黃樂 姚傳勤

摘 要：系統(tǒng)研究了硅酸鹽水泥（OPC）對硫鋁酸鹽水泥（SAC）的物理性質(zhì)，力學強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驗.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幾;1d的抗折、抗壓強度隨著OPC摻量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，3d，7d的抗折，抗壓強度則隨OPC摻量的增加而一致減小，而S4、S5、S6組相對于S0組，28d抗折、抗壓都有一定幅度的提高;適當?shù)腛PC摻量可改善砂漿的韌性;OPC摻量越多，復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;抗折強度;抗壓強度;自收縮;干縮

中圖分類號：TU528.041? 文獻標識碼：A? 文章編號：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水硫鋁酸鈣，具有快硬、早強、優(yōu)良的抗?jié)B和抗凍性等優(yōu)點[1]，但在CO2長期侵蝕下容易碳化分解而引起承載力的下降，后期強度有倒縮現(xiàn)象[2]，且成本貴.硅酸鹽水泥（OPC）成本低，后期強度穩(wěn)定，是當今應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，本不應該混合使用，但是一定摻量的硅酸鹽水泥對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度表現(xiàn)出了更加復雜的特征.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度.張建波[5]等研究表明復合水泥中當OPC摻量為0%～20%時，其pH值和強度相對于純的SAC或OPC而言基本持平，甚至還會稍微提高.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礦物在共同水化過程中有相互促進的作用，且混合水泥的強度性能與兩種水泥的混合比例有關(guān).本文通過將硅酸鹽水泥等質(zhì)量替代硫鋁酸鹽水泥，研究其對復合水泥的物理性質(zhì)，抗折，抗壓強度，自收縮以及干縮等特性的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

硫鋁酸鹽水泥：河南登電集團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任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥.細骨料：淮河河砂，細度模數(shù)為2.6，粒徑<5mm.水：城市自來水.水灰比設(shè)計為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)范測試下，每個試塊養(yǎng)護28d后的物理性質(zhì)，包括試塊的孔隙率、吸水率、表觀密度，每組測量三個，測量結(jié)果取其平均值.具體測試步驟如下：

（1）測干重量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，測其干重量，記為C;將干燥后的樣品煮沸2h后通過細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量其飽和重量E，記錄數(shù)值.

（2）計算方法

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、抗壓強度

根據(jù)ASTM C348[8]，制備40mm×40mm×160mm長方體試塊.在溫度為23℃，相對濕度>95%條件下養(yǎng)護至1d，3d，7d，28d.在指定齡期，測其抗折、抗壓強度，其中3個試塊為一組，測試結(jié)果取其平均值.

1.4 自收縮

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

β1=（ZT-Z0）×106/Z0? ?（1）

其中Zt為測量時刻試件長度值，Z0為終凝時刻試件長度值.

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，并振動密實，之后放入溫度為23±1 ℃，濕度>95%環(huán)境中養(yǎng)護24h，拆模后，將試塊浸泡在飽和Ca（OH）2溶液中養(yǎng)護至齡期為72h.72h使用比長儀和電子天平首次測量試塊長度和質(zhì)量，之后將試塊放入50±3%，23±1℃環(huán)境中養(yǎng)護，并在指定齡期繼續(xù)測試.3個試塊為一組，結(jié)果取平均值.

干縮應變值公式為：

β2=（GT-G0）×106/280? ?（2）

其中Gt為測量時刻試件長度值，G0為首次測試時試件長度值.

質(zhì)量損失率應變值公式為：

β3=（MT-M0）/M0×104? ? （3）

其中Mt為測量時刻試件質(zhì)量值，M0為首次測試時試件質(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，S1，S2，S3各組的孔隙率分別僅增長了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，分別減少了7.63%，8.10%，6.40%.這是由于當OPC摻量較少時，早期加速水化形成的鈣礬石會對水泥石產(chǎn)生細微裂縫，導致孔隙率增加.隨著OPC摻量的增加，早期產(chǎn)生大量的鈣礬石，部分鈣礬石會填充于空隙中，隨著反應的進行，后期產(chǎn)生的鈣礬石逐漸填滿空隙，因此導致孔隙率減少;同時可以看到OPC摻量的增加對吸水率的影響規(guī)律與孔隙率一致，這是由于吸水率的高低主要是因為水泥砂漿中非結(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幾.

2.2 OPC摻量對砂漿抗折強度，抗壓強度的影響

圖1、圖2分別為不同OPC摻量下1d、3d、7d和28d抗折，抗壓強度數(shù)據(jù).可以看出，OPC摻量由0到42%時，1d的抗折、抗壓強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，3d，7d的抗折，抗壓強度則一致減小.同時S4，S5，S6三組7d的抗折，抗壓強度相對于3d出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.且OPC摻量越多，倒縮越明顯.這是因為OPC的摻入使水泥水化加速，水化產(chǎn)物瞬間增多且粗大，對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會使強度降低.而且主要水化產(chǎn)物鈣釩石晶體粗大，生長不完全，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、抗壓強度隨著OPC摻量的增加而減少，但S4、S5、S6組相對于S0組，28d抗折、抗壓都有一定幅度的提高.以S0組為基準，S4、S5、S6組抗折強度分別提高了4.05%，0.62%，1.56%，抗壓強度分別提高了3.40%，8.34%，0.74%.S4組抗折強度提高幅度最大，S5組抗壓強度提高幅度最大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是因為S4，S5，S6組28d時，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.1d齡期時，S5組折壓比最大，相對于S0組提高了14.2%，僅S1，S2組折壓比小于S0組;3d，7d齡期時，S6組折壓比都最大，相對于S0組分別提高了17.9%，34.0%.3d齡期時，僅S2，S3，S4組小于S0組，7d齡期時，各組折壓比均大于S0組;28d齡期時，S1組折壓比最大，相對于S0組提高了1.7%，但其余各組均小于S0組.因此，適當?shù)腛PC摻量可改善砂漿的韌性，同時，齡期越長，對折壓比的改善效果越不利.

2.4 OPC摻量對砂漿自收縮的影響

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水化促進了鋁膠轉(zhuǎn)化為鈣礬石，因此也促進了C4A3的水化，導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)當快硬硫鋁酸鹽水泥占比在50%～100%時，增大快硬硫鋁酸鹽水泥占比，砂漿的收縮率稍有增加.這一點與本文中的結(jié)論相吻合.

由圖4同樣可以計算出，S0，S1，S2，S3各組1d的收縮量占總收縮量的比例，分別達到了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.同時在另一方面也能說明，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%.這是因為當OPC摻量很少時，早期水化速度相對較慢，水泥石中的空隙無法被鈣礬石填滿，隨著水化的進行，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略微減小.收縮趨勢與圖2中的試驗結(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，達到了499.1×10-4，S0組僅為236.5×10-4.且S6組相對于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)象是因為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)導致的.隨著OPC摻量的增加，促進了復合膠凝體系的水化反應進程，大量水化產(chǎn)物快速生成并積累起來，對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、抗壓強度隨著OPC摻量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，3d，7d的抗折，抗壓強度則隨OPC摻量的增加而一致減小.同時S4，S5，S6三組7d的抗折，抗壓強度相對于3d出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.S4、S5、S6組相對于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，進而導致干縮越小，質(zhì)量損失率越大.

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