复合水泥的力学及收缩性能的研究

黄乐 姚传勤

摘 要：系统研究了硅酸盐水泥（OPC）对硫铝酸盐水泥（SAC）的物理性质，力学强度及收缩性能的影响规律，将7%，14%，21%，28%，35%，42%的硅酸盐水泥等质量硫铝酸盐水泥比较实验.结果表明：S0，S1，S2，S3组随着OPC掺量的增加，28d试块孔隙率，吸水率略微不断增加，S4，S5，S6各组却小幅度减少，而各组表观密度相差无几;1d的抗折、抗压强度随着OPC掺量的增加，呈现先增加后减小的趋势，3d，7d的抗折，抗压强度则随OPC掺量的增加而一致减小，而S4、S5、S6组相对于S0组，28d抗折、抗压都有一定幅度的提高;适当的OPC掺量可改善砂浆的韧性;OPC掺量越多，复合水泥砂浆的自收缩越小，干缩越小，而质量损失率却越大.

关键词：硅酸盐水泥;硫铝酸盐水泥;抗折强度;抗压强度;自收缩;干缩

中图分类号：TU528.041  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0084-04

快硬硫铝酸盐水泥（SAC）的主要组成矿物是硅酸二钙和无水硫铝酸钙，具有快硬、早强、优良的抗渗和抗冻性等优点[1]，但在CO2长期侵蚀下容易碳化分解而引起承载力的下降，后期强度有倒缩现象[2]，且成本贵.硅酸盐水泥（OPC）成本低，后期强度稳定，是当今应用最广泛的建筑胶凝材料.硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥属于不同的水泥体系，本不应该混合使用，但是一定掺量的硅酸盐水泥对硫铝酸盐水泥起到了改善作用[7].王洪镇等[3]人研究表明在硫铝酸盐水泥中添加普硅水泥，使得水泥的碱度增加，水化加快，钙矾石的生成量增多.且两种系列水泥相混合后水泥砂浆的强度表现出了更加复杂的特征.王红[4]研究发现掺入适量硅酸盐热料，能够减小钙矾石的结晶尺寸，降低总孔体积，以至于提高了早期强度.张建波[5]等研究表明复合水泥中当OPC掺量为0%～20%时，其pH值和强度相对于纯的SAC或OPC而言基本持平，甚至还会稍微提高.陈娟等[6]研究得出两种水泥混合后，SAC中的C4A3矿物与OPC中的C3S矿物在共同水化过程中有相互促进的作用，且混合水泥的强度性能与两种水泥的混合比例有关.本文通过将硅酸盐水泥等质量替代硫铝酸盐水泥，研究其对复合水泥的物理性质，抗折，抗压强度，自收缩以及干缩等特性的影响.

1 试验部分

1.1 试验材料

硫铝酸盐水泥：河南登电集团水泥有限公司所制造的R·SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥.硅酸盐水泥：安徽海螺水泥股份有限责任公司所生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥.细骨料：淮河河砂，细度模数为2.6，粒径<5mm.水：城市自来水.水灰比设计为0.4，砂率40%.水泥砂漿100g配比如表1所示.

1.2 物理性质

根据ASTM C20[7]规范测试下，每个试块养护28d后的物理性质，包括试块的孔隙率、吸水率、表观密度，每组测量三个，测量结果取其平均值.具体测试步骤如下：

（1）测干重量C，悬挂重量D，饱和重量E

将试块在105℃烘箱中干燥至其恒重，测其干重量，记为C;将干燥后的样品煮沸2h后通过细线将试块悬浮于水中，记录数值，即为悬挂重量D;最后将试块表面擦干称量测量其饱和重量E，记录数值.

（2）计算方法

1）孔隙率

P=（E-C）/（E-D）×100%

2）吸水率

A=（E-C）/C×100%

3）表观密度

B=C/（E-D）×100%

1.3 抗折、抗压强度

根据ASTM C348[8]，制备40mm×40mm×160mm长方体试块.在温度为23℃，相对湿度>95%条件下养护至1d，3d，7d，28d.在指定龄期，测其抗折、抗压强度，其中3个试块为一组，测试结果取其平均值.

1.4 自收缩

根据ASTM C1698[9]，采用波纹管法测试砂浆的自收缩.制备波纹管试件过程中，将砂浆分3次逐步装入长为420mm波纹管中，放在恒定温度为23±1℃环境中养护.待试件终凝时，首次测试，共测试7d.3个试件为一组，测量结果取其平均值.自收缩应变值公式为：

β1=（ZT-Z0）×106/Z0   （1）

其中Zt为测量时刻试件长度值，Z0为终凝时刻试件长度值.

1.5 干燥收缩

根据ASTM C596[10]，制作尺寸为40mm×40 mm×280mm的干缩试件.搅拌浆体完毕后，浇筑入铸铁模具中，并振动密实，之后放入温度为23±1 ℃，湿度>95%环境中养护24h，拆模后，将试块浸泡在饱和Ca（OH）2溶液中养护至龄期为72h.72h使用比长仪和电子天平首次测量试块长度和质量，之后将试块放入50±3%，23±1℃环境中养护，并在指定龄期继续测试.3个试块为一组，结果取平均值.

干缩应变值公式为：

β2=（GT-G0）×106/280   （2）

其中Gt为测量时刻试件长度值，G0为首次测试时试件长度值.

质量损失率应变值公式为：

β3=（MT-M0）/M0×104    （3）

其中Mt为测量时刻试件质量值，M0为首次测试时试件质量值.

2 结果和分析

2.1 试块的物理性质

由表2可以较直观地看到S0，S1，S2，S3组随着OPC掺量的增加孔隙率略微不断增加，且以S0组为基准，S1，S2，S3各组的孔隙率分别仅增长了1.63%，3.11%，15.37%，反观S4，S5，S6各组的孔隙率却小幅度下降，以S0组为基准，分别减少了7.63%，8.10%，6.40%.这是由于当OPC掺量较少时，早期加速水化形成的钙矾石会对水泥石产生细微裂缝，导致孔隙率增加.随着OPC掺量的增加，早期产生大量的钙矾石，部分钙矾石会填充于空隙中，随着反应的进行，后期产生的钙矾石逐渐填满空隙，因此导致孔隙率减少;同时可以看到OPC掺量的增加对吸水率的影响规律与孔隙率一致，这是由于吸水率的高低主要是因为水泥砂浆中非结合水蒸发留下的孔隙造成的;而28d各组试块的表观密度几乎相差无几.

2.2 OPC掺量对砂浆抗折强度，抗压强度的影响

图1、图2分别为不同OPC掺量下1d、3d、7d和28d抗折，抗压强度数据.可以看出，OPC掺量由0到42%时，1d的抗折、抗压强度呈现先增加后减小的趋势，3d，7d的抗折，抗压强度则一致减小.同时S4，S5，S6三组7d的抗折，抗压强度相对于3d出现了倒缩现象.且OPC掺量越多，倒缩越明显.这是因为OPC的掺入使水泥水化加速，水化产物瞬间增多且粗大，对水泥石造成不均匀膨胀而产生裂纹[11]，所以在SAC中掺入OPC会使强度降低.而且主要水化产物钙钒石晶体粗大，生长不完全，后期转化成的单硫型水化硫铝酸钙造成抗折、抗压强度倒缩.

由图1、图2同样可看出S0，S1，S2，S3组的28d抗折、抗压强度随着OPC掺量的增加而减少，但S4、S5、S6组相对于S0组，28d抗折、抗压都有一定幅度的提高.以S0组为基准，S4、S5、S6组抗折强度分别提高了4.05%，0.62%，1.56%，抗压强度分别提高了3.40%，8.34%，0.74%.S4组抗折强度提高幅度最大，S5组抗压强度提高幅度最大.产生这种现象可能是因为S4，S5，S6组28d时，其硅酸盐水泥的后期稳定性得到了体现.

2.3 OPC掺量对砂浆折压比的影响

图3为不同OPC掺量下砂浆不同龄期的折压比.折压比反映砂浆的韧性，折压比越大，砂浆的韧性越好[12].由图可知，随着OPC掺量的增加，砂浆折压比几乎呈现先减小后增大的趋势.1d龄期时，S5组折压比最大，相对于S0组提高了14.2%，仅S1，S2组折压比小于S0组;3d，7d龄期时，S6组折压比都最大，相对于S0组分别提高了17.9%，34.0%.3d龄期时，仅S2，S3，S4组小于S0组，7d龄期时，各组折压比均大于S0组;28d龄期时，S1组折压比最大，相对于S0组提高了1.7%，但其余各组均小于S0组.因此，适当的OPC掺量可改善砂浆的韧性，同时，龄期越长，对折压比的改善效果越不利.

2.4 OPC掺量对砂浆自收缩的影响

由图4可知，自收缩随OPC掺量的增大而减小.S0组的收缩量最为显著，达到249.5×10-6，S6组的收缩量最小，仅为138.1×10-6.在SAC中掺入OPC，使水泥浆体的碱度增加，从而SAC中的C4A3水化加快，且OPC中C3S水化促进了铝胶转化为钙矾石，因此也促进了C4A3的水化，导致水泥浆体中钙矾石的形成数量增多，由于钙矾石的膨胀性，在一定程度上抵消了水泥砂浆的部分收缩[13]，所以随着OPC掺量的增多，混合体系的自收缩逐渐减少.聂光临等[16]等研究发现当快硬硫铝酸盐水泥占比在50%～100%时，增大快硬硫铝酸盐水泥占比，砂浆的收缩率稍有增加.这一点与本文中的结论相吻合.

由图4同样可以计算出，S0，S1，S2，S3各组1d的收缩量占总收缩量的比例，分别达到了56.7%，51.1%，36.9%，35.6%.而S4，S5，S6组仅分别为23.6%，6.7%，3.4%.显而易见，比例值随OPC掺量的增加而减小.同时在另一方面也能说明，S4，S5，S6组1d内产生大量有膨胀作用的钙矾石，所以才能抵消大部分的收缩.

2.5 OPC掺量对砂浆干缩的影响

由图5可知，干缩随OPC掺量的增加而减小.例如：S0组7d干缩量最显著，为369.6×10-6，S6组却仅为239.3×10-6.且S0组相对于S1，S2，S3，S4，S5，S6各组分别提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.這是因为当OPC掺量很少时，早期水化速度相对较慢，水泥石中的空隙无法被钙矾石填满，随着水化的进行，逐渐产生的部分钙矾石将空隙填满为止，多余的钙矾石才能提供有效的膨胀作用，因此增大OPC掺量，砂浆试样的干缩率会略微减小.收缩趋势与图2中的试验结果有一定的联系.

根据图6，OPC掺量越多，质量损失率越大.例如：S6组7d质量损失率最大，达到了499.1×10-4，S0组仅为236.5×10-4.且S6组相对于S5，S4，S3，S2，S1，S0各组分别提高了10.6%，32.3%，62.4%，75.5%，86.8%，111.0%.这一现象是因为水泥基材料的干缩是指水泥浆体在不饱和湿空气中失去水分而引起的体积宏观变形[14]，质量的减少主要是基底材料中的水分向外蒸发导致的.随着OPC掺量的增加，促进了复合胶凝体系的水化反应进程，大量水化产物快速生成并积累起来，对水泥石造成的微裂纹增多，使得试样空隙中的自由水越多，因此质量损失越大.

3 结论

（a）1d的抗折、抗压强度随着OPC掺量的增加，呈现先增加后减小的趋势，3d，7d的抗折，抗压强度则随OPC掺量的增加而一致减小.同时S4，S5，S6三组7d的抗折，抗压强度相对于3d出现了倒缩现象.S4、S5、S6组相对于S0组，28d抗折、抗压都有一定幅度的提高;此外S0，S1，S2，S3组随着OPC掺量的增加，28d试块孔隙率，吸水率略微不断增加，而S4，S5，S6各组却小幅度减少，各组表观密度相差无几.

（b）OPC掺量越多，混合体系水泥砂浆的自收缩越小.S0组7d总收缩量相对于S1，S2，S3，S4，S5，S6各组分别提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.随着OPC掺量的增加，水泥浆体的碱度也随之增加，加快了水化速率，导致水泥浆体中具有膨胀性的钙矾石数量增多，在一定程度上抵消了水泥砂浆的部分收缩.

（c）OPC掺量越多，混合体系水泥砂浆的干缩越小，而质量损失率越大.S0组7d干缩量相对于S1，S2，S3，S4，S5，S6各组分别提高了2.5%，12.5%，38.6%，46.8%，52.2%，54.5%.S6组7d质量损失率相对于S5，S4，S3，S2，S1，S0各组分别提高了10.6%，32.3%，62.4%，75.5%，86.8%，111.0%.增大OPC掺量，提供膨胀功的钙矾石越多，而试样中的微裂纹越多，使得空隙中的自由水越多，进而导致干缩越小，质量损失率越大.

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