王 博，閆鐵成

(隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

目前，國內(nèi)建筑工程中最常用的是傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥(P.O)，因其具有生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性能高等特點，而被廣泛應(yīng)用和研究[1-4]。硅酸鹽水泥標(biāo)號較高，常用于高強度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土材料中。但是由于其硬化后含有較多的Ca(OH)2、抗軟水侵蝕和抗化學(xué)侵蝕性較差、水化過程中放出大量的熱和耐腐蝕性差等缺點，不適用于空氣中CO2含量較高的環(huán)境，不能滿足某些應(yīng)用需求[5-8]。而硫鋁酸鹽水泥作為和硅酸鹽水泥同樣應(yīng)用最為普遍的水泥品種，其因放熱速率快、耐高溫性好、耐硫酸腐蝕性強、不析出游離的Ca(OH)2等優(yōu)點[9-11]被廣泛應(yīng)用于一些工期緊急的工程和搶修工程中[12-14]。但是由于其生產(chǎn)廠家較少、成本較高，從而限制了硫鋁酸鹽水泥的廣泛應(yīng)用[15]。

如何將普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的優(yōu)勢結(jié)合在一起，成為國內(nèi)外研究者的研究方向。李偉等[16]從硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)合水泥的凝膠時間、膠砂強度的分析入手，研究了復(fù)合水泥體系的物理性能和水化進程，發(fā)現(xiàn)硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)合水泥的凝膠時間較純普通硅酸鹽水泥漿和硫鋁酸鹽水泥漿都顯著縮短，其主要水化產(chǎn)物為Ca(OH)2晶體、鈣礬石、C-S-H凝膠等。孫科科[17]研究了硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合為膠凝材料的基本性能,并利用礦物摻合料對復(fù)合水泥進行了改性，制備了具有優(yōu)良防腐抗?jié)B性能且成本較低的修補材料，可應(yīng)用于混凝土建筑物的修補及海洋建筑的防腐抗?jié)B等工程。王洪鎮(zhèn)等[18]研究發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥與低堿度硫鋁酸鹽水泥復(fù)合的膠凝材料流動度比純LAC要小，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，凝膠材料的流動度減小，而凝膠時間變快。因此，普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合凝膠體系能同時解決普通硅酸鹽水泥材料凝膠時間長和前期強度低、耐久性差的缺陷[19]。

本文根據(jù)設(shè)計配比，制備了普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合凝膠體系，對復(fù)合凝膠體系的流動度、凝膠時間、結(jié)石率和抗壓強度等進行了分析測試，獲得了各因素對復(fù)合膠凝體系的性能影響，得到最佳配合比，可用于制備速凝型復(fù)合凝膠體系水泥，對解決目前注漿止水加固材料需要二次注漿及加固強度低等問題具有重要意義。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)：礦物組成主要為63.9%(質(zhì)量分數(shù))的CaO，20.1%(質(zhì)量分數(shù))的SiO2，4.1%(質(zhì)量分數(shù))的Al2O3，3.61%(質(zhì)量分數(shù))的Fe2O3，3.3%(質(zhì)量分數(shù))的SO3，1.6%(質(zhì)量分數(shù))的MgO，0.5%(質(zhì)量分數(shù))的K2O，0.26%(質(zhì)量分數(shù))的Na2O，2.68%(質(zhì)量分數(shù))的其它組分，平?jīng)銎钸B山水泥廠有限公司；42.5快硬高強硫鋁酸鹽水泥：礦物組成主要為42.2%(質(zhì)量分數(shù))的CaO，8.1%(質(zhì)量分數(shù))的SiO2，32.3%(質(zhì)量分數(shù))的Al2O3，1.5%(質(zhì)量分數(shù))的Fe2O3，8.9%(質(zhì)量分數(shù))的SO3，1.2%(質(zhì)量分數(shù))的MgO，0.3%(質(zhì)量分數(shù))的K2O，0.16%(質(zhì)量分數(shù))的Na2O，0.92%(質(zhì)量分數(shù))的其它組分，唐山北極熊建材有限公司；聚羧酸粉體減水劑(PC1021)：含固量>98%，減水率>35%，蘇州市興邦化學(xué)建材有限公司。普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的物理性能如表1所示。

表1 普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的物理性能

1.2 復(fù)合凝膠體系的設(shè)計配比

通過改變普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥質(zhì)量比、減水劑用量和水膠比等參數(shù)，來探究普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合凝膠體系的性能參數(shù)，優(yōu)選硫鋁酸鹽水泥用量為復(fù)合膠凝體系用量的30%～70%(質(zhì)量分數(shù))，復(fù)合凝膠體系的設(shè)計配比如表2所示。

表2 復(fù)合凝膠體系的設(shè)計配比

1.3 樣品的測試與表征

凈漿流動度：采用截錐圓模參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077-2012)水泥凈漿流動的方法測定；凝膠時間：采用維卡儀參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2011)測定；結(jié)石率：在100 mL量筒中注入約80 mL水泥漿體(V1)，待水泥漿體水化24 h后，讀取結(jié)石體體積(V2)，結(jié)石率計算公式為R=V2/V1×100%；抗壓強度及抗折強度：采用抗折抗壓一體機參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)測定；SEM分析：采用日本日立Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡，取水化水泥漿芯部試樣觀察斷面形貌；豎向膨脹率：采用架百分表法參照《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119-2013)附錄C《灌漿用膨脹砂漿豎向膨脹率的測試方法》測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膠凝體系的性能影響因素分析

按照表2的設(shè)計配比，采用凈漿攪拌機制備了普通硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合凝膠體系，對復(fù)合凝膠體系的流動度、凝膠時間、結(jié)石率和抗壓強度進行分析測試，結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合膠凝體系性能實驗結(jié)果

分析表3中復(fù)合膠凝體系的流動度可知，隨著硫鋁酸鹽水泥用量的增加，復(fù)合膠凝體系的流動度不斷減小。這是因為在相同用水量條件下，水泥漿體的流動度主要與水泥顆粒的細度有關(guān)，水泥顆粒的細度越大，比表面積越大，需水量越多，流動度也越小。硫鋁酸鹽水泥的細度較普通硅酸鹽水泥大，所以隨硫鋁酸鹽水泥用量增加，復(fù)合膠凝體系的流動度不斷減??；而隨著水膠比的增加，復(fù)合膠凝體系的流動度不斷增加。這是因為水膠比增加，水泥顆粒表面包裹的水分增加，在漿液中的分散更均勻，水泥顆粒間流動阻力減小，流動度增加；此外，當(dāng)復(fù)合膠凝體系的水泥比例和水膠比不變時，減水劑的使用能顯著提高復(fù)合凝膠體系的流動度而不顯著影響凝膠時間及抗壓強度等其它性能。流動度增加，水泥漿體的注漿壓力減小，可注性大大提高，9#樣品的流動度達到320 mm，屬于高流動性，此時減水劑的用量為復(fù)合膠凝體系用量的0.5‰(質(zhì)量分數(shù))。

分析表3中復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率可知，水膠比為0.5時，隨著硫鋁酸鹽水泥用量增加，復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率不斷增加。這是因為，硫鋁酸鹽水泥的細度較普通硅酸鹽水泥大，隨硫鋁酸鹽水泥用量增加，水泥顆粒包裹的水分增加，加之隨硫鋁酸鹽水泥用量增加，復(fù)合膠凝體系的凝膠時間短，水分來不及析出。所以，隨硫鋁酸鹽水泥用量增加，復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率不斷增加。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為70%(質(zhì)量分數(shù))、水膠比為0.5時，復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率為100%；當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為70%(質(zhì)量分數(shù))、水膠比為0.45時，雖然復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率為100%，但流動度太低；而當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為70%(質(zhì)量分數(shù))、水膠比為0.55時，復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率僅為96%，這主要是由于用水量過多，水泥顆粒無法完全包裹水分，造成多余的水分析出。當(dāng)結(jié)石率小于100%時，固化后的水泥漿液無法充分密實填充土體空隙，后期仍然會出現(xiàn)復(fù)滲現(xiàn)象，需要進行二次封堵。因此，復(fù)合膠凝體系的水膠比以0.5為宜。

2.2 復(fù)合凝膠體系的抗折強度分析

圖1 為復(fù)合膠凝體系的抗折性能實驗結(jié)果。從圖1可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥用量的增加，復(fù)合膠凝體系1，3和28 d的抗折強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。6#樣品(硫鋁酸鹽水泥用量為700 g、普通硅酸鹽水泥用量為300 g、減水劑用量為0、水膠比0.45)的抗折強度達到了峰值，此時復(fù)合膠凝體系1，3和28 d的抗折強度增長率分別為49.17%，59.83%和64.62%，因此0.45水膠比下復(fù)合膠凝體系的抗折強度最佳。

圖1 復(fù)合膠凝體系的抗折性能實驗結(jié)果Fig 1 Experimental results of flexural properties of composite cementitious system

2.3 復(fù)合凝膠體系的抗壓強度分析

分析表3中復(fù)合膠凝體系的抗壓強度可知，隨著水膠比的增加，復(fù)合膠凝體系的各齡期的抗壓強度不斷減小。這是因為，隨水膠比增加，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)生的毛細孔數(shù)量增多，水化產(chǎn)物的密實性變差，導(dǎo)致抗壓強度降低；隨著減水劑用量的增加，復(fù)合膠凝體系的抗壓強度幾乎保持不變，主要是由于減水劑用量較少，對復(fù)合膠凝體系的抗壓強度影響較??；隨著硫鋁酸鹽水泥用量增加，復(fù)合膠凝體系1和3 d等早期抗壓強度不斷升高，而28 d抗壓強度先降低后升高。這是因為，隨著硫鋁酸鹽水泥用量的增加，復(fù)合膠凝體系的凝膠時間縮短，水化反應(yīng)速率增加，強度發(fā)展較快，所以復(fù)合膠凝體系的早期抗壓強度不斷升高。但水化速率增加，致密的水化產(chǎn)物包裹了水泥顆粒，阻止了水分子向水泥顆粒的進一步滲透，導(dǎo)致水泥顆粒的后期水化受到影響，所以水泥漿的后期抗壓強不斷下降。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為復(fù)合膠凝體系用量的60%(質(zhì)量分數(shù))時，樣品的28 d抗壓強度出現(xiàn)最低值，這主要是由于水化產(chǎn)物的堆疊狀態(tài)較松散造成的。這一現(xiàn)象，也可以通過水化產(chǎn)物28 d的SEM圖來解釋。不同硫鋁酸鹽水泥用量時，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物28 d的SEM圖如圖2所示。

圖2 不同硫鋁酸鹽水泥用量復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物28 d的SEM圖Fig 2 SEM images of the 28 d hydration products of the composite cementitious system with different dosage of sulphoaluminate cement

2.4 豎向膨脹率影響因素分析

圖3為不同硫鋁酸鹽水泥用量復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率隨時間變化關(guān)系。從圖3可以看出，不同硫鋁酸鹽水泥用量的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率都隨時間增加先增加后稍微減小，后期(約360 h后)出現(xiàn)輕微收縮現(xiàn)象。相同時間條件下，隨硫鋁酸鹽水泥用量的增加，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率先減小后增大。這是因為，復(fù)合膠凝體系的凝膠時間較短，水泥顆粒迅速水化產(chǎn)生大量尺寸為幾微米的結(jié)晶體(AFt)，在水化膠體間呈輻射狀生長，使硬化水泥漿體積膨脹，生成的AFt數(shù)量越多，復(fù)合膠凝體系的豎向膨脹率越大。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為60%(質(zhì)量分數(shù))時，由于普通硅酸鹽水泥的水化受到嚴(yán)重影響，生成的AFt數(shù)量比硫鋁酸鹽水泥用量為40%和70%(質(zhì)量分數(shù))時少，所以此時復(fù)合膠凝體系的豎向膨脹率最低。后期由于水化反應(yīng)的不斷完善，復(fù)合膠凝體系的結(jié)構(gòu)變得更加致密，所以出現(xiàn)輕微倒縮現(xiàn)象。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為40%～70%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率約為0.12%～0.14%，具有微膨脹特性，在水化前期和后期都不收縮。

圖3 不同硫鋁酸鹽水泥用量復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率隨時間變化關(guān)系Fig 3 Time dependent vertical expansion of the hydration products of composite cementitious system with different sulphoaluminate cement content

2.5 礦物摻合料的改性作用

為了改善復(fù)合膠凝體系的流動度、抗壓強度和抗折強度等性能，進行了礦物摻合料的驗證。優(yōu)選硫鋁酸鹽水泥的用量為70%(質(zhì)量分數(shù))，水膠比為0.5，減水劑用量為0.5‰(質(zhì)量分數(shù))，在該配比的復(fù)合膠凝體系中摻入硅灰和硅渣，通過改變摻合料的占比來對復(fù)合膠凝體系的抗壓/抗折強度和流動度進行分析對比，進而探究最佳摻和比例。圖4為不同摻量的硅灰對復(fù)合膠凝體系抗壓/抗折強度的影響。從圖4可以看出，隨著硅灰摻量的增加，復(fù)合膠凝體系3和28 d的抗壓強度、抗折強度均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在10%(質(zhì)量分數(shù))摻量下出現(xiàn)了峰值，增量為21.4%。因此，當(dāng)硅灰摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時，條件最優(yōu)。

圖4 不同摻量的硅灰對復(fù)合膠凝體系抗壓/抗折強度的影響Fig 4 Effect of different content of silica fume on compressive/flexural strength of composite cementitious system

表4為不同摻量的硅灰對復(fù)合膠凝體系流動度的影響。從表4可看出，復(fù)合凝膠體系中摻入硅灰后流動度明顯下降，且隨著硅灰摻量的增加，流動度降幅增大，當(dāng)硅灰摻量為15%(質(zhì)量分數(shù))時，流動度僅為230 mm，此時復(fù)合膠凝體系流動性較低，要保證流動度>250 mm才符合應(yīng)用，因此硅灰摻量應(yīng)小于10%(質(zhì)量分數(shù))。

表4 不同摻量的硅灰對復(fù)合膠凝體系流動度的影響

圖5為不同摻量的硅渣對復(fù)合膠凝體系抗壓/抗折強度的影響。從圖5可以看出，隨著硅渣的摻入，復(fù)合膠凝體系3 d的抗壓強度和抗折強度均出現(xiàn)了降低趨勢，當(dāng)硅渣摻量為5%(質(zhì)量分數(shù))時抗壓強度和抗折強度最低，降幅分別為17.39%和38.46%；而復(fù)合膠凝體系28 d的抗壓強度和抗折強度則隨著硅渣摻量的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)硅渣摻量為15%(質(zhì)量分數(shù))時抗壓強度和抗折強度達到最高，增幅分別為16.28%和18.75%。

圖5 不同摻量的硅渣對復(fù)合膠凝體系抗壓/抗折強度的影響Fig 5 Effect of different content of silicon slag on compressive/flexural strength of composite cementitious system

表5為不同摻量的硅渣對復(fù)合膠凝體系流動度的影響。從表5可看出，隨著硅渣摻量的增加，復(fù)合凝膠體系的流動度出現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當(dāng)硅渣摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時，流動度達到334 mm。因此，當(dāng)硅渣摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時，條件最優(yōu)。

表5 不同摻量的硅渣對復(fù)合膠凝體系流動度的影響

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)減水劑的用量為復(fù)合膠凝體系用量的0.5‰(質(zhì)量分數(shù))時，樣品的流動度最大，達到320 mm；當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為70%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系的凝膠時間分別縮短至6和14 min；當(dāng)水膠比為0.5、硫鋁酸鹽水泥用量為70%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系的結(jié)石率達到100%。

(2)隨著硫鋁酸鹽水泥用量的增加，復(fù)合膠凝體系1，3和28 d的抗折強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢；但其1和3 d等早期抗壓強度不斷升高，而28 d抗壓強度先降低后升高。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為70%時，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物含有大量針狀鈣礬石，且針狀鈣礬石間被C-S-H密實填充，力學(xué)強度開始升高。

(3)不同硫鋁酸鹽水泥用量的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率都隨時間增加先增加后稍微減小，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥用量為40%～70%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的豎向膨脹率約為0.12%～0.14%，具有微膨脹特性，在水化前期和后期都不收縮。

(4)適量的硅灰和硅渣的摻雜可以提高復(fù)合膠凝體系后期的抗壓強度、抗折強度和流動度。硅灰的摻雜對于復(fù)合膠凝體系的抗壓強度和抗折強度整體在前后期均有所提高，當(dāng)硅灰摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系3和28 d的抗壓強度、抗折強度出現(xiàn)了峰值；硅渣摻雜后，復(fù)合膠凝體系前期的抗壓強度和抗折強度會降低，后期的抗壓強度和抗折強度則得到了提高，當(dāng)硅渣摻量為15%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系28 d的抗壓強度和抗折強度達到最高；當(dāng)硅渣摻量為10%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合膠凝體系流動度達到334 mm。