水泥與砂子種類對水泥基材料高溫力學(xué)性能的影響

□文/張文妍 李保璽 曲 烈 康茹茹 馬松濤

國內(nèi)外學(xué)者對混凝土的抗高溫性能進(jìn)行了大量的研究。李清海[1]研究發(fā)現(xiàn)，150℃時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度為常溫強(qiáng)度的128.74%；高于150℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低較慢；600℃時(shí)，水泥石剩余抗壓強(qiáng)度為常溫強(qiáng)度的92%；600℃以后強(qiáng)度明顯下降；950℃時(shí)抗壓強(qiáng)度只有15.48 MPa。曹萬智等[2]研究發(fā)現(xiàn)700℃前用高鋁水泥制備混凝土，其強(qiáng)度比普通水泥混凝土更低，但800℃后強(qiáng)度損失小于普通水泥混凝土。朱晶等[3]研究發(fā)現(xiàn)摻入礦渣有助于提高水泥石的抗高溫性。

陳偉等[4]指出與普通硅酸鹽水泥漿體相比，礦渣硅酸鹽水泥漿體最主要的差別是Ca(OH)2含量與C-S-H的鈣硅比明顯降低；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)摻入磨細(xì)礦渣的水泥石熱膨脹率與純水泥石變化規(guī)律相似，隨著溫度升高水泥石表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，在高溫時(shí)摻入磨細(xì)礦渣水泥石產(chǎn)生收縮較大；原因是磨細(xì)礦渣活性較強(qiáng)，摻入水泥后會(huì)水化形成大量水化凝膠體，高溫作用下水化凝膠體脫去凝膠水導(dǎo)致水泥石較純水泥收縮明顯。蔣玉川等[5]通過試驗(yàn)表明高溫可改變孔隙直徑分布，也會(huì)增大孔隙尺寸。

周立欣等[6]發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)骨料比硅質(zhì)骨料混凝土耐火性更好；有關(guān)文獻(xiàn)[7]研究表明采用硅酸鹽水泥和硅質(zhì)骨料配制的混凝土，當(dāng)溫度高于于350℃，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著降低；鈣質(zhì)骨料和輕骨料配制的混凝土強(qiáng)度在650℃以后才降低。李友群等[8]發(fā)現(xiàn)400℃以內(nèi)石灰石粗骨料混凝土的強(qiáng)度變化幅度不大，在600～800℃后強(qiáng)度衰減明顯。

基于此，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究膠凝材料與骨料類型對水泥基材料高溫力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料

1.1.1 水泥

作為水泥基材料中最主要的膠凝材料，水泥對材料品質(zhì)有很重要的影響，需要嚴(yán)格選用。試驗(yàn)采用了6種水泥，即河北唐山冀東水泥廠“盾石”牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥1，唐山市銀河水泥廠P.O 42.5普通硅酸鹽水泥2，侯臺(tái)裝飾城P.O 42.5普通硅酸鹽水泥3，河南鄭州登峰熔料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的熔融高鋁水泥，河北唐山六九水泥有限公司生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥，河北唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的P.S.A 32.5R礦渣硅酸鹽水泥。利用XRF熒光分析儀對6種水泥的化學(xué)組成進(jìn)行分析，見表1。

表1 6種水泥的化學(xué)成分 %

1.1.2 細(xì)集料

細(xì)骨料選用天然砂和機(jī)制砂。天然砂為河砂；機(jī)制砂是由顎式破碎機(jī)將大顆粒石子破碎后并用4.36 mm方孔篩篩分得到的，所用機(jī)制砂為石灰石機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂、大理石機(jī)制砂、石英石機(jī)制砂。所用細(xì)骨料符合GB 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定的細(xì)集料級(jí)配Ⅱ區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，見表2和表3。

表2 試驗(yàn)用砂的顆粒級(jí)配分布

表3 機(jī)制砂各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 材料制備與試驗(yàn)方法

水泥凈漿配合比（質(zhì)量比）為水∶水泥=0.3∶1；水泥砂漿配合比（質(zhì)量比）為水∶水泥∶砂=0.3∶1∶1。將原料按配比稱量并混合，倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中，攪拌時(shí)間為180 s；將攪拌均勻的砂漿，倒入三聯(lián)模具中，模具尺寸是40 mm×40 mm×160 mm，將模具放至振實(shí)臺(tái)振動(dòng)，然后靜置24 h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行高溫試驗(yàn)。

采用箱式電阻爐，加熱速度為5℃/min，加熱到指定溫度后恒溫2 h，然后自然冷卻至室溫，再進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)，參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同品種水泥凈漿的抗高溫性能

不同品種水泥凈漿抗高溫性見圖1。水泥分別為普通硅酸鹽水泥 1（P1）、普通硅酸鹽水泥 2（P2）、普通硅酸鹽水泥 3（P3）、硫鋁酸鹽水泥（SC）、20%高鋁水泥與普通硅酸鹽水3泥復(fù)合（AC-P3）、高鋁水泥（AC）、礦渣硅酸鹽水泥（A）。

圖1 常溫和600℃高溫后不同品種水泥凈漿抗壓強(qiáng)度

由圖1可以看出：普硅水泥凈漿P3常溫下抗壓強(qiáng)度為70.63 MPa，600℃高溫后抗壓強(qiáng)度為56.29 MPa，抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)為79.69%；硫鋁酸鹽水泥凈漿SC常溫抗壓強(qiáng)度最高為88.93 MPa，但600℃高溫抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)最大，為50.38%；高鋁水泥凈漿AC與高鋁和普通水泥3復(fù)合的水泥凈漿AC-P3常溫和600℃高溫后抗壓強(qiáng)度均較低，說明高鋁水泥AC和高鋁和普通水泥3復(fù)合水泥AC-P3抗高溫性均較差；常溫下礦渣硅酸鹽水泥凈漿A較普通硅酸鹽水泥凈漿P2抗壓強(qiáng)度高些，分別61.4、69.76 MPa，600℃高溫后抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)分別為99.07%、93.36%，抗高溫性能均較高，可能是由于普通硅酸鹽水泥凈漿P2的水泥熟料中礦渣摻量達(dá)到50%以上。礦渣水泥的水化首先是熟料礦物水化，然后生成的氫氧化鈣才與礦渣中的活性氧化硅和活性氧化鋁發(fā)生反應(yīng)生成一些水化產(chǎn)物并釋放出一定熱量和減少易腐蝕成分含量 (氫氧化鈣和鋁酸三鈣)，這些物質(zhì)不僅不會(huì)破壞水泥石的結(jié)構(gòu)，反而提高了水泥石的抗腐蝕性能和耐熱性，故礦渣水泥抗高溫性較好。

2.2 不同細(xì)骨料的水泥砂漿抗高溫性能

不同細(xì)骨料的普通水泥砂漿抗高溫性見圖2。試驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥P3，不同細(xì)骨料砂漿分別為花崗巖機(jī)制砂普通水泥砂漿（PGS）、石灰石機(jī)制砂普通水泥砂漿（PLS）、河砂普通水泥砂漿（PRS）、石英石機(jī)制砂普通水泥砂漿（PQS）。

圖2 不同細(xì)骨料的普通水泥砂漿常溫和600℃高溫后抗壓強(qiáng)度

由圖2可以看出：以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，常溫下細(xì)骨料為花崗巖和石灰石機(jī)制砂配制的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度均較大分別為60.44、64.06 MPa，常溫下河砂和石英石砂漿抗壓強(qiáng)度均較低，分別為42.09、40.75MPa；600℃下細(xì)骨料為花崗巖機(jī)制、石灰石機(jī)制砂、河砂、石英石機(jī)制砂配制的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)分別為60.36%、92.49%、75.15%、57.87%，所以石灰石機(jī)制砂配制的水泥砂漿抗高溫性能最好?？赡茉蚴枪栀|(zhì)骨料在573℃左右石英由α型轉(zhuǎn)為β型，體積膨脹0.85%，導(dǎo)致骨料內(nèi)部形成裂縫。對于鈣質(zhì)骨料（如石灰石）溫度達(dá)到600℃時(shí)變化卻不明顯；因?yàn)楣栀|(zhì)骨料與水泥石的熱膨脹率差值較鈣質(zhì)骨料與水泥石的熱膨脹率差值大，導(dǎo)致水泥砂漿的界面粘結(jié)強(qiáng)度下降。石灰石機(jī)制砂砂漿的抗高溫性最好。

2.3 600℃下水泥石的SEM照片

如圖3所示，在400～600℃范圍內(nèi)，普硅水泥石中C-S-H凝膠分解迅速，Ca（OH）2晶體在547℃左右分解。水泥凈漿裂縫數(shù)量增多，寬度更大，內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩狀的小孔隙，其孔隙率增加至常溫下的4倍左右，孔徑主要以大孔為主；溫度在600～800℃范圍內(nèi)時(shí)，水泥凈漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越疏松，非常明顯的觀察到整個(gè)水泥體系內(nèi)部幾乎密布了蜂窩狀的孔隙。

圖3 礦渣硅酸鹽水泥石的SEM照片

如圖4所示，溫度達(dá)到600℃后礦渣水泥水泥石出現(xiàn)了較多裂縫，但結(jié)構(gòu)仍較致密，孔隙率較常溫時(shí)下降很少。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要是：礦渣水泥主要水化產(chǎn)物是水化凝膠體，高溫下凝膠體脫去大量的凝膠水導(dǎo)致其收縮明顯，但其分解較少，孔隙率較小，所以結(jié)構(gòu)仍較密實(shí)。但礦渣水泥石較普硅水泥石收縮更大。本試驗(yàn)試件尺寸較小，加熱過程中試件內(nèi)部水蒸氣逃逸的路徑較短，承受的溫度梯度較小。

圖4 600℃下普通硅酸鹽水泥石的SEM照片

3 結(jié)論

1）礦渣硅酸鹽水泥相比其他水泥抗高溫性好，其原因是礦渣消解了CH并生成了含熱穩(wěn)定性高的Si、Al化合物。

2）600℃高溫下，相比河砂、花崗巖機(jī)制砂、大理石機(jī)制砂、石英石機(jī)制砂配制的水泥砂漿，石灰石機(jī)制砂砂漿的抗高溫性能最好。因硅質(zhì)骨料在573℃左右石英由α型轉(zhuǎn)為β型，體積膨脹0.85%，導(dǎo)致界面出現(xiàn)較大裂縫，鈣質(zhì)骨料則沒有明顯的變化。硅質(zhì)骨料與水泥石較鈣質(zhì)骨料與水泥石的熱膨脹率差值大，導(dǎo)致水泥砂漿的界面粘結(jié)強(qiáng)度下降。所以鈣質(zhì)骨料較硅質(zhì)骨料制備的砂漿抗高溫性要更好。

3）溫度達(dá)到600℃后礦渣水泥水泥石出現(xiàn)了較多裂縫，但結(jié)構(gòu)仍較致密，孔隙率較常溫時(shí)下降很少，故其抗高溫性更好。