硫鋁酸鹽水泥基快硬混凝土改性試驗研究

呂磊，衛(wèi)振海

（國防大學 聯(lián)合勤務學院聯(lián)合后勤保障系，北京 100089）

0 引言

硫鋁酸鹽水泥基快硬混凝土是以硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料的一種高性能快硬混凝土，具有早期強度高、微膨脹性、耐久性好、成本低和施工快捷等優(yōu)點。目前，已應用于工程搶修施工中，并取得較好效果[1-3]。研究開發(fā)高性能硫鋁酸鹽水泥基快硬混凝土材料，為機場道面搶修等搶修工程提供必要的試驗支持，可有效縮短搶修時間，提高綜合性能，具有一定的學術(shù)研究和工程應用價值。本研究通過添加復合摻合料和聚丙烯纖維對硫鋁酸鹽水泥基快硬混凝土進行改性，配制多組改性快硬混凝土試件，分別進行各齡期的抗壓、抗折強度試驗，并將其與未改性的快硬混凝土試件進行對比，研究復合摻合料、聚丙烯纖維對快硬混凝土力學性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）快硬硫鋁酸鹽水泥：河北唐山市生產(chǎn)的42.5級六九快硬硫鋁酸鹽水泥，比表面積480 m2/kg，pH值為9，28 d自由膨脹率為0.12%，初凝時間35 min，終凝時間160 min。

（2）粉煤灰：徐州電廠產(chǎn)的Ⅱ級低鈣粉煤灰，其主要性能指標如表1所示。

表1 粉煤灰的主要性能指標

（3）硅灰：北京德昌偉業(yè)公司產(chǎn)，平均粒徑0.15 μm，密度1600 kg/m3，比表面積 23 m2/g。

（4）聚丙烯纖維：徐州億利達化工有限公司生產(chǎn)，主要性能指標如表2所示。

表2 聚丙烯纖維的主要性能指標

（5）減水劑：北京德昌牌聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，固含量40%；促硬劑：四川成都山城建輔防水材料廠生產(chǎn)，SC型硫鋁酸鹽水泥專用早強劑。

（6）砂：河砂，Ⅱ區(qū)中砂，堆積密度1540 kg/m3，表觀密度2650 kg/m3，空隙率為42%，含水率為0.3%，細度模數(shù)2.7；石：采自徐州九里山采石場，5～20 mm連續(xù)級配石灰質(zhì)碎石，表觀密度2730 kg/m3，堆積密度 1650 kg/m3。

1.2 試驗設備

采用濟南試金集團有限公司生產(chǎn)的YES-2000C壓力試驗機測試抗壓強度，精度不低于±2%；采用上海益環(huán)儀器有限公司生產(chǎn)的YHS-WAW-1000B萬能試驗機測試抗折強度。

1.3 試驗方案

1.3.1 復合摻合料影響試驗

本試驗把粉煤灰和硅灰復合摻加到硫鋁酸鹽水泥基快硬混凝土中，研究其對快硬混凝土力學性能的影響，達到優(yōu)化快硬混凝土力學性能的目的。

根據(jù)相關文獻[4-5]，試驗以硅灰與粉煤灰質(zhì)量比7∶3配制復合摻合料。試驗設計復合摻合料等質(zhì)量取代硫鋁酸鹽水泥，取代量分別為10%、15%、20%、25%，另設不含復合摻合料的基準組，試驗配比見表3。抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，試驗齡期為 4 h、1 d、28 d。

表3 復合摻合料影響試驗配比 kg/m3

1.3.2 聚丙烯纖維影響試驗

聚丙烯纖維具有強度高、延性好、耐久性優(yōu)良和價格低廉等特點。本節(jié)試驗在前面復合摻合料試驗的基礎上進行，主要研究聚丙烯纖維體積摻量對快硬混凝土力學性能的影響，試驗具體配比見表4。試驗齡期為4 h、1 d、28 d。

表4 聚丙烯纖維摻量影響試驗配比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 復合摻合料對快硬混凝土力學性能的影響（見表5）

表5 復合摻合料對快硬混凝土力學性能的影響

由表5可見：

（1）復合摻合料摻量為10%的A-1試件，其4 h抗壓強度較基準組A-0試件有小幅上升，提高了7.7%；復合摻合料摻量為 15%、20%、25%的 A-2、A-3、A-4試件 4 h抗壓強度較A-0試件分別降低2.9%、12.9%、29.4%。快硬混凝土中摻入復合摻合料后，其早期抗壓強度先提高后降低。造成該結(jié)果的原因是，硫鋁酸鹽水泥水化過程中，氫氧化鈣含量低，摻合料不能發(fā)揮火山灰效應，此時復合摻合料主要發(fā)揮微集料效應和形態(tài)效應。低水灰比時，快硬混凝土中的孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)有效改善，混凝土整體比較密實，復合摻合料等量取代水泥后，微集料效應和形態(tài)效應的填充作用，對密實度的提高效果有限，使混凝土早期抗壓強度出現(xiàn)小幅上升。如果摻量較高，超過15%后，取代的硫鋁酸鹽水泥量過多，則水化反應不充分，造成此時的試件強度不如基準組。綜上所述，少量摻合料（占膠凝材料總量的10%）對早期抗壓強度增長有利，且可以降低水化熱，但摻量超過15%后，早期抗壓強度出現(xiàn)下降趨勢。

（2）A-1試件的4 h抗折強度與基準組A-0一致，而A-2、A-3、A-4試件的4 h抗折強度較A-0試件分別下降4.9%、22.0%、29.3%。復合摻合料摻量超過15%后，快硬混凝土的早期抗壓、抗折強度均出現(xiàn)下降趨勢，在此范圍內(nèi)復合摻合料摻量與混凝土的抗折強度呈負相關。當復合摻合料摻量為10%時，早期抗折強度沒有變化，這與抗壓試驗結(jié)果不同。此時復合摻合料主要發(fā)揮微集料效應，提高整體的密實度，而對材料的彎曲抗拉性能沒有明顯作用，早期抗折強度不會提高，而摻量超過15%后，對快硬混凝土早期抗折強度不利。綜上所述，適量摻合料對于快硬混凝土早期力學性能的改善，主要體現(xiàn)在對抗壓強度的一定幅度提升，但摻合料摻量較大時，快硬混凝土的整體力學性能會下降。

（3）A-1試件的28 d抗壓強度較A-0試件提高了9.1%；A-2試件復合摻合料摻量為15%，其28 d抗壓強度較A-0試件提高13.2%，達到最大值。這說明在快硬混凝土中，適量復合摻合料等量取代硫鋁酸鹽水泥后，能有效提高混凝土的后期抗壓強度。這主要是由于硫鋁酸鹽水泥早期水化反應劇烈，大量的水化物將尚未發(fā)生反應的水泥顆粒包裹起來，不利于混凝土的后期強度提高。復合摻合料中的鋁硅酸鹽玻璃微珠、海綿狀玻璃體減緩了水化反應速度，水泥顆粒被水化物粘聚的情況減少，水泥顆粒在拌合物中的分布更加均勻，水化反應更加充分，有利于混凝土長期硬化過程，可以明顯增強后期結(jié)構(gòu)硬度，彌補早期強度損失。但復合摻合料摻量為25%的A-4試件，其28 d抗壓強度較A-0試件稍有降低，這是因為此時水泥用量偏低，水化反應規(guī)?？s小，早期強度損失嚴重，已不能通過后期結(jié)構(gòu)改善得到彌補。

（4）各組試件的28 d抗折強度變化規(guī)律與28 d抗壓強度一致。復合摻合料摻量為10%的A-1試件，其28 d抗折強度超過了基準組A-0試件。A-2試件，其早期抗折強度雖然略低于基準組A-0試件，但后期增長較快，28 d抗折強度已超過了基準組A-0試件，并達到峰值，說明復合摻合料摻入同樣有利于快硬混凝土后期抗折強度發(fā)展。

以上分析表明，復合摻合料對快硬混凝土力學性能的改善主要體現(xiàn)在早期抗壓強度，以及后期抗壓、抗折強度的提高，對于早期抗折強度沒有幫助。在快硬混凝土中加入復合摻合料時，摻量不大于膠凝材料總量的10%比較適宜，既可以在不影響早期抗折強度的條件下小幅提高早期抗壓強度，又能明顯提高28 d強度。

2.2 聚丙烯纖維對快硬混凝土力學性能的影響（見表6）

表6 聚丙烯纖維對快硬混凝土力學性能的影響

由表6可見：

（1）B-1、B-2試件與B-0試件比較，4 h抗壓強度相差不大；B-3、B-4試件的4 h抗壓強度較B-0試件分別降低了11.0%、30.8%，下降較明顯。可見，當聚丙烯纖維摻量在0～0.2%時，混凝土的早期抗壓強度沒有明顯變化，當聚丙烯纖維摻量超過0.2%后，混凝土抗壓強度出現(xiàn)快速下降。這主要是因為，適量的聚丙烯纖維對混凝土微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，能有效提高混凝土這種典型脆性材料的抗彎拉性能，表現(xiàn)形式為抗折強度的提高。另一方面，當纖維摻量較高時，由于纖維與混凝土微觀結(jié)構(gòu)面的巨大差異，造成了混凝土力學性能的下降。當摻量更高時，甚至會引起混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力集中，表現(xiàn)為抗壓強度的急劇下降。纖維摻量超過0.2%后，纖維在水泥中的分布會變得不均勻，混凝土中產(chǎn)生孔隙，混凝土密實度下降，明顯降低快硬混凝土的早期抗壓強度。

（2）B-1試件中纖維摻量為0.1%，其4 h抗折強度與B-0試件基本持平。摻量低于0.1%時，聚丙烯纖維對混凝土的早期抗折強度未發(fā)生明顯作用。這是因為聚丙烯纖維的彈性模量比較低，且纖維在混凝土中呈亂向分布，因此在混凝土中纖維很難單獨對某一方向形變起到約束作用。當外部荷載比較小，混凝土沒有發(fā)生破壞時，纖維與混凝土共同作用承受外力。混凝土沒有開裂時，纖維形變更大因而對混凝土形變不能起到限制作用。混凝土試件開裂后，纖維開始承受裂縫的傳遞荷載，如果纖維的摻量偏低，單位體積內(nèi)的纖維數(shù)量少，粘結(jié)力小，不能承受傳遞荷載，因此過低摻量的聚丙烯纖維不能提高混凝土的早期抗折強度。B-2試件的4 h抗折強度較B-0試件提高了12.2%，這是因為此時單位體積內(nèi)的纖維數(shù)量增多，提高了粘結(jié)力，纖維在試件的受拉面發(fā)揮作用，需要施加更大地荷載才會發(fā)生拔出破壞，因此混凝土的抗折強度提高。B-3、B-4試件的4 h抗折強度較B-0試件分別降低了9.8%、34.1%，這是因為纖維摻量過高可能會導致混凝土的空隙率提高，從而使得早期抗折強度下降。

（3）B-1、B-2試件與B-0試件比較，28 d抗壓強度相差不大；B-3、B-4試件的28 d抗壓強度較B-0試件分別降低了10.2%、13.3%，下降較明顯。由此可見，適量的聚丙烯纖維對混凝土28 d抗壓強度沒有明顯影響，但纖維摻量超過0.3%時，會引起快硬混凝土的28 d抗壓強度損失。

（4）B-1、B-2、B-3試件的 28 d抗折強度較 B-0試件分別提高7.8%、13.0%、6.5%，聚丙烯纖維的增強效果明顯。聚丙烯纖維摻量偏高的B-4試件，各齡期的強度均低于B-0試件，這是由于纖維摻量較高時，容易在混凝土內(nèi)部形成空隙，從而使得強度降低。

以上分析表明，適量摻入聚丙烯纖維，雖對快硬混凝土早期抗壓強度沒有明顯影響，但能有效提高混凝土的抗折強度，尤其有利于后期抗折強度的增長。其中復合摻合料摻量為10%、聚丙烯摻量為0.2%為最優(yōu)方案，試件的4 h抗壓、抗折強度較基準組A-0試件分別提高了4.4%和12.2%，28 d抗折強度提高了19.2%。

2.3 破壞形態(tài)分析

對比基準組A-0以及復摻10%復合摻合料+0.2%聚丙烯纖維的B-2組快硬混凝土的破壞形式，如圖1所示。

圖1 抗壓試件破壞形式對比

從圖1可以看出，基準組混凝土在進行抗壓試驗后，整體破壞比較嚴重，發(fā)生大面積的碎裂，大塊混凝土剝落，質(zhì)量損失嚴重。而摻加復合摻合料和聚丙烯纖維的試件，其外觀形態(tài)形狀的比較完整，只出現(xiàn)了一些細微裂紋和少許的剝落，此時的破壞形式為膨脹破壞。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于，快硬混凝土內(nèi)部存在著許多微小裂縫，基準組混凝土在受壓時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部以壓應力為主導，同時也產(chǎn)生了次生剪應力和拉應力，各方向的應力共同作用加劇混凝土的破壞。加入聚丙烯纖維后，試件受到外界壓力時，與受壓方向一致的裂縫開始擴張，纖維將對裂縫的生長產(chǎn)生抑制作用，吸收了部分能量。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量分布發(fā)生變化，分布趨于均勻。壓力繼續(xù)增大，混凝土將發(fā)生整體破壞，表現(xiàn)為膨脹破壞。

3 結(jié)論

（1）復合摻合料對快硬混凝土力學性能的改善主要體現(xiàn)在早期抗壓強度，以及后期抗壓、抗折強度的提高。在快硬混凝土中加入復合摻合料時，摻量為膠凝材料總質(zhì)量的10%左右比較適宜，既可以在不影響早期抗折強度的條件下小幅提高早期抗壓強度，又能明顯提高混凝土的28 d強度。

（2）適量摻入聚丙烯纖維，雖對快硬混凝土早期抗壓強度沒有明顯的影響，但能顯著提高混凝土的抗折強度，尤其有利于后期抗折強度的增長。其中復合摻合料摻量為10%、聚丙烯摻量為0.2%時，試件的4 h抗壓、抗折強度較基準組A-0試件分別提高了4.4%和12.2%，28 d抗折強度提高了19.2%。

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