不同类型混合材对路用水泥力学性能影响试验研究

刘志胜 杨文尚 张彧琦

摘要：为研究不同矿渣、粉煤灰和不同细度的混合料对水泥力学性能的影响，并分析不同混合材对水泥活性指数的影响，确定了混合材对水泥性能的影响机理。结果表明：矿渣中的CaO和MgO成分是导致矿渣对水泥性能及活性影响的直接原因；混合材主要起到填充作用，其细度对水泥的早期、后期强度没有明显的改善作用；较粗的活性混合材对提高水泥活性指数和抗压性能具有更明显的效果。

关键词：水泥性能；混合材；活性指数；抗压强度

中图分类号：U416.21 文献标志码：B

Abstract： The mechanism of how admixture affects the mechanical properties of cement was determined by testing with different slag， fly ash and mixture with different fineness and analyzing the impact of admixture on the activity index of cement. The results show that CaO and MgO in the slag directly cause the impact on cement's properties and its activity index； the fineness of the admixture has little impact on the strength of cement； coarse active admixture improves the activity index and compressive strength more obviously.

Key words： cement property； admixture； activity index； compressive strength

0 引 言

近年来，中国经济飞速发展，交通基础设施建设规模逐渐扩大，道路工程逐步向深山、大河等气候、地理条件更加复杂的地区延伸。在高等级路面中，水泥混凝土路面仅占道路总里程的5%左右。制约水泥混凝土路面应用的主要因素是：水泥混凝土在实体工程中干、温缩明显；水泥石内部孔隙收缩力较大，易引发内部微裂纹；在荷载作用下，硬化后的混凝土沿裂纹拓展方向发生破坏[1-2]。此外，水泥混凝土路面为条带状结构，与周围环境接触的比表面积相对多，更大程度上促进了干、温缩裂缝的产生与扩展；同时，基层的摩阻增加了水泥混凝土自身的应力，硫酸盐腐蚀体渗入水泥混凝土内部，影响水泥结构与构造内部钢筋的使用寿命[3]。但是，水泥混凝土路面具有较高的承载力，如果将其推广，可解决中国重载交通对道路破坏的难题；同时，水泥和钢材一直维持在较低的价位，水泥混凝土路面的建设成本远低于沥青混凝土路面。因此，本文从水泥基本性能出发，系统研究混合料类型对路用水泥基本性能的影响，研究不同混合料对水泥的抗压、抗折强度和活性指数的影响规律，为路面用水泥混凝土的材料组成优化设计提供理论依据。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

试验所用水泥熟料选自朔州山水新时代水泥有限公司。将生产的熟料混匀，取样点设在出窑熟料输送机处，每小时取样一次，每次取样约2 000 g，经颚式破碎机破碎至粒度小于5 mm，测试水泥熟料的化学成分，结果见表1。

试验所用的混合料均来自山西省朔州市周围的材料生产基地、再生料应用厂家。测试不同类型混合材的化学成分，结果见表2。

试验所用脱硫石膏来自朔州山水新时代水泥有限公司，石膏中SO3含量为42.3%，其他相关性能均符合《用于水泥中的工业副产石膏》（GB/T 21371—2008）的规定，石膏的化学成分见表3。采用占水泥总质量5%的石膏进行水泥的制备。

1.2 试验方法

为研究不同类型混合料对复合水泥实际性能的影响，混合材与水泥熟料质量比例采用1∶1，进行3 d和28 d的抗压、抗折强度试验，并与水泥熟料制备的水泥进行对比，分析不同混合料对水泥活性指数的影响。试验均按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）进行。

2 试验结果分析

将制备好的熟料按等分法称取5.00 kg为一份，加入5%的脱硫石膏，以硅酸盐水泥为基础，分别与11种混合材在最佳掺量下进行磨细，制备出不同类型的硅酸盐水泥。粉磨时间（试验为30 min）根据KH（石灰饱和系数）凭经验确定，甩料3 min，用0.9 mm方孔筛过筛，混合均匀后，进行物理指标、力学性能试验，试验结果如表4所示。

2.1 不同类型矿渣对水泥性能的影响

对上述不同类型矿渣混合材制备的水泥进行力学性能研究，分析不同类型矿渣混合材对水泥抗压、抗折强度的影响。试验结果如图1所示。

根据图1可以看出，不同类型矿渣混合材的3 d和28 d抗折、抗压强度均低于单纯的水泥熟料与石膏制备的水泥，表明不同类型矿渣对水泥的力学性能均有不利影响。相比较而言，矿渣对水泥性能3 d和28 d抗折强度的影响相对较小；同时，随着养生时间的增加，混合料对水泥性能的影响也逐渐明显。3种矿渣对水泥性能的影响表现出相同的规律。随着养生时间增加差异性逐渐明显，宣化矿渣对水泥性能的影响最小，华贸矿渣次之，太钢矿渣最大。添加不同类型矿渣对水泥产生不同影响的原因在于：宣化矿渣含有更多的CaO和MgO，这些富钙成分和水泥熟料结构中的SiO2发生反应生成玻璃体，促进了矿渣与水泥熟料混合物性能的提升[4-6]。

2.2 不同类型粉煤灰对水泥性能的影响

对上述不同类型粉煤灰混合材制备的水泥进行力学性能研究，分析不同类型粉煤灰对水泥抗压、抗折强度的影响。试验结果如图2所示。

由图2可以看出，随着养生时间的增加，3种粉煤灰对水泥性能影响的差异性逐渐明显。不同类型的粉煤灰对水泥的3 d和28 d抗折、抗压强度均产生不同程度的影响；相比较而言，粉煤灰对水泥性能3 d和28 d抗折强度的影响小于对抗压强度的影响。随着养生时间的增加，不同类型粉煤灰对水泥抗压和抗折强度的影响逐渐明显。格瑞特粗灰对水泥抗压强度和抗折强度的影响均小于其他2种粉煤灰。原因是格瑞特粗灰具有较小的烧失量和较高的Al2O3含量，Al2O3在湿环境下可以提高水泥中OH-的浓度，进而可有效地克服富钙相的分解活化能，并与水泥成分中的活性硅铝阳离子作用生成水化铝酸钙等产物，增加材料性能。

2.3 不同细度混合料对水泥性能的影响

对上述2种粉煤灰混合料制备的水泥进行力学性能研究，分析不同类型和不同细度粉煤灰混合材对水泥抗压、抗折强度的影响。试验结果如图3所示。

通过图3可以看出，2种细灰作为混合料制备的水泥的3 d抗折强度均小于以粗灰作为混合料的水泥；而2种细灰作为混合料制备的水泥28 d抗折强度均大于粗灰制备的水泥，表明增加粉煤灰细度，可以提高水泥后期抗折强度的增长速率。整体而言，不同细度的粉煤灰对水泥3 d和28 d抗折强度影响不明显。相比抗折性能，2种细度粉煤灰对水泥抗压强度性能的影响随养生期的延长表现出相反的规律，添加格瑞特粗灰制备的水泥28 d强度大于同等条件下添加其他混合材制备的水泥。按照已有理论，混合料的比例越大，化学反应越快，强度性能提升越快；然而，实际水化过程中大部分混合料只起到填充作用，对强度的贡献不大，同时较细的混合材2次水化相对充分，水化产物不断发育，具有一定的膨胀性，对材料的性能有一定的负面影响。

2.4 不同类型混合料对水泥活性指数的影响

对表4中，得到不同类型的混合料制备的水泥力学性能分析不同类型混合料对水泥活性指数的影响规律，试验结果如图4所示。

由图4可以看出，不同类型的混合料对水泥活性指数具有不同程度的影响，格瑞特粉煤灰对水泥性能的影响远小于其他类型。随着养生龄期的增加，添加不同类型混合料制备的水泥的活性指数呈现不同的增长，而添加石子作为非活性材所制备的水泥表现出活性指数下降的趋势；添加格瑞特粗灰所制备的水泥活性指数最大，而添加宣化矿渣所制备的水泥活性指数增长速率最大。进一步说明了活性混合料对水泥性能的影响大于非活性材，同时，较粗的活性混合料对水泥活性指数的提高与抗压性能的增强更加明显。

3 结 语

本文从水泥基本性能出发，系统研究了不同混合料类型对水泥的抗压、抗折强度和活性指数的影响规律，得到如下结论。

（1） 矿渣中的CaO和MgO成分对水泥力学性能及活性指数有直接影响，添加Al2O3含量较高的粉煤灰对水泥抗压强度和抗折强度影响较小。

（2） 混合料主要起到填充作用，其细度对水泥的早期、后期强度没有很明显的改善作用。

（3） 活性混合料对水泥性能的影响大于非活性材，较粗的活性混合料对水泥活性指数与抗压性能的增强更加明显。

参考文献：

[1] 樊慧平.关于提高水泥胶砂强度检测质量的对策[J].山西交通科技，2010（6）：39-41.

[2] 杜保立.多混合料复合水泥性能的研究[D].济南：济南大学，2013.

[3] 曹晓非，徐觉慧，李和平，等.不同混合料掺量配比对复合水泥实际性能的影响[J].中国建材科技，2012（2）：37-42.

[4] 万惠文，陈学兵，王 君.矿渣成分及结构对潜在活性的影响[J].武汉理工大学学报，2009，31（4）：101-103.

[5] 杨晓杰，周惠群，韩长菊，等.钢渣的比表面积和掺量对水泥性能的影响研究[J].建材发展导向，2013（6）：42-44.

[6] 张作顺，徐利华，赛音巴特尔，等.钢渣矿渣掺合料对水泥性能的影响[J].金属矿山，2010（7）：173-176.

[责任编辑：谭忠华]