]，3種含礦物摻合料漿體的水化熱比純水泥漿體要低[21-22]，這有利于抑制水泥基漿體或混凝土的體積收縮，提高混凝土的服役年限。水膠比、摻合料種類和摻量、養(yǎng)護齡期對水泥基漿體化學收縮的影響規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，水膠比、礦物摻合料種類和摻量、養(yǎng)護齡期對水泥基漿體化學收縮的影響規(guī)律不盡相同，養(yǎng)護齡期從0增加到1 000 h時，4種水泥基漿體的化學收縮逐漸增大，尤其在60～600 h之間的變化較大，之后趨于平緩，但基本可分為3個階段。第1階段（加速階段），在100 h以內(nèi)，4種水泥基漿體的化學收縮值增長較快，基本呈直線增長的趨勢。第2階段（變緩階段），在100～700 h，4種水泥基漿體的化學收縮值增長速率變慢。第3階段（平緩階段），在700 h之后，4種水泥基漿體的化學收縮值變化較小，個別樣品的化學收縮值基本保持不變。

注：化學收縮值為50 g漿體的測試結(jié)果。

從圖2可知，當水泥基漿體的水膠比為0.40，摻合料摻量為20%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最大化學收縮分別約為水泥漿體的81.2%、97.2%和91.0%；3種摻合料摻量由20%增加至60%，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最大化學收縮分別降低了1.9%、1.8%和5.0%。當水膠比由0.40降低至0.30時，純水泥基漿體的化學收縮約降低了24.4%；3種摻合料摻量為20%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的化學收縮分別降低了32.3%、26.8%、和29.7%。綜合上述的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粉煤灰對水泥基漿體化學收縮的影響最大，鋼渣的影響次之，鋰渣的影響最小，這主要與膠凝材料的礦物組成和活性有關，從文獻[13]的研究發(fā)現(xiàn)，3種摻合料的活性大小順序為鋰渣＞粉煤灰＞鋼渣，除此之外，鋰渣含有6.28%的SO3，與水泥水化產(chǎn)物CH生成CaSO4進一步生成AFt[23-24]，進而增大水泥基漿體的體積，因此水泥-鋰渣漿體化學收縮相對較小。由于鋼渣活性較小，僅有極少部分參與二次水化，大部分顆粒起著填充作用，阻礙水泥基漿體的化學收縮。粉煤灰的活性雖不如鋰渣，但是在水泥水化產(chǎn)物CH的激發(fā)下，粉煤灰顆粒不斷參與二次反應，增大漿體的化學收縮。因此，4種漿體化學收縮的大小順序為水泥基漿體＞水泥-粉煤灰漿體＞水泥-鋼渣漿體＞水泥-鋰渣漿體。在實際工程使用混凝土時，應選擇合適的水膠比、摻合料種類和摻量，減少水泥混凝土開裂的影響因素，提高混凝土的服役年限。

2.2 各膠凝體系化學收縮的預測模型及最終化學收縮

水泥漿體的化學收縮與時間的關系可采用雙曲線模型來擬合[25-26]，見式（1）。

式中CS-t是養(yǎng)護齡期為時刻的化學收縮，mL；CS-total是漿體最終的化學收縮，mL；是水化系數(shù)，與膠凝體系的組成有關，通過雙曲線模型可擬合出值。

將圖2中的數(shù)據(jù)采用雙曲線模型擬合的結(jié)果如表3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用雙曲線模型擬合各膠凝體系化學收縮的相關性較好，相關系數(shù)均在0.98以上，進一步說明了雙曲線模型在各種漿體化學收縮的擬合中具有較好的適用性。因此，對于各種摻入礦物摻和料漿體的化學收縮，建議采用雙曲線模型擬合進行擬合，并進行最終化學收縮的預測。但是其中的水化系數(shù)值依據(jù)水膠比、摻合料種類和摻量分別選取。

表3 化學收縮的雙曲線擬合結(jié)果

注： 表中最終化學收縮值為50 g漿體的測試結(jié)果。

Note: Final chemical shrinkage in table was the results with paste of 50 g.

經(jīng)過雙曲線模型擬合計算，各膠凝體系的最終化學收縮、降低率如表3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在3種摻入摻合料的漿體中，漿體的最終化學收縮值均隨礦物摻合料摻量的增加而降低。水膠比為0.40時，純水泥漿體的最終化學收縮為0.079 4 cm3/g；摻量為20%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最終化學收縮分別為0.071 0、0.079 6和0.079 2 cm3/g；摻量增至60%時，3種漿體的最終化學收縮分別降低了4.5%、3.8%和9.5%。水膠比降低至0.30時，純水泥漿體的最終化學收縮為0.060 4 cm3/g，約比水膠比為0.4時降低了24.0%；當摻量為20%和60%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最終化學收縮分別降低了23.5%和25.2%、0和3.0%、12.9%和18.5%。綜上述，漿體的最終化學收縮受水膠比、礦物摻合料種類和摻量的影響。當水膠比和摻量相同時，以水泥-粉煤灰漿體的最終化學收縮最大，鋼渣次之，鋰渣最小。

2.3 摻合料對水泥基材料光譜特性的影響

3種礦物摻合料種類、摻量對水泥漿體28d光譜特性的影響如圖3所示。

圖3 不同摻合料漿體的光譜特性

由圖3可知，不同礦物摻合料種類、不同摻量、不同水膠比下漿體的波譜帶較為相似，均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1為主要的特征峰[21]。第1個窄而較強的峰（3 647 cm-1）為水泥漿體中CH羥基的伸縮振動波譜[27]；第2個寬且大的波峰3 451 cm-1為CSH的特征波譜；波數(shù)為2 900～3 600 cm-1且漫散區(qū)域的特征峰主要是由于Si原子和Ca原子相連接的羥基（CSH）引起，即為CSH的特征波譜帶之一[28]。波數(shù)為2 843 cm-1和2 397 cm-1的特征峰主要是由O－H伸縮振動引起的波譜，O－H波譜的彎曲振動峰在1 418 cm-1，這表明了CSH凝膠中含有一定量的吸附水[29]。波數(shù)為2 361 cm-1的特征峰可能是樣品在研磨過程中被氧化，即C－O伸縮振動引起的波譜所致[30]。波數(shù)為1 651 cm-1的特征峰主要是由于水泥漿體中石膏（CaSO4·2H2O）含有結(jié)晶水以O－H形式存在引起的波譜[31]。波數(shù)為1 260 cm-1的波譜主要由CO32-的不對稱伸縮振動引起[32]；波數(shù)為1 124 cm-1左右的吸收帶主要由SO42-的不對稱伸縮振動形成AFt所致[33]。波數(shù)為400～1 000 cm-1主要是由于[SiO4]的不對稱伸縮振動所致[34]；其中波數(shù)為850～1 000 cm-1的波峰由Si－O所引起，因此，不難發(fā)現(xiàn)波數(shù)為978 cm-1的波峰可描述CSH的特征[34]。波數(shù)為876 cm-1是由[AlO4]的不對稱伸縮所致[35]；波數(shù)為676 cm-1主要由O－Si－O伸縮振動引起；波數(shù)為451 cm-1由Si－O－Si伸縮振動引起[36-37]。

從圖3可知，當水膠比為0.40，礦物摻合料摻量為20%時，水泥-粉煤灰漿體、水泥-鋼渣漿體、水泥-鋰渣漿體在波數(shù)3 647、1 651、1 418、978 cm-1的特征峰相對較強，可據(jù)此推測出水化產(chǎn)物CSH、CH和AFt的含量受礦物摻合料種類的影響，其中AFt的含量受鋰渣的影響較大，主要是鋰渣中的SO3通常以CaSO4·2H2O的形式存在，與CH形成AFt所致。當水膠比降至0.30，礦物摻合料摻量摻量為20%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-鋼渣漿體和水泥-粉煤灰漿體在波數(shù)3 647 cm-1的特征峰相對較強，波數(shù)在2 937、1 418、978 cm-1特征峰的變化相對平緩。說明水化產(chǎn)物CH的含量隨水膠比降低而明顯降低，但是CSH中吸附水的含量卻不斷增多。當水膠比為0.40，摻量增至60%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體在波數(shù)為3 647 cm-1的特征峰不斷減弱，說明礦物摻合料的摻量對水化產(chǎn)物CH含量的影響明顯；水膠比降至0.30時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體在波數(shù)為2 937 cm-1特征峰的變化相對明顯，特別是水泥-鋰渣漿體和水泥-粉煤灰漿體在波數(shù)為1 124 cm-1的特征峰變化較為明顯，進一步說明了這兩種漿體中AFt的含量相對較大，尤其以水泥-鋰渣漿體中AFt的含量較高。

2.4 水泥基材料特征峰的相對強度

為了明確純水泥漿體和含3種礦物摻合料水泥基漿體結(jié)構(gòu)中官能團的差異性，采用Origin9.1軟件計算了不同水膠比、不同摻合料種類、不同摻量下各官能團主要吸收峰的相對強度，結(jié)果如表4所示。水膠比為0.40時，波數(shù)為3 647 cm-1特征峰的相對強度隨礦物摻合料摻量從0增至60%時呈先增大后減小的規(guī)律，當?shù)V物摻合料摻量為20%時特征峰的相對強度達到最大值且高于純水泥漿體；其余各漿體特征峰的相對強度也在礦物摻合料摻量為20%時達到最大值，但在3種礦物摻合料中其變化規(guī)律不盡相同。當?shù)V物摻合料摻量為60%時，各主要特征峰的相對強度均低于純水泥漿體，且在3種礦物摻合料中均呈現(xiàn)一致的規(guī)律。在表4中，摻量為60%的水泥-鋰渣漿體在波數(shù)為1 418 cm-1特征峰的相對強度低于純水泥漿體外，其余各特征峰的相對強度均高于純水泥漿體；水泥-粉煤灰漿體除波數(shù)為451 cm-1特征峰的相對強度均高于純水泥漿體外，其余各特征峰的相對強度在摻量為20%時均高于純水泥漿體，摻量增至60%時，各特征峰的相對強度低于純水泥漿體；水泥-鋼渣漿體除波數(shù)為3 451、1 651、1 418 、978和451cm-1特征峰的相對強度高于純水泥漿體外，其余各特征峰的相對強度基本表現(xiàn)出低于于純水泥漿體的趨勢。

水膠比為0.30時，3種漿體在波數(shù)為3 647 cm-1特征峰的相對強度隨礦物摻合料摻量從0增至60%時表現(xiàn)出減弱的趨勢，且均低于純水泥漿體，但其余各特征峰相對強度的變化不盡相同。在表4中，水泥-鋰渣漿體除波數(shù)為1 418和2 937 cm-1特征峰的相對強度低于純水泥漿體外，其余各特征峰的相對強度均高于純水泥漿體；水泥-粉煤灰漿體在波數(shù)為2 937 cm-1特征峰的相對強度低于純水泥漿體，波數(shù)為3 451、2 361和1 418、1 124和978cm-1特征峰的相對強度隨礦物摻合料摻量的增加呈現(xiàn)出先減弱后增強的變化趨勢，且摻量為60%時和波數(shù)為451 cm-1特征峰的相對強度均高于純水泥漿體；水泥-鋼渣漿體除波數(shù)為3 451、1 651和1 418 cm-1特征峰的相對強度均高于純水泥漿體外，其余特征峰存在相反的變化趨勢。綜上述，鋰渣、粉煤灰和鋼渣對漿體光譜特性的影響規(guī)律不同，主要對波數(shù)為3 647、3 451、1 651、1 418、1 124 cm-1的影響較大。

表4 不同波數(shù)下4種漿體特征峰的相對強度

2.5 化學收縮與官能團主體間效應檢驗的Ⅲ型平方和

為了明確4種化學收縮與漿體官能團特征峰主體間效應檢驗Ⅲ型平方和百分比，通過 SPSS20.0 統(tǒng)計軟件中一般線性模型的單變量分析，將特征峰峰值輸入，計算出4種漿體化學收縮主體間效應檢驗Ⅲ型平方和百分比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其影響大小排序為1 124 cm-1(0.286%)>3 451cm-1(0.247%)>1 418 cm-1(0.149%)>978 cm-1(0.173%)>3 647 cm-1(0.128%)>451 cm-1(0.067%)>1 651 cm-1(0.019%)>2 937 cm-1(0.001%)=2 361 cm-1(0.001%)。發(fā)生上述現(xiàn)象的原因主要是CaSO4·2H2O中的SO42-與CH形成AFt（波數(shù)為1 124 cm-1）致使體積膨脹，阻礙了漿體的收縮。另外，由于礦物摻合料不同，其摻與反應的程度也不同，形成的CSH中Si原子和Ca原子（波數(shù)為3 451 cm-1）之比也有所不同，因此，其漿體的化學收縮也不同。CSH（波數(shù)為978 cm-1）凝膠一般含有一定量的吸附水（波數(shù)為1 418 cm-1），當其失水將會影響漿體的化學收縮。除此之外，波數(shù)為3 647 cm-1的羥基主要是漿體中的CH所致，與CaSO4·2H2O中的SO42-形成AFt，波數(shù)為451 cm-1的Si－O－Si也會影響CSH結(jié)構(gòu)，進而也在一定程度上影響了漿體的化學收縮。波數(shù)為1 651 cm-1是CaSO4·2H2O中的結(jié)晶水；波數(shù)為2 397 cm-1的特征峰主要是水中O－H伸縮振動引起，由于化學收縮在測試表面覆蓋一層水分，因此對漿體化學收縮的影響甚小。波數(shù)為2 361 cm-1是C－O伸縮振動引起，因此對漿體化學收縮的影響更小。綜合上述的分析發(fā)現(xiàn)：漿體中各官能團特征峰對化學收縮的影響因素主要是1 124、3 451、1 418、978和3 647 cm-1。

3 結(jié) 論

1）純水泥漿體和含礦物摻合料水泥基漿體的化學收縮大致可以分為3個階段，即加速階段（100 h以內(nèi)）、變緩階段（100～700 h）、平緩階段（700~1 000 h）。4種漿體的化學收縮均可采用雙曲線模型來擬合，相關系數(shù)均在0.98以上。

2）礦物摻合料替代水泥后，降低了膠凝材料的水化熱，進而降低復合膠凝材料的化學收縮。水膠比為0.40，礦物摻合料摻量由20%增至60%時，水泥-鋰渣漿體、水泥-粉煤灰漿體和水泥-鋼渣漿體的最終化學收縮分別降低了4.5%、3.8%和9.5%。水膠比降低至0.30，純水泥漿體的最終化學降低了24.0%；礦物摻合料摻量為20%和60%時，3種漿體的最終化學收縮分別降低了23.5%和25.2%、0和3.0%、12.9%和18.5%。當水膠比和摻量相同時，粉煤灰對水泥基漿體化學收縮的影響最大，鋼渣的影響次之，鋰渣的影響最小。

3）4種漿體的波數(shù)均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1為主要特征峰，但受礦物摻合料種類、摻量、水膠比的影響，導致其特征峰的變化規(guī)律不盡相同。計算發(fā)現(xiàn)，漿體的化學收縮受波數(shù)為1 124、3 451、1 418、978、3 647 cm-1特征峰的影響較大。

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Effect of mineral admixture on chemical shrinkage and spectral properties of cement-based materials

Wu Fufei, Dong Shuangkuai, Zhao Zhenhua, Wu Fayin, Chen Rongfei

(,550025,)

Chemical shrinkage of cement paste could result in the crack of concrete, which affects the volume stability and durability of concrete. In order to reduce the shrinkage performance of concrete, this paper discusses the effect of common mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag) on the chemical shrinkage and the spectral characteristics of cement paste, and analyzes the correlation between the chemical shrinkage of cement paste and the functional groups in cement paste. The results are as follows:The chemical shrinkage of pure cement paste and cement paste containing mineral admixtures (lithium slag, fly ash, steel slag) can be roughly divided into 3 stages, namely the acceleration phase (within 100 h), slow phase ( in 100-700 h), and flat stage (after 700 h). When the ratio of water-binder is 0.40 and the admixture dosage is 20% for 3 kinds of admixture, the chemical shrinkages of cement-lithium slag, cement-fly ash and cement-steel slag paste are 81.2%, 97.2% and 91.0%, respectively, and they are reduced by 1.9%, 1.8% and5.0% when admixture content increases from 20% to 60%, respectively. The chemical shrinkages of cement, cement-lithium slag, cement-fly ash and cement-steel slag paste are 24.4%, 32.3%, 26.8% and 29.7% respectively when the ratio of water-binder reduces from 0.40 to 0.30 and the admixture content is 20%. The chemical shrinkage of 4 kinds of paste can be fitted with hyperbolic model, and the correlation coefficients are above 0.98. So, hyperbolic model can be used to predict the final chemical shrinkage of cement paste, but the hydration coefficient value can be chosen according to the ratio of water-binder, and kind and dosage of admixture. The chemical shrinkage and hydration heat are lowered when cement is replaced by the same quality lithium slag, fly ash or steel slag, and the chemical shrinkage of cement-fly ash paste is the biggest, followed by the chemical shrinkage of cement-steel slag paste, and the chemical shrinkage of cement-lithium slag paste is the minimal, which is lower than that of pure cement paste. In addition, water-binder ratio also affects the chemical shrinkage of cement paste and the effect of water-binder ratio is higher than lithium slag, fly ash and steel slag. The spectral characteristic of cement paste is affected by mineral admixture type, dosage of mineral admixture and water-binder ratio, but their influence is not the same, mainly due to the different chemical composition in lithium slag, fly ash and steel slag. The main characteristic peaks of pure cement paste and cement paste containing mineral admixtures (lithium slag, fly ash, steel slag) are 3 647, 2 937, 3 451, 1 651, 2 361, 1 124, 1 418, 451 and 978 cm-1. Through the analysis of the general linear single variable model in SPSS 20.0 statistical software, it is found that the chemical shrinkage of cement paste can be affected by functional groups in the cement paste, and the effect is bigger when the wave number is 1 124, 1 418, 3 451, 3 647 and 978 cm-1. Through the study, it is found that after the same quality mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag) is used to replace cement, the chemical shrinkage of cement paste can be effectively reduced, and the spectral properties of cement paste can be changed. Therefore, the mineral admixture can be chosen according to the situation of the mineral admixture in actual engineering, so as to enhance the volume stability and durability of cement concrete with mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag).

minerals; cement; materials; water-binder ratio; admixtures; chemical shrinkage; spectral characteristics

2017-09-11

2018-01-05

貴州師范大學2016年博士科研啟動項目（0517073）；國家自然科學基金（51541909）；國家高等學校博士點專項科研基金（20106504110005）

吳福飛，博士，副教授，從事現(xiàn)代水泥混凝土材料與固體廢棄物處理技術及生態(tài)環(huán)境材料的教學與科研工作研究。Email：tmgc@gznu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021

TU528.01

A

1002-6819(2018)-04-0177-08

吳福飛，董雙快，趙振華，吳發(fā)銀，陳榮妃. 礦物摻合料對水泥基材料化學收縮與光譜性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(4)：177－184.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021 http://www.tcsae.org

Wu Fufei, Dong Shuangkuai, Zhao Zhenhua, Wu Fayin, Chen Rongfei. Effect of mineral admixture on chemical shrinkage and spectral properties of cement-based materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 177－184. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021 http://www.tcsae.org