普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)合膠凝體系混凝土的力學(xué)性能研究

裴 濤，宗 翔

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

普通硅酸鹽水泥是目前世界上使用最廣泛的建筑膠凝材料，具有成本低，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而被廣泛使用，但同時(shí)也存在著早期強(qiáng)度較低、強(qiáng)度發(fā)展緩慢、生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗較大的問(wèn)題[1]。21世紀(jì)以來(lái)，隨著綠色發(fā)展理念的提出以及對(duì)水泥使用需求的不斷變化，硫鋁酸鹽水泥展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，作為一種低能耗水泥，不僅在生產(chǎn)過(guò)程中消耗能源較少，同時(shí)在使用過(guò)程中具有早期強(qiáng)度高、強(qiáng)度發(fā)展迅速、耐侵蝕等特點(diǎn)而受到行業(yè)的廣泛關(guān)注[2]。

一般情況下，不同體系的水泥不得混合使用，但是針對(duì)這兩種水泥的不同優(yōu)缺點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)該混合體系產(chǎn)生了濃厚研究興趣。于錦等分析了添加硫鋁酸鹽水泥對(duì)硅酸鹽水泥水化過(guò)程的具體影響，并研究了不同粒度、摻量的硫鋁酸鹽水泥作為外加劑對(duì)硅酸鹽水泥各種性能產(chǎn)生的影響[3-4]。楊清等對(duì)普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)合膠凝體系的研究發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥在一定摻量下可明顯縮短復(fù)合膠凝體系的凝結(jié)時(shí)間，并且獲得早期強(qiáng)度的大幅度提高[5]。Bizzozero等研究了復(fù)合膠凝體系的水化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展與變化，并對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行分析[6]。Pelltier等研究認(rèn)為兩種水泥在一定配比時(shí)能提高復(fù)合膠凝體系的性能[7]。本實(shí)驗(yàn)主要研究了普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝體系在混凝土中對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，并通過(guò)掃描電子顯微鏡等測(cè)試技術(shù)分析其微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

水泥：試驗(yàn)采用河南鄭州生產(chǎn)的“泰志”牌42.5級(jí)低堿度硫鋁酸鹽水泥；安徽淮南生產(chǎn)的“海螺”牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，兩種水泥的化學(xué)組成如表1所示。

水：試驗(yàn)用水均為城市普通自來(lái)水，符合規(guī)范要求。

細(xì)骨料：試驗(yàn)用砂為天然河砂。

粗骨料：試驗(yàn)采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共分為七組，其中A0為純普通硅酸鹽水泥混凝土對(duì)照組，S0為純硫鋁酸鹽水泥混凝土對(duì)照組，S1至S5分別為摻加了10%、20%、30%、40%、50% P·O的復(fù)合膠凝體系混凝土?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa，配合比按照J(rèn)CJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的要求設(shè)計(jì)本次混凝土的配合比[8]，具體配合比見(jiàn)表2所示；本試驗(yàn)制作的混凝土試塊為邊長(zhǎng)100 mm的立方體試塊，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至指定齡期。混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[9]。

表1 普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膠凝體系混凝土的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，取1、3、7、14、28 d的試塊分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)100 mm×100 mm×100 mm試塊測(cè)得的強(qiáng)度值需乘以換算系數(shù)0.95，具體結(jié)果如圖1所示。抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比如圖2所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比

由圖1可知，1、3 d抗壓強(qiáng)度中，S1至S5組隨著P·O摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但抗壓強(qiáng)度均低于對(duì)照組S0，均高于對(duì)照組A0。3、7 d抗壓強(qiáng)度中，S1組抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，均超過(guò)S0。14、28 d抗壓強(qiáng)度中，S3組抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于對(duì)照組S0，28 d抗壓強(qiáng)度同樣高于P·O混凝土對(duì)照組A0。

由圖2可知，當(dāng)P·O摻量為10%時(shí)，S1組混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，7 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比累計(jì)達(dá)到93%，但后期強(qiáng)度發(fā)展不足。當(dāng)P·O摻量為30%時(shí)，S3組混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比仍超過(guò)15%，后期強(qiáng)度增幅較大。由此可知，SAC混凝土中摻入10%的P·O可以適當(dāng)提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度；SAC混凝土中摻入30%的P·O時(shí)，有助于混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)兩個(gè)對(duì)照組混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2 復(fù)合膠凝體系混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，取1、3、7、14、28 d的試塊分別進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)100 mm×100 mm×100 mm試塊測(cè)得的強(qiáng)度值需乘以換算系數(shù)0.85，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，A0組P·O混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨時(shí)間不斷增強(qiáng)，而SAC混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的情況。對(duì)照組S0的劈裂抗拉強(qiáng)度在3 d達(dá)到最大值，之后不斷降低，呈現(xiàn)出劈裂抗拉強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。通過(guò)摻入普通硅酸鹽水泥，S1至S4中1 d與28 d劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸遞增，中間過(guò)程的強(qiáng)度情況呈現(xiàn)出波動(dòng)變化。加入40%P·O水泥的復(fù)合硫鋁酸鹽水泥混凝土的1 d與28 d劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，較S0強(qiáng)度均明顯提高，但28 d強(qiáng)度仍小于對(duì)照組A0。

對(duì)于硫鋁酸鹽水泥劈裂抗拉強(qiáng)度的倒縮，主要與硬化漿體微觀結(jié)構(gòu)的劣化相關(guān)[10-11]。水化過(guò)程中，無(wú)水硫酸鈣快速水化并形成以鈣礬石為主、結(jié)構(gòu)致密的本體結(jié)構(gòu)[12]。隨著本體結(jié)構(gòu)表面絨狀鈣礬石晶體的繼續(xù)生長(zhǎng)、發(fā)育、長(zhǎng)大，當(dāng)本體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足以抵抗膨脹應(yīng)力時(shí)導(dǎo)致早期微裂縫的產(chǎn)生。使得劈裂抗拉強(qiáng)度下降，導(dǎo)致倒縮現(xiàn)象。通過(guò)摻入普通硅酸鹽水泥后，隨著齡期的進(jìn)一步延長(zhǎng)，普通硅酸鹽水泥熟料繼續(xù)水化，不斷加強(qiáng)硬化漿體本身的強(qiáng)度，并逐漸修復(fù)前期產(chǎn)生的微裂縫，使得劈裂抗拉強(qiáng)度得到恢復(fù)并繼續(xù)發(fā)展。

2.3 復(fù)合膠凝體系混凝土的微觀形貌

用掃描電子顯微鏡(SEM)分別對(duì)硫鋁酸鹽水泥混凝土對(duì)照組S0、摻加了10%、30%普通硅酸鹽水泥的混凝土S1、S3分別進(jìn)行1、28 d齡期的水化產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從不同復(fù)合膠凝體系的SEM圖中可以看出，S0、S1、S3在不同水化齡期的微觀形貌有較大的區(qū)別。隨著水化齡期的增長(zhǎng)，水泥產(chǎn)物的微觀形貌也逐漸致密。

圖4(a)顯示，硫鋁酸鹽水泥(1 d齡期)早期水化反應(yīng)迅速，生成大量水化產(chǎn)物。圖4(b)顯示，28 d齡期時(shí)，漿體結(jié)構(gòu)密實(shí)度大大提高，水泥石結(jié)構(gòu)致密。但同時(shí)也能夠發(fā)現(xiàn)硬化漿體間產(chǎn)生微裂縫，這正是由于上文提到的水化過(guò)程中漿體本體結(jié)構(gòu)表面絨狀鈣礬石晶體的繼續(xù)生長(zhǎng)的過(guò)程，并且強(qiáng)度超過(guò)漿體本身強(qiáng)度，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫，并在持續(xù)化過(guò)程中導(dǎo)致裂縫不斷發(fā)展擴(kuò)大，這也是硫鋁酸鹽水泥混凝土后期劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生倒縮現(xiàn)象的原因。

綜合對(duì)比圖4可以看出，各組展現(xiàn)出的外觀形貌與實(shí)測(cè)強(qiáng)度規(guī)律相吻合。綜合圖4(a)、(c)、(e)顯示，1 d齡期中，隨著P·O水泥摻量的增加，水化速度逐漸減慢，生成的水化產(chǎn)物逐漸減少。綜合圖4(b)、(d)、(f)顯示，28 d齡期中，摻加30%P·O水泥的S3組微觀形貌較S0及S1相比，后期水化更充分，產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物，密實(shí)度提高。

3 結(jié)論

1)復(fù)合膠凝體系混凝土早期抗壓強(qiáng)度總體隨著P·O水泥摻量的增加而逐漸降低，其中P·O水泥摻量在10%時(shí)的復(fù)合膠凝體系混凝土的3、7 d抗壓強(qiáng)度優(yōu)于S0。后期強(qiáng)度中，P·O水泥摻量在30%時(shí)的復(fù)合膠凝體系混凝土展現(xiàn)出較大增長(zhǎng)，28 d強(qiáng)度高于純P·O水泥混凝土，具有良好的力學(xué)性能。

2)純硫鋁酸鹽水泥混凝土由于水泥漿體結(jié)構(gòu)后期產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生倒縮現(xiàn)象。隨著P·O水泥摻量的增加，P·O水泥后期持續(xù)的水化反應(yīng)，使得混凝土后期的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。

3)掃描電子顯微鏡(SEM)展現(xiàn)出的微觀形貌特征與強(qiáng)度特性相吻合，并從微觀角度解釋了硫鋁酸鹽水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度倒縮的原因。

圖4 復(fù)合膠凝體系混凝土不同齡期的SEM圖