CEM I型水泥和易性和力学性能的改善

赵鹏，黄涛，曹忠露，李沛

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

安哥拉卡宾达卡约新港口项目是在近岸水域新建一个离岸式700 m长集装箱及散杂货码头，背后形成吹填堆场，并有引堤、引桥与陆域设施相连，是一座设施齐全、功能完善的大型深水港口项目。码头的结构形式为高桩码头，整个项目所需混凝土达40多万m3，水泥的需求量较大。

为满足混凝土强度等级C35/45，暴露环境等级XC4、XS3、XA2，保护层厚度60 mm的设计要求，英标BS 8500-1—2015+A1—2016[1]和 BS 6349-1-4：2013[2]指定的水泥类型有3种，分别为IIB-V、IIIA、IIIB。该3种水泥有两种形式，一种是水泥厂家直接生产的成品，无论安哥拉当地市场，还是国际市场，都少有销售，很难买到，应用受到局限；另一种是使用CEM I型水泥分别掺加21%～35%的粉煤灰（FA）、36%～65%或66%～80%的矿粉（GGBS），其中CEM I、FA和GGBS应用更普遍，市场上易购买。因此，为满足设计和规范要求并兼顾经济性，决定采用CEM I型水泥，通过单掺GGBS或双掺GGBS和FA来改善其性能。

英标中的CEM I型硅酸盐水泥[3]与国标中的P.I型和P.II型硅酸盐水泥[4]，在其规范定义、熟料和石膏含量、混合料的种类和掺量等方面存在区别。P.I型水泥的熟料+石膏=100%，且不掺加任何混合料。P.II型水泥的熟料+石膏≥95%，且混合料是0～5%的GGBS或石灰石。而英标中CEM I型水泥的定义为熟料≥95%，混合料占0～5%，混合料可以是GGBS、硅粉、火山灰、粉煤灰、石灰石或其它材料；CEM I中有硫酸钙（石膏的主要成分），但具体掺量不明确。由于英标中的CEM I型与国标中的P.I型和P.II型硅酸盐水泥存在一定差别，CEM I型硅酸盐水泥单掺或复掺GGBS和FA时，其和易性、强度和耐久性的改善效果以及最佳掺量范围，是需要进行现场实际验证的。

本研究目的是阐明CEM I型水泥在单掺或双掺GGBS和FA下的和易性和力学性能，确定矿物掺合料的掺加方式及其最优掺量，以便为胶材的选用和采购提供技术依据和支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥：巴基斯坦LuckyCement Ltd按英标生产的CEM I 42.5N水泥，其性能指标如表1所示。

表1 CEM I水泥的性能指标Table 1 Performance index of CEM I cement

矿粉：唐山S95粒化高炉矿渣粉（GGBS），其性能指标如表2所示。

表2 矿粉的性能指标Table 2 Performance index of GGBS

粉煤灰：巴基斯坦出口商提供的F类I级粉煤灰（FA），其性能指标如表3所示。

减水剂：山西液体萘系减水剂（NS），其性能指标如表4所示。

表3 粉煤灰的性能指标Table 3 Performance index of FA

表4 萘系减水剂的性能指标Table 4 Performance index of naphthalene water-reducer

砂：ISO标准砂。

水：安哥拉卡宾达卡约村地下水，其性能指标如表5所示。

表5 水的性能指标Table 5 Performance index of water

1.2 试验方法

将CEM 1型水泥用0%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%的GGBS进行等量替代，每组又分掺0%和2.2%萘系减水剂（NS）两种情况，分别称取胶材（水泥+GGBS）450 g、标准砂1 350 g、水225 ml，按照BS EN 196-1[5]规定方法搅拌、成型水泥胶砂，测定其胶砂流动度；同时成型40 mm×40 mm×160 mm试件2组，按照BS EN 197-1[3]的要求，测定其2 d和28 d抗折和抗压强度。BS EN 197-1中规定，对42.5N水泥，其早期强度应检测2 d抗压强度、且必须≥10 MPa。

在（GGBS+FA）双掺的总量分别为50%、55%、60%和65%的情况下，FA的掺量从0%、15%、20%、25%、30%进行变化，分别称取胶材（水泥+GGBS+FA） 450 g、标准砂 1 350 g、水 225 ml，按照BS EN 196-1规定方法搅拌、成型水泥胶砂，测定其胶砂流动度；同时成型40 mm×40 mm×160 mm试件2组，按照BS EN 197-1的要求，测定其2 d和28 d抗折和抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 单掺矿粉（GGBS）对CEM I型水泥和易性和强度的影响

单掺矿粉时，水泥胶砂流动度随着矿粉掺量（0→70%）增加而增大（图1），掺量至70%时，无泌水，黏聚性良好。水泥胶砂2 d龄期时，抗折强度和抗压强度均随矿粉掺量（0→70%）增加而显著降低（图2和图3）；水泥胶砂28 d龄期时，强度均随矿粉掺量（0→70%）增加，呈现出先增加后降低的趋势（图2和图3），最优矿粉掺量约50%。即使矿粉掺量提高至65%时，其强度也有保证。矿粉掺量相同时，掺加萘系减水剂（NS）能增加水泥胶砂的流动度，提高其抗压强度和抗折强度。

图1 矿粉和减水剂掺量对CEM I水泥胶砂流动度的影响Fig.1 EffectofGGBSandwater-reducerontheflowability of CEM I cement mortar

图2 单掺GGBS对CEM I水泥抗折强度的影响Fig.2 Effect of GGBS on the flexural strength of CEM I cement

图3 单掺GGBS对CEM I水泥抗压强度的影响Fig.3 Effect of GGBS on the compressive strength of CEM I cement

2.2 双掺矿粉（GGBS）和粉煤灰（FA）对CEM I水泥和易性和强度的影响

双掺矿粉和粉煤灰时，CEM I水泥胶砂流动度，随着矿粉和粉煤灰双掺总量（50%→65%）的增大而增加（图4）；且在矿粉和粉煤灰双掺总量（50%、55%、60%或65%）不变的情况下，粉煤灰掺量（0→30%）的提高可进一步增加水泥胶砂的流动度（图4），浆体无泌水，黏聚性良好。

图4 GGBS和FA双掺对CEM I水泥胶砂流动度的影响Fig.4 Effect of GGBS and FA on the flowability of CEM I cement mortar

水泥胶砂2 d龄期时，其抗折强度和抗压强度，均随着矿粉和粉煤灰双掺总量（50%→65%）的增大而降低（图5和图6）；且在矿粉和粉煤灰双掺总量不变的情况下，粉煤灰掺量（0→30%）的提高引起强度的显著降低；水泥胶砂28 d龄期时，在矿粉和粉煤灰双掺总量（50%、55%、60%或65%）不变的情况下，其强度随粉煤灰掺量（0→30%）的提高呈降低趋势，但粉煤灰掺量为15%～20%时，其强度仍有保证。这与国内行业标准JTS 202-2—2011《水运工程混凝土质量控制标准》[6]中，对矿物掺合料用量的规定相符合。

图5 双掺GGBS和FA对CEM I水泥抗折强度的影响Fig.5 Effect of GGBS and FA on the flexural strength of CEM I cement

图6 双掺GGBS和FA对CEM I水泥抗压强度的影响Fig.6 Effect of GGBS and FA on the compressive strength of CEM I cement

3 结语

1）矿粉和粉煤灰均能改善CEM I型水泥胶砂的和易性，且粉煤灰对CEM I型水泥胶砂和易性的改善效果要优于矿粉；矿粉对CEM I型水泥胶砂强度的增长作用优于粉煤灰；矿粉和粉煤灰掺量较高时，CEM I型水泥胶砂的早期强度较低，但其后期强度有保证；

2）单掺GGBS可满足工作和易性和强度要求。单掺GGBS时，其最优掺量为40%～55%，最大掺量可为65%；双掺GGBS和FA时，其掺量宜为55%～60%，最大掺量可达65%，且其中粉煤灰FA掺量宜为15%～20%；

3）使用矿物掺合料对CEM I型水泥进行改善，使其性能更优越、可大大降低原材费用，节约成本，产生显著的经济效益。