水灰比對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿力學(xué)及收縮性能的影響

李 馨，黃 樂，姚傳勤

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

硫鋁酸鹽水泥(SAC)主要由硅酸二鈣和無水硫鋁酸鈣兩種礦物組成[1]，具有快硬早強(qiáng)、優(yōu)良的抗?jié)B和抗凍性能，以及煅燒溫度低和CO2排放少等優(yōu)點(diǎn)[2]。與普通硅酸鹽水泥相比，SAC是一種綠色水泥基替代材料，符合當(dāng)前國家環(huán)保需求。然而，硫鋁酸鹽水泥基材料尚存在一些問題，包括凝結(jié)快速，堿度低，后期強(qiáng)度倒縮[3]和早期收縮開裂問題[4]。

郭俊萍等[5]研究證實(shí)低堿度硫鋁酸鹽水泥的干縮主要是由毛細(xì)孔和AFt共同失水引起的,且AFt的形成數(shù)量決定其干縮率大小。結(jié)果顯示：同一石灰石摻量下，當(dāng)CaSO4/3CaO·3Al2O3·CaSO4比值改變時(shí)，56d干縮率最小為5.3×10-4，最大可達(dá)8.2×10-4。馬保國等[6]研究證實(shí)加入礦物摻合料后，有效地調(diào)節(jié)了膠凝體系的孔結(jié)構(gòu)，從而有效抑制了硫鋁酸鹽水泥試塊的干縮。結(jié)果顯示：對(duì)照組35d干縮率近似為0.03%，加入礦物摻合料后，35d干縮率最小近似為0.02%。侯文萍等[7]研究發(fā)現(xiàn)燒石膏和明礬石摻入硫鋁酸鹽水泥中會(huì)促進(jìn)鈣礬石的形成，產(chǎn)生體積收縮。結(jié)果顯示：當(dāng)燒石膏摻量改變時(shí)，水泥28d收縮率最小為5.8×10-4，最大可達(dá)17.8×10-4。Wojciech Piasta等[8]研究了以水灰比為變量，對(duì)高性能混凝土的收縮應(yīng)變、抗壓強(qiáng)度和吸水性能進(jìn)行了高精度的估算。Sun Keke等[9]制備了3種不同漿料厚度的含骨料硫鋁酸鹽水泥混凝土混合物，水膠比分別為0.25、0.30、0.35。試驗(yàn)結(jié)果表明，漿料厚度對(duì)涂層骨料的力學(xué)性能和耐久性有顯著影響。

為進(jìn)一步研究SAC基材料收縮特性，本文以水灰比為變量，研究不同水灰比條件下SAC砂漿物理性質(zhì)、自收縮、干縮以及抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。

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，化學(xué)成分如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分(%)

細(xì)骨料：淮河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，粒徑<5mm。

水：城市自來水。

水泥砂漿100g配比如表2所示。

表2 水泥砂漿100g配比

1.2 試塊的物理性質(zhì)

根據(jù)ASTM C20[10]，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、真密度，每組測(cè)量三個(gè)，結(jié)果取其平均值。具體測(cè)試步驟如下：

(1)測(cè)干重量A，懸掛重量B，飽和重量C

將試塊在105℃烘箱中干燥至其恒重，測(cè)其干重量，記為A；將干燥后的樣品煮沸2h后通過細(xì)線將試塊懸浮于水中，即懸掛重量為B；最后將試塊表面擦干測(cè)量其飽和重量C。

(2)計(jì)算方法：

1)孔隙率

S=(C-A)/(C-B)×100%

2)吸水率

X=(C-A)/A×100%

3)真密度

Z=A/(A-B)×100%

1.3 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)ASTM C348[11]，制備50mm×50mm×50mm立方體試塊。在溫度為23℃，相對(duì)濕度>95%條件下養(yǎng)護(hù)至3d，7d，28d。在指定齡期，測(cè)其抗壓強(qiáng)度，其中4個(gè)試塊為一組，結(jié)果取其平均值。

1.4 自收縮

根據(jù)ASTM C1698[12]，采用波紋管法測(cè)試砂漿的自收縮。待其終凝時(shí)測(cè)其首次長度與質(zhì)量，規(guī)范養(yǎng)護(hù)并測(cè)試至7d，3個(gè)試件為一組，結(jié)果取其平均值。

自收縮應(yīng)變值公式為：

β1=(YT-Y0)/Y0×106

(1)

其中Yt為測(cè)量時(shí)刻試件長度值，Y0為終凝時(shí)刻試件長度值。

1.5 干燥收縮

根據(jù)ASTM C596[13]，制作尺寸為40mm×40mm×280mm的干縮試件。規(guī)范養(yǎng)護(hù)并測(cè)試至28d，3個(gè)試樣為一組，結(jié)果取其平均值。

干縮應(yīng)變值公式為：

β2=(KT-K0)/K0×106

(2)

其中Kt為測(cè)量時(shí)刻試件長度值，K0為首次測(cè)試時(shí)試件長度值。

質(zhì)量損失率應(yīng)變值公式為：

β3=(PT-P0)/M0×104

(3)

其中Pt為測(cè)量時(shí)刻試件質(zhì)量值，P0為首次測(cè)試時(shí)試件質(zhì)量值。

2 結(jié)果和分析

2.1 物理性質(zhì)

表3 28d試塊物理性質(zhì)

由表3可知，隨著水灰比的增大，試塊的孔隙率不斷增加。例如，以WC35為基準(zhǔn)，WC40，WC45，WC50的孔隙率分別增長了6.74%，28.18%，39.02%。這是因?yàn)樗冶仍酱髸r(shí)，試塊中反應(yīng)殘留的水分越多，密實(shí)性越差，孔隙率也就越高。同時(shí)，水灰比越大試樣的吸水率也就越高，其中WC35吸水率為10.46%，而WC50吸水率增大到了14.25%，增幅為36.23%。這是因?yàn)樵噳K的孔隙率越大，試塊中的自由水越多，吸水率也就越大。試塊的真密度同樣隨著水灰比的增大而增加，以WC35為基準(zhǔn)，WC40，WC45，WC50的真密度分別增長了3.39%，7.72%，11.16%。

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1 各配合比3d，7d，28d抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive Strength of each mix ratio 3d, 7d, 28d

圖1為四種配合比3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯冶仍酱?，砂漿抗壓強(qiáng)度越低。WC35組28d抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到44.02MP；WC50組28d抗壓強(qiáng)度最小，僅為22.25MP。28d齡期時(shí)，以WC50組為基準(zhǔn)，WC45，WC40，WC35抗壓強(qiáng)度依次增大32.67%，58.25%，97.84%。這一現(xiàn)象主要因?yàn)樗冶容^大，水分較多，導(dǎo)致砂漿孔隙率高，試塊截面有效傳遞應(yīng)力面積較小，因而抗壓強(qiáng)度較小。

由圖1可知，不同水灰比砂漿3d抗壓強(qiáng)度與7d抗壓強(qiáng)度相近，并可達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的80%以上，例如：當(dāng)水灰比為0.35，0.40，0.50的條件下，7d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3d分別略微提高了4.30%，0.53%，9.31%。當(dāng)水灰比為0.45時(shí)，抗壓強(qiáng)度略微降低，僅降低了2.21%。同時(shí)當(dāng)水灰比為0.35，0.40，0.45，0.50時(shí)，3d抗壓強(qiáng)度分別是其28d抗壓強(qiáng)度的86.12%，86.23%，87.47%，89.80%。這是硫鋁酸鹽水泥快硬早強(qiáng)的典型表現(xiàn)。

2.3 自收縮

減小水灰比，提高膠凝材料含量是有效提高水泥基材料的途徑，然而，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，往往會(huì)引起收縮增大的負(fù)面效應(yīng)。圖2給出了水灰比對(duì)砂漿自收縮的影響曲線。

圖2 各配合比7d自收縮Fig.2 Self-shrinkage of each mix ratio 7d

由圖2可知，WC35組的收縮量最為顯著，達(dá)到141.3×10-6，WC50組的收縮量最小，僅為83.3×10-6。以WC50組為基準(zhǔn)，WC45，WC40，WC35三組總自收縮依次增大35.29%，59.06%，69.63%。自收縮主要是在保持恒溫和與外界無物質(zhì)交換的條件下，因水泥持續(xù)水化，水分損失，在毛細(xì)管應(yīng)力作用下導(dǎo)致的變形。水灰比越小,砂漿內(nèi)部的可用自由水含量越少，水泥水化引起的內(nèi)部相對(duì)濕度下降越多，同時(shí)孔隙的細(xì)化程度也越高，毛細(xì)管應(yīng)力越大，從而自收縮越大。

由圖2還可以看出其早期收縮量比較明顯，占總自收縮量的主要趨勢(shì)，后期發(fā)展速率趨于平緩。例如：WC35，WC40，WC45，WC50各組前4d齡期的收縮量分別近似占齡期內(nèi)總自收縮量的96.07%，96.41%，95.78%，87.62%。因此控制砂漿的自收縮要從早期開始，而且水灰比越小，開裂風(fēng)險(xiǎn)越大。

結(jié)合圖1和圖2，可計(jì)算出7d齡期時(shí)WC45，WC40，WC35三組相對(duì)于WC50組抗壓強(qiáng)度提高率與自收縮增長率比值分別為0.44，0.67，1.16。隨著水灰比的減少，其比值在增加。這從側(cè)面說明了相對(duì)于自收縮增長率，漿體抗壓強(qiáng)度增長率對(duì)水灰比表現(xiàn)得更為敏感。

2.4 干縮

水泥基材料的干縮是指水泥漿體在不飽和濕空氣中失去水份而引起的體積宏觀變形[14]圖3，圖4分別為干縮曲線和質(zhì)量損失率曲線。

圖3 各配合比28d干縮Fig.3 Each mix ratio 28d Shrinks

圖4 各配合比28d質(zhì)量損失率Fig.4 Each mix ratio 28d Mass Loss Rate

由圖3可知，干縮隨水灰比的增大而減小。例如：WC35組28d收縮量最顯著，為380.4×10-4，與WC40，WC45，WC50三組相比，分別一定程度上提高了3.09%，5.46%，6.13%。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4，水灰比越大，質(zhì)量損失率越大。例如：WC50組28d質(zhì)量損失率最大，達(dá)到了736.4×10-4，與WC35，WC40，WC45三組相比，分別提高了55.26%，20.09%，4.16%。水泥水化消耗水分屬于化學(xué)反應(yīng)，必然遵循質(zhì)量守恒定律。因此質(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。而水灰比的增加增加了總空隙率[15]，使得空隙中的水分越多，所以由內(nèi)向外蒸發(fā)的水分越多，進(jìn)而質(zhì)量損失越大。

圖3與圖4對(duì)比可知，早期干縮受水灰比影響較大，質(zhì)量變化也很大。之后質(zhì)量損失很小而干縮持續(xù)增大。這是因?yàn)樵缙诟煽s主要的水分流失，是由于基底材料中的水分向外蒸發(fā)和水泥水化消耗其水分而引起的自收縮兩部分的共同作用[16]，而后期其驅(qū)動(dòng)力可能是毛細(xì)孔隙的毛細(xì)應(yīng)力導(dǎo)致，也就是自收縮。

3 結(jié)論

本文以水灰比為變量，以抗壓強(qiáng)度，自收縮，干縮為因變量，發(fā)現(xiàn)其之間的定性關(guān)系，研究其過程與結(jié)果的意義。分析獲得了以下一些結(jié)論：

(1)水灰比是影響抗壓強(qiáng)度的重要因素，抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的減少而增大。以WC50組為基準(zhǔn)，WC45，WC40，WC35三組28d抗壓強(qiáng)度依次增大32.67%，58.25%，97.84%。且3d抗壓強(qiáng)度即可與7d相近，并達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度80%以上。同時(shí)孔隙率隨水灰比的增大而增大。

(2)水灰比越小，硫鋁酸鹽水泥砂漿的自收縮量越大，提高膠凝材料可有效地提高力學(xué)性能，然而會(huì)顯著地提高收縮，特別是早齡期自收縮(4d)。以WC50組為基準(zhǔn)，WC45，WC40，WC35三組7d自收縮依次增大35.29%，59.06%，69.63%。7d齡期時(shí)，WC45，WC40，WC35三組相對(duì)于WC50組抗壓強(qiáng)度提高率與自收縮增長率比值分別為0.44，0.67，1.16。其比值隨著水灰比的減少而增加，相對(duì)于自收縮增長率，漿體抗壓強(qiáng)度增長率對(duì)水灰比表現(xiàn)得更為敏感。

(3)水灰比同時(shí)影響硫鋁酸鹽水泥干縮和質(zhì)量損失率。水灰比越大，干縮越小，而質(zhì)量損失率越大。水灰比較大導(dǎo)致孔隙率高，使得水分更容易逃逸出構(gòu)件，產(chǎn)生較大質(zhì)量損失率。