復(fù)合水泥的力學(xué)及收縮性能的研究

黃樂(lè) 姚傳勤

摘 要：系統(tǒng)研究了硅酸鹽水泥（OPC）對(duì)硫鋁酸鹽水泥（SAC）的物理性質(zhì)，力學(xué)強(qiáng)度及收縮性能的影響規(guī)律，將7%，14%，21%，28%，35%，42%的硅酸鹽水泥等質(zhì)量硫鋁酸鹽水泥比較實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明：S0，S1，S2，S3組隨著OPC摻量的增加，28d試塊孔隙率，吸水率略微不斷增加，S4，S5，S6各組卻小幅度減少，而各組表觀密度相差無(wú)幾;1d的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著OPC摻量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，3d，7d的抗折，抗壓強(qiáng)度則隨OPC摻量的增加而一致減小，而S4、S5、S6組相對(duì)于S0組，28d抗折、抗壓都有一定幅度的提高;適當(dāng)?shù)腛PC摻量可改善砂漿的韌性;OPC摻量越多，復(fù)合水泥砂漿的自收縮越小，干縮越小，而質(zhì)量損失率卻越大.

關(guān)鍵詞：硅酸鹽水泥;硫鋁酸鹽水泥;抗折強(qiáng)度;抗壓強(qiáng)度;自收縮;干縮

中圖分類號(hào)：TU528.041? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0084-04

快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）的主要組成礦物是硅酸二鈣和無(wú)水硫鋁酸鈣，具有快硬、早強(qiáng)、優(yōu)良的抗?jié)B和抗凍性等優(yōu)點(diǎn)[1]，但在CO2長(zhǎng)期侵蝕下容易碳化分解而引起承載力的下降，后期強(qiáng)度有倒縮現(xiàn)象[2]，且成本貴.硅酸鹽水泥（OPC）成本低，后期強(qiáng)度穩(wěn)定，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的建筑膠凝材料.硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥屬于不同的水泥體系，本不應(yīng)該混合使用，但是一定摻量的硅酸鹽水泥對(duì)硫鋁酸鹽水泥起到了改善作用[7].王洪鎮(zhèn)等[3]人研究表明在硫鋁酸鹽水泥中添加普硅水泥，使得水泥的堿度增加，水化加快，鈣礬石的生成量增多.且兩種系列水泥相混合后水泥砂漿的強(qiáng)度表現(xiàn)出了更加復(fù)雜的特征.王紅[4]研究發(fā)現(xiàn)摻入適量硅酸鹽熱料，能夠減小鈣礬石的結(jié)晶尺寸，降低總孔體積，以至于提高了早期強(qiáng)度.張建波[5]等研究表明復(fù)合水泥中當(dāng)OPC摻量為0%～20%時(shí)，其pH值和強(qiáng)度相對(duì)于純的SAC或OPC而言基本持平，甚至還會(huì)稍微提高.陳娟等[6]研究得出兩種水泥混合后，SAC中的C4A3礦物與OPC中的C3S礦物在共同水化過(guò)程中有相互促進(jìn)的作用，且混合水泥的強(qiáng)度性能與兩種水泥的混合比例有關(guān).本文通過(guò)將硅酸鹽水泥等質(zhì)量替代硫鋁酸鹽水泥，研究其對(duì)復(fù)合水泥的物理性質(zhì)，抗折，抗壓強(qiáng)度，自收縮以及干縮等特性的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

硫鋁酸鹽水泥：河南登電集團(tuán)水泥有限公司所制造的R·SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥.硅酸鹽水泥：安徽海螺水泥股份有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料：淮河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，粒徑<5mm.水：城市自來(lái)水.水灰比設(shè)計(jì)為0.4，砂率40%.水泥砂漿100g配比如表1所示.

1.2 物理性質(zhì)

根據(jù)ASTM C20[7]規(guī)范測(cè)試下，每個(gè)試塊養(yǎng)護(hù)28d后的物理性質(zhì)，包括試塊的孔隙率、吸水率、表觀密度，每組測(cè)量三個(gè)，測(cè)量結(jié)果取其平均值.具體測(cè)試步驟如下：

（1）測(cè)干重量C，懸掛重量D，飽和重量E

將試塊在105℃烘箱中干燥至其恒重，測(cè)其干重量，記為C;將干燥后的樣品煮沸2h后通過(guò)細(xì)線將試塊懸浮于水中，記錄數(shù)值，即為懸掛重量D;最后將試塊表面擦干稱量測(cè)量其飽和重量E，記錄數(shù)值.

（2）計(jì)算方法

1）孔隙率

P=（E-C）/（E-D）×100%

2）吸水率

A=（E-C）/C×100%

3）表觀密度

B=C/（E-D）×100%

1.3 抗折、抗壓強(qiáng)度

根據(jù)ASTM C348[8]，制備40mm×40mm×160mm長(zhǎng)方體試塊.在溫度為23℃，相對(duì)濕度>95%條件下養(yǎng)護(hù)至1d，3d，7d，28d.在指定齡期，測(cè)其抗折、抗壓強(qiáng)度，其中3個(gè)試塊為一組，測(cè)試結(jié)果取其平均值.

1.4 自收縮

根據(jù)ASTM C1698[9]，采用波紋管法測(cè)試砂漿的自收縮.制備波紋管試件過(guò)程中，將砂漿分3次逐步裝入長(zhǎng)為420mm波紋管中，放在恒定溫度為23±1℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù).待試件終凝時(shí)，首次測(cè)試，共測(cè)試7d.3個(gè)試件為一組，測(cè)量結(jié)果取其平均值.自收縮應(yīng)變值公式為：

β1=（ZT-Z0）×106/Z0? ?（1）

其中Zt為測(cè)量時(shí)刻試件長(zhǎng)度值，Z0為終凝時(shí)刻試件長(zhǎng)度值.

1.5 干燥收縮

根據(jù)ASTM C596[10]，制作尺寸為40mm×40 mm×280mm的干縮試件.攪拌漿體完畢后，澆筑入鑄鐵模具中，并振動(dòng)密實(shí)，之后放入溫度為23±1 ℃，濕度>95%環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h，拆模后，將試塊浸泡在飽和Ca（OH）2溶液中養(yǎng)護(hù)至齡期為72h.72h使用比長(zhǎng)儀和電子天平首次測(cè)量試塊長(zhǎng)度和質(zhì)量，之后將試塊放入50±3%，23±1℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，并在指定齡期繼續(xù)測(cè)試.3個(gè)試塊為一組，結(jié)果取平均值.

干縮應(yīng)變值公式為：

β2=（GT-G0）×106/280? ?（2）

其中Gt為測(cè)量時(shí)刻試件長(zhǎng)度值，G0為首次測(cè)試時(shí)試件長(zhǎng)度值.

質(zhì)量損失率應(yīng)變值公式為：

β3=（MT-M0）/M0×104? ? （3）

其中Mt為測(cè)量時(shí)刻試件質(zhì)量值，M0為首次測(cè)試時(shí)試件質(zhì)量值.

2 結(jié)果和分析

2.1 試塊的物理性質(zhì)

由表2可以較直觀地看到S0，S1，S2，S3組隨著OPC摻量的增加孔隙率略微不斷增加，且以S0組為基準(zhǔn)，S1，S2，S3各組的孔隙率分別僅增長(zhǎng)了1.63%，3.11%，15.37%，反觀S4，S5，S6各組的孔隙率卻小幅度下降，以S0組為基準(zhǔn)，分別減少了7.63%，8.10%，6.40%.這是由于當(dāng)OPC摻量較少時(shí)，早期加速水化形成的鈣礬石會(huì)對(duì)水泥石產(chǎn)生細(xì)微裂縫，導(dǎo)致孔隙率增加.隨著OPC摻量的增加，早期產(chǎn)生大量的鈣礬石，部分鈣礬石會(huì)填充于空隙中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，后期產(chǎn)生的鈣礬石逐漸填滿空隙，因此導(dǎo)致孔隙率減少;同時(shí)可以看到OPC摻量的增加對(duì)吸水率的影響規(guī)律與孔隙率一致，這是由于吸水率的高低主要是因?yàn)樗嗌皾{中非結(jié)合水蒸發(fā)留下的孔隙造成的;而28d各組試塊的表觀密度幾乎相差無(wú)幾.

2.2 OPC摻量對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度的影響

圖1、圖2分別為不同OPC摻量下1d、3d、7d和28d抗折，抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù).可以看出，OPC摻量由0到42%時(shí)，1d的抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，3d，7d的抗折，抗壓強(qiáng)度則一致減小.同時(shí)S4，S5，S6三組7d的抗折，抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3d出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.且OPC摻量越多，倒縮越明顯.這是因?yàn)镺PC的摻入使水泥水化加速，水化產(chǎn)物瞬間增多且粗大，對(duì)水泥石造成不均勻膨脹而產(chǎn)生裂紋[11]，所以在SAC中摻入OPC會(huì)使強(qiáng)度降低.而且主要水化產(chǎn)物鈣釩石晶體粗大，生長(zhǎng)不完全，后期轉(zhuǎn)化成的單硫型水化硫鋁酸鈣造成抗折、抗壓強(qiáng)度倒縮.

由圖1、圖2同樣可看出S0，S1，S2，S3組的28d抗折、抗壓強(qiáng)度隨著OPC摻量的增加而減少，但S4、S5、S6組相對(duì)于S0組，28d抗折、抗壓都有一定幅度的提高.以S0組為基準(zhǔn)，S4、S5、S6組抗折強(qiáng)度分別提高了4.05%，0.62%，1.56%，抗壓強(qiáng)度分別提高了3.40%，8.34%，0.74%.S4組抗折強(qiáng)度提高幅度最大，S5組抗壓強(qiáng)度提高幅度最大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是因?yàn)镾4，S5，S6組28d時(shí)，其硅酸鹽水泥的后期穩(wěn)定性得到了體現(xiàn).

2.3 OPC摻量對(duì)砂漿折壓比的影響

圖3為不同OPC摻量下砂漿不同齡期的折壓比.折壓比反映砂漿的韌性，折壓比越大，砂漿的韌性越好[12].由圖可知，隨著OPC摻量的增加，砂漿折壓比幾乎呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).1d齡期時(shí)，S5組折壓比最大，相對(duì)于S0組提高了14.2%，僅S1，S2組折壓比小于S0組;3d，7d齡期時(shí)，S6組折壓比都最大，相對(duì)于S0組分別提高了17.9%，34.0%.3d齡期時(shí)，僅S2，S3，S4組小于S0組，7d齡期時(shí)，各組折壓比均大于S0組;28d齡期時(shí)，S1組折壓比最大，相對(duì)于S0組提高了1.7%，但其余各組均小于S0組.因此，適當(dāng)?shù)腛PC摻量可改善砂漿的韌性，同時(shí)，齡期越長(zhǎng)，對(duì)折壓比的改善效果越不利.

2.4 OPC摻量對(duì)砂漿自收縮的影響

由圖4可知，自收縮隨OPC摻量的增大而減小.S0組的收縮量最為顯著，達(dá)到249.5×10-6，S6組的收縮量最小，僅為138.1×10-6.在SAC中摻入OPC，使水泥漿體的堿度增加，從而SAC中的C4A3水化加快，且OPC中C3S水化促進(jìn)了鋁膠轉(zhuǎn)化為鈣礬石，因此也促進(jìn)了C4A3的水化，導(dǎo)致水泥漿體中鈣礬石的形成數(shù)量增多，由于鈣礬石的膨脹性，在一定程度上抵消了水泥砂漿的部分收縮[13]，所以隨著OPC摻量的增多，混合體系的自收縮逐漸減少.聶光臨等[16]等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥占比在50%～100%時(shí)，增大快硬硫鋁酸鹽水泥占比，砂漿的收縮率稍有增加.這一點(diǎn)與本文中的結(jié)論相吻合.

由圖4同樣可以計(jì)算出，S0，S1，S2，S3各組1d的收縮量占總收縮量的比例，分別達(dá)到了56.7%，51.1%，36.9%，35.6%.而S4，S5，S6組僅分別為23.6%，6.7%，3.4%.顯而易見，比例值隨OPC摻量的增加而減小.同時(shí)在另一方面也能說(shuō)明，S4，S5，S6組1d內(nèi)產(chǎn)生大量有膨脹作用的鈣礬石，所以才能抵消大部分的收縮.

2.5 OPC摻量對(duì)砂漿干縮的影響

由圖5可知，干縮隨OPC摻量的增加而減小.例如：S0組7d干縮量最顯著，為369.6×10-6，S6組卻僅為239.3×10-6.且S0組相對(duì)于S1，S2，S3，S4，S5，S6各組分別提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.這是因?yàn)楫?dāng)OPC摻量很少時(shí)，早期水化速度相對(duì)較慢，水泥石中的空隙無(wú)法被鈣礬石填滿，隨著水化的進(jìn)行，逐漸產(chǎn)生的部分鈣礬石將空隙填滿為止，多余的鈣礬石才能提供有效的膨脹作用，因此增大OPC摻量，砂漿試樣的干縮率會(huì)略微減小.收縮趨勢(shì)與圖2中的試驗(yàn)結(jié)果有一定的聯(lián)系.

根據(jù)圖6，OPC摻量越多，質(zhì)量損失率越大.例如：S6組7d質(zhì)量損失率最大，達(dá)到了499.1×10-4，S0組僅為236.5×10-4.且S6組相對(duì)于S5，S4，S3，S2，S1，S0各組分別提高了10.6%，32.3%，62.4%，75.5%，86.8%，111.0%.這一現(xiàn)象是因?yàn)樗嗷牧系母煽s是指水泥漿體在不飽和濕空氣中失去水分而引起的體積宏觀變形[14]，質(zhì)量的減少主要是基底材料中的水分向外蒸發(fā)導(dǎo)致的.隨著OPC摻量的增加，促進(jìn)了復(fù)合膠凝體系的水化反應(yīng)進(jìn)程，大量水化產(chǎn)物快速生成并積累起來(lái)，對(duì)水泥石造成的微裂紋增多，使得試樣空隙中的自由水越多，因此質(zhì)量損失越大.

3 結(jié)論

（a）1d的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著OPC摻量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，3d，7d的抗折，抗壓強(qiáng)度則隨OPC摻量的增加而一致減小.同時(shí)S4，S5，S6三組7d的抗折，抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3d出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.S4、S5、S6組相對(duì)于S0組，28d抗折、抗壓都有一定幅度的提高;此外S0，S1，S2，S3組隨著OPC摻量的增加，28d試塊孔隙率，吸水率略微不斷增加，而S4，S5，S6各組卻小幅度減少，各組表觀密度相差無(wú)幾.

（b）OPC摻量越多，混合體系水泥砂漿的自收縮越小.S0組7d總收縮量相對(duì)于S1，S2，S3，S4，S5，S6各組分別提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.隨著OPC摻量的增加，水泥漿體的堿度也隨之增加，加快了水化速率，導(dǎo)致水泥漿體中具有膨脹性的鈣礬石數(shù)量增多，在一定程度上抵消了水泥砂漿的部分收縮.

（c）OPC摻量越多，混合體系水泥砂漿的干縮越小，而質(zhì)量損失率越大.S0組7d干縮量相對(duì)于S1，S2，S3，S4，S5，S6各組分別提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.S6組7d質(zhì)量損失率相對(duì)于S5，S4，S3，S2，S1，S0各組分別提高了10.6%，32.3%，62.4%，75.5%，86.8%，111.0%.增大OPC摻量，提供膨脹功的鈣礬石越多，而試樣中的微裂紋越多，使得空隙中的自由水越多，進(jìn)而導(dǎo)致干縮越小，質(zhì)量損失率越大.

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