添加超微粒水泥对水泥混凝土工程性质的影响

周　鹏

(鄂州职业大学,鄂州　436000)



添加超微粒水泥对水泥混凝土工程性质的影响

周鹏

(鄂州职业大学,鄂州436000)

本研究基于科技的进步，将一般水泥利用奈米科技的运用研磨成超微粒水泥，使水泥颗粒细致化，增加其水化反应速率，不仅可以减少水泥生产开发，减少碳足迹，而透过物理的变化来评估其开发的可行性。

超微粒水泥; 硬固性质; 耐久性质

1　引　言

伴随着科技日新月异，从微米时代进入到奈米时代，近年来奈米科技发展非常蓬勃，许多领域纷纷投入了奈米的行列，奈米材料的发展使土木工程也迈入奈米世界，如果能让奈米材料充分发挥它的特性，让混凝土更为致密，使工程性质变强，对工程界来说是一项难得突破[1]。由于水泥生产耗用大量能源，同时制造水泥时产生大量微尘的排放及每千克水泥生产排放1 kg CO 气体，严重破坏大气层及提升地球温度(温室效应)，随着二氧化碳排放量减缩要求，混凝土业者对水泥生产有着“零废料”“零污染”的期许。因此本研究基于科技的进步，将一般水泥利用奈米科技的运用研磨成超微粒水泥，使水泥颗粒细致化，透过物理的变化来评估其开发的可行性。

2　试　验

2.1混凝土配比设计

表1　超微粒水泥配比设计参数

注：低浆厚度(t=5 μm)时，设计三个水胶比(W/B=0.25、0.35、0.45)作为不同浆体质量的对照；在水胶比0.35时，设计三种浆体厚度(t=5 μm、15 μm和30 μm)以作为浆体变化量的比较。

本研究混凝土所使用的材料包括:粗粒料、细粒料、水泥、飞灰、炉石、硅灰、强塑剂及水等8种材料。配比设计参数表整理于表1超微粒水泥[2]配比设计参数。

2.2新拌性质试验

2.2.1流度试验，试验步骤如下

(1)先将流度台表面和模内模壳润湿;

(2)再将拌合完成后的水泥浆和水泥砂浆分二层倒入模壳内，每层的厚度约2.54公分，并以捣棒捣实20次;

(3)用刮刀将模壳顶面多余的浆刮除，摇动流度台以15 s内震落25下，每次的落距为20 mm;

(4)以尺量测浆体直径。

2.2.2似绝热水化温度量测试验

试验步骤如下:

(1)依照水化温度试验配比表，进行试体拌合;

(2)将拌合完成的试体装入保丽龙盒内;

(3)安装数字式精密水化温度量测系统;

(4)用胶带将保丽龙盒密封;

(5)置放72 h后收集水化温度数据。

2.3裂缝敏感度试验

主要观察及量测混凝土在新拌阶段，暴露于外界干燥环境下所产生的塑性裂缝宽度，其混凝土试体模为圆形柱钢模。

(1)

式中I-内圈裂缝尾端宽度；O-外圈裂缝尾端宽度。

2.4硬固性质试验

2.4.1抗压强度试验

依CNS1174、1230、1232的规定[3]，制作10 cm(φ)×20 cm(H)的混凝土圆柱试体，并置放于饱和石灰水中养护置所需龄期(3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、91 d)后，取出试验在空气中放置1 h，待其与大气温度相当时，再用抗压试验机进行抗压试验。

2.4.2长度变化量测试验

长度变化量的计算方式如(公式2)

(2)

式中 :ΔLx-试体于第X龄期的长度变化(%);Lx-试体于第X龄期的长度比较测微器的读值减去同龄期参考杆的比较测微器读值(mm);Li-试体的初始长度比较测微器读值减去同一时间参考杆的比较测微器读值(mm);G-标称的有效标距250 mm。

2.5吸水率试验

研究进行混凝土吸水率试验量测，先将龄期28 d试体置于烘箱干燥，待24 h后，放置于室温秤重，此为WOD重，后将试体置放于水中，于吸水率测定72 h的试验时间，将试体拿起以毛巾擦干，使试体达到饱和面干状态并秤其重量，此为 重，经由(公式3)求出混凝土的吸水率。

(3)

式中 ：WSSD-试体烘干的重量(g);WOD-试体浸于水中72 h后的重量(g)。

2.6耐久性值试验

2.6.1混凝土氯离子电渗试验

计算通过总电荷量由(4)式所示：

Q=900(I0+2I30+2I60+……2I300+I360)

(4)

式中Q-电流量(Coulombs);It-量测时间t的电流值(Ampers)。

若试体为非标准试体(非标准试体的直径为102 mm的钻心试体或圆柱试体)时以(5)式修正之：

(5)

式中：Qs-换算直径3.15(in)时的通过电量(Coulombs);Qx-在直径x(in)时的通过电量(Coulombs);x-非标准试体的直径(in)。

2.6.2氯离子浓度量测

测量方法：电位差滴定法,电位差滴定法主要利用0.1 N标准硝酸银溶液滴定含有氯离子的待测液，并使其产生白色氯化银(AgCl)沉淀[4]，方程式如式(6)所示：

Ag++Cl-(1.6)→AgCl(s)

(6)

氯离子浓度量其计算式如式7所示：

(7)

式中：N1：硝酸银当量浓度，0.1 N;V1-滴定终点(EPValue);N2-氯离子当量浓度;V2-待测液体积(mL);W-试样粉末重(g)。

3　结果与讨论

3.1新拌性质行为

(1)超微粒最佳取代量的流度范围与强塑剂用量强塑剂为一种接口活性剂[5]，当水泥一接触到水后，钙离子立即释放出而进入溶液中且吸附于水泥颗粒表面，因此表面变成带正电荷，而溶液中强塑剂及吸附于此表面而阻碍水化进行，由于超微粒水泥颗粒细微，比表面积大，其效应与硅灰的效应相似，具有保水效果，而稠度随着超微粒水泥取代量增加而增加，工作性相对下降，所以需额外添加强塑剂，来增加其工作性，伴随着超微粒水泥取代量越多，所需的强塑剂的量也越多。

图1　超微粒水泥最佳取代量的塑性指数Fig.1　Ultrafine cement optimal substitution plasticity index

(2)水泥进行水化过程，所产生的放热反应称为水化热。温度高可以加速水化反应，但是也使显微组织凌乱，本研究在固定体积下，测定超微粒水泥取代量的水化热，在同一水灰比情况下随着超微粒水泥取代量愈多，其水化热第2高峰温度也越高。然而水化热滋生的表面温度所产生的差异应变裂缝以及表面湿度的蒸散所造成的裂缝，也会随着超微粒水泥取代量的增大而产生裂缝的机率增大,如图1所示。

(3)新拌混凝土施工时，其表面上浮的水份的温度、湿度、风速、加上混凝土本身的温度，而造成表面水分快速蒸发，当蒸发率大于混凝土表面泌水率或外界补充的水份，实际会产生表面裂缝。本研究量测在温度23℃和相对湿度50%的环境下，结果如图1a及图1b所示，以超微粒水泥取代50%时CI指数为9.13，而无添加超微粒水泥的CI指数为6.4，伴随CI指数越高，表示表面裂缝宽度越宽或裂缝数量越多，其胶体抵抗收缩变形的能力就越差。

3.2综合评估

由以上新拌性质综合，所得结论:超微粒水泥取代量越多，则水化温度、塑性裂缝试验结果也越差，其工作性也因颗粒细微、表面积大，与硅灰的效应相似，具有保水效果，需额外添加强塑剂来增加其流动性，来达到工作性的目的，因而本设计超微粒水泥取代量至高为50%。

3.3硬固性质行为

由于超微粒水泥颗粒微细，水化速率激增，使其早期强度有明显的效果，可发现在初期(3 d)超微粒水泥取代10%时比无添加超微粒水泥0%的强度成长比例达25%，超微粒水泥取代50%比无添加超微粒水泥的长度成长比例达46%，也可以说随着超微粒水泥取代越多早期强度就表现越明显。但在28 d时在发现超微粒水泥取代10%时成长速度竟优于超微粒水泥取代50%，由此可见，并非超微粒水泥取代越多。

3.4综合评估

根据新拌性质及硬固性质试验的结果发现超微粒水泥取代越多，其水化温度、工作性、CI指数随着取代量越多，反而裂缝产生的机率越大，甚至抗压强度的成长速率并没有随着取代量越多而成正比例来成长，所以在施工时就不必付出更多的施工成本，且在水泥水化时所产生的温度也不会因为取代量过多而增加，反而可以降低水化时内部温度与表面温度差所产生的温度差裂缝，故综合其试验结果则选择超微粒水泥取代水泥量10%作为第二阶段配比设计的标准，并且应用高性能混凝土，观察其新拌性质，硬固性质、耐久性质及微观试验的影响。

4　超微粒水泥混凝土的耐久性

4.1快速氯离子电渗

混凝土的渗透性为控制耐久性的重要因素之一，尤其在地处高温多雨的环境下，容易助长钢筋混凝土的腐蚀作用，当混凝土质量不佳时，水分子与氯离子更易直接侵入混凝土内部，造成钢筋锈蚀，发生混凝土膨胀行为，进而危害到结构物的安全性，其实验结果如表2。

表2　超微粒水泥混凝土的电渗值与吸水率

综合以上论点，得到结论：浆质愈佳，孔隙则相对减少，因此对于外界的有害物质就不易侵入。但浆质愈差，导致孔隙增多，造成渗透性增大，不利于混凝土的耐久性。

4.2氯离子含量试验

钢筋混凝土中的钢筋受到混凝土碱性保护，一但在正常状态下是非常耐久的，然而一但有氯离子的存在，则氯离子会集中在钢材表面形成Fe(OH)2及FeCl2，此刻钢筋表面的钝化层会被破坏而形成严重的腐蚀，依照CNS3090或CNS12891[5]中规定限制水溶液性氯离子，在不同的环境下采取不同的限制标准。本试验是采取固定深度2 mm，且在龄期28 d及56 d来进行氯离子滴定试验。

综合分析：添加超微粒水泥可以有效抵抗外来的侵蚀，但效果并不明显，建议可以添加卜作岚材料与超微粒水泥一起混合于混凝土中，使得卜作岚反应一直持续，生成的C-S-H胶体来填塞颗粒间的微孔隙。故适量添加卜作岚材料，是可以抵抗外在的侵蚀。

5　结　论

(1)纯添加超微粒水泥是可以降低电渗值，但降低幅度不大，如要有效降低电渗低，可以选用卜作岚材料混合掺加至混凝土中，透过适量卜作岚作用降低渗透性;

(2)添加超微粒水泥可以有效抵抗外来的侵蚀，但效果并不明显，建议可以添加卜作岚材料与超微粒水泥一起混合于混凝土，使得卜作岚反应一直持续，生成的C-S-H胶体来填塞颗粒间的微孔隙。故适量添加卜作岚材料，是可以抵抗外在的侵蚀。

[1]李虎军,王琪.水溶性聚合物改性水泥的研究I.水溶性聚合物改进水泥流动性[J].功能高分子学报.1998,(01):11-15.

[2]黄新恩,董晓强,耿兴华,等.环境污染对水泥土力学性能影响的试验研究[J].中北大学学报(自然科学版).2009,(05)：5-8.

[3]Kunhanandan E K,Nambiar,Ramamurthy K.Influence of filler type on the properties of foam concrete[J].Cement and Concrete Composites,2006:22-26.

[4]刘志勇,缪昌文,周伟玲,等.迁移性阻锈剂对混凝土结构耐久性的保持和提升作用[J].硅酸盐学报.2008,(10):18-20.

[5]谢友均,马昆林,龙广成,等.矿物参合料对混凝土中氯离子渗透性的影响[J].硅酸盐学报.2006,(11):5-8.

Adding the Impact of Ultrafine Cement on Engineering Properties of Concrete

ZHOU Peng

(Ezhou Polytechnic,Ezhou 436000,China)

This study was based on advances in technology,the general use cement grinding using nanotechnology into ultra-fine particles of cement,cement particles meticulous,increasing its hydration reaction rate,not only can reduce the cement production and development,reduce their carbon footprint,and through physical changes to assess the feasibility of their development.

ultrafine particles of cement;hard solid nature;durable nature

周鹏(1977-),女,副教授.主要从事土木工程方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0646-05