復(fù)摻SAC與粉煤灰改性水泥砂漿強(qiáng)度的研究

石明明，董扣鎖，張 偉

(1.安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，安徽 合肥 238076;2.南京工業(yè)大學(xué) 材料與科學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 211816;3.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

硅酸鹽水泥發(fā)展至今已有100多年的歷史，因其具有原料易得、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在各類基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，硅酸鹽水泥也存在著早期強(qiáng)度較低、凝結(jié)時(shí)間較長等不足，導(dǎo)致不能夠滿足一些特殊工程的要求。硫鋁酸鹽水泥(SAC)作為一種快硬早強(qiáng)型水泥，其與硅酸鹽水泥復(fù)合能夠很好地彌補(bǔ)硅酸鹽水泥的不足，國內(nèi)外已有大量的學(xué)者對其進(jìn)行了研究，取得了一定的成果[1-4]。

I.Janotka[5]將15%的硅酸鹽水泥摻入貝利特硫鋁酸鹽水泥中，與純貝利特硫鋁酸鹽水泥相比，砂漿的強(qiáng)度和彈性模量均有所提高。J.Péra[6]等將普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥按一定比例混合制成自流平砂漿。L.Pelletier[7]研究了硫鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥-硬石膏三元體系的性能，結(jié)果表明前7d主要是硫鋁酸鹽水泥發(fā)生水化反應(yīng)，而7d以后主要是硅酸鹽水泥發(fā)生水化反應(yīng)。王林[8]的試驗(yàn)結(jié)果表明，硫鋁酸鹽水泥對早期強(qiáng)度影響較大，當(dāng)硅酸鹽水泥摻量為15%時(shí)，復(fù)合水泥能夠獲得較好的性能。楊清[9]等認(rèn)為在硅酸鹽水泥中摻入10%的硫鋁酸鹽水泥不僅能夠提高早期強(qiáng)度，而且后期強(qiáng)度也能夠得到較大幅度的增長。此外，陳娟[10]、王洪鎮(zhèn)[11]、丁向群[12]、簡險(xiǎn)峰[13]等通過試驗(yàn)，均表明隨著硅酸鹽水泥摻入量的增大，硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥膠砂強(qiáng)度先減小后增大。

顯然，大多數(shù)學(xué)者以硫鋁酸鹽水泥為基體，研究硅酸鹽水泥摻量對硫鋁酸鹽水泥性能的影響，而對以硅酸鹽水泥為基體，摻入硫鋁酸鹽水泥的研究文獻(xiàn)報(bào)道相對較少。因此，試驗(yàn)以硅酸鹽水泥為基體，復(fù)摻不同比例的硫鋁酸鹽水泥和粉煤灰，研究其對水泥砂漿強(qiáng)度的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用P·I 42.5硅酸鹽水泥，比表面積為341 m2/kg，初凝時(shí)間140 min，終凝時(shí)間189 min(山東魯城水泥有限公司)；快硬硫鋁酸鹽水泥(SAC)，比表面積為431 m2/kg(鄭州市建文特材科技有限公司)；粉煤灰為Ⅱ粉煤灰，密度2.371 g/m3；試驗(yàn)采用普通自來水，標(biāo)準(zhǔn)砂(廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司)；主要原材料化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

差熱分析：取各組抗壓強(qiáng)度后試塊于50 ℃真空干燥箱烘干至恒重，之后將各組試塊研磨后干燥，試驗(yàn)所用儀器為Setaram Labsys Evo同步熱分析儀，用N2作為保護(hù)氣體，以10 ℃/min升溫速度從室溫升至1 000 ℃，三氧化二鋁(α-Al3O2)作為參照物。

表1 基準(zhǔn)水泥、SAC、粉煤灰的化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

注：FA5-SAC5表示粉煤灰取代5%基準(zhǔn)水泥，SAC取代5%基準(zhǔn)水泥，以此類推

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量粉煤灰和SAC對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

不同摻量粉煤灰及SAC對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，粉煤灰摻量一定時(shí)，隨著SAC摻量的增加，各組3 d抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。除FA5-SAC10、FA5-SAC20、FA10-SAC10組3 d抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)組接近外，其他組抗折強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組；齡期達(dá)到7 d時(shí)，隨著SAC摻量的增加，抗折強(qiáng)度隨之增加，而當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，各組的抗折強(qiáng)度接近，這說明粉煤灰摻量達(dá)到一定量時(shí)， SAC的摻量對抗壓強(qiáng)度影響不大。28 d時(shí)，同一粉煤灰摻量下，SAC摻量為20%的砂漿抗折強(qiáng)度較大，其中FA5-SAC10組超過了基準(zhǔn)組抗折強(qiáng)度。當(dāng)SAC摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加各齡期抗折強(qiáng)度逐漸降低，例如FA5-SAC10組3 d、7 d、28 d抗折強(qiáng)度比FA30-SAC10組分別增加了53.6%、28.7%、23.6%。

2.2 不同摻量粉煤灰和SAC對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

復(fù)摻粉煤灰及SAC對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖2a可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，隨著SAC摻量的增加，各齡期抗壓強(qiáng)度先增加后減小，F(xiàn)A5-SAC10組抗壓強(qiáng)度最大，3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)組高了9.6%、1.2%、2.4%；由圖2b可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，3 d、7 d的變化規(guī)律與粉煤灰摻量為5%類似，28 d抗壓強(qiáng)度卻隨著SAC摻量的增加而降低；由圖2c、圖2d可以看出，粉煤灰摻量為20%、30%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度與圖2a、圖2b規(guī)律一致，28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度隨著SAC摻量的增加而降低，但是30%粉煤灰摻量下，7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度降低幅度較小。由圖2可知，在同一粉煤灰摻量下，SAC摻量為10%時(shí)，3d抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為最大，隨著齡期的增長，除粉煤灰摻量為5%外，其他摻量下SAC摻量為5%的抗壓強(qiáng)度逐漸超過10%的抗壓強(qiáng)度。此外，在同一SAC摻量下，各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低，這一變化規(guī)律與同條件下抗折強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

圖1 粉煤灰及SAC對抗折強(qiáng)度的影響

圖2 粉煤灰及SAC對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 水化產(chǎn)物分析

5%粉煤灰摻量下不同SAC摻量的差熱曲線如圖3所示。10%SAC摻量下不同粉煤灰摻量差熱曲線如圖4所示。由圖3、圖4可知，氫氧化鈣在400～470 ℃之間存在明顯的脫水吸熱峰。為定量計(jì)算28 d不同試樣的氫氧化鈣含量，首先從差熱曲線上找出吸熱峰對應(yīng)的TG，進(jìn)而求出失水量百分比，根據(jù)氫氧化鈣脫水分解反應(yīng)，得到氫氧化鈣含量。試樣28 d氫氧化鈣含量具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3計(jì)算結(jié)果可知，5%粉煤灰摻量下，隨著SAC摻量的增加，氫氧化鈣含量隨之降低；10%SAC摻量下，隨著粉煤灰摻量增加，氫氧化鈣含量也隨之降低；這是由于隨著摻合料的增加，取代水泥的量增加，使得水化產(chǎn)生的氫氧化鈣含量降低，此外，由于摻合料中的活性組分在28 d與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致體系中氫氧化鈣含量隨著摻合料增加而降低。對于基準(zhǔn)組，由于水化產(chǎn)生的氫氧化鈣未有摻合料與其發(fā)生反應(yīng)，故基準(zhǔn)組的氫氧化鈣含量較其他組都高。

結(jié)合各組水泥砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度，在粉煤灰摻量為5%條件下，F(xiàn)A5-SAC10組抗壓強(qiáng)度最大，而氫氧化鈣含量低于FA5-SAC5組，這可能是由于SAC取代水泥后，自身水化導(dǎo)致強(qiáng)度增加，而基準(zhǔn)水泥由于部分被取代后水化產(chǎn)生的氫氧化鈣含量降低；當(dāng)SAC摻量為10%時(shí)，粉煤灰摻量增加導(dǎo)致水泥砂漿抗壓強(qiáng)度降低，與體系中氫氧化鈣含量成正比。這說明粉煤灰的摻入降低了體系中氫氧化鈣的含量。

圖3 5%粉煤灰摻量下不同SAC摻量差熱曲線圖4 10%SAC摻量下不同粉煤灰摻量差熱曲線

表3 試樣28d氫氧化鈣含量計(jì)算結(jié)果

編組吸熱峰/℃TG對應(yīng)重量/%起始點(diǎn)結(jié)束點(diǎn)W1W2H2O失重量/%Ca(OH)2含量/%P·Ⅰ401.70464.4696.320594.98231.33825.5013FA5-SAC5402.95464.0795.549494.35831.19114.8966FA5-SAC10405.92461.5295.036593.99151.0454.2960FA5-SAC20406.33462.2495.509194.68240.82673.3986FA10-SAC10440.16461.8895.978294.95741.02084.1965FA20-SAC10406.67462.2595.908594.98100.92753.8130FA30-SAC10409.92460.8496.055595.39810.65742.7026

3 結(jié)論

復(fù)摻條件下，各齡期的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律不一致，同一粉煤灰摻量下，28 d抗折強(qiáng)度隨著SAC摻量增加，呈上升趨勢；28 d抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量較小時(shí)，隨著SAC摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，摻量大于10%時(shí)，隨著SAC摻量增加而降低。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)摻5%粉煤灰、10%SAC的效果最佳。根據(jù)差熱分析曲線，定量計(jì)算出各組氫氧化鈣含量。計(jì)算結(jié)果表明，粉煤灰摻量一定時(shí)，隨著SAC摻量增加，氫氧化鈣含量降低；SAC摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，氫氧化鈣含量降低。