铝酸盐和硅酸盐复合水泥基材料配合比试验研究

朱 聪 万小青 方卓然 陈语涵 陈冠雄 李昊洋 柯昌君

长江大学城市建设学院（434023）

0 前言

预制钢管混凝土桩保护层可以保护钢管不发生锈蚀。 在此基础上，利用铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合会发生微膨胀的特性，可以提高预制钢管混凝土桩的抗拔能力，保证保护层的强度足够而不易被破坏。选择适当比例复合铝酸盐水泥与硅酸盐水泥改善铝酸盐水泥砂浆或混凝土原有的不足，并加入不同外加剂探索对其强度的影响。

从国内外研究现状看，已有相关文献和专利[1-4]将复合水泥用于预制钢管混凝土桩保护层，且能够提高预制钢管混凝土桩的极限抗拔力，但是复合水泥的配合比仍待优化。在铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合体系方面，Gu P,Beaudoin J J 等[5]研究了多种铝酸盐与硅酸盐水泥二元体系的早期强度（1～72 h），但未在微观上对其现象作出解释。膨胀剂是能够产生巨大膨胀力的外加剂[6-10]，一般用于岩石开裂，也可以和水泥复合用来扩大钢桩桩头。在混凝土掺减水剂和膨胀剂的使用和性能方面，有关学者对此技术在补偿混凝土裂缝的收缩方面进行了研究[11-15]，但是未考虑将膨胀剂的膨胀性能用于桩的保护层，从而增加桩对土壤侧壁的压力，提高桩的抗拔能力。

笔者研究不同比例铝酸盐水泥与硅酸盐水泥和掺不同量减水缓凝剂对复合砂浆抗折强度、抗压强度的变化规律，以及加入不同外加剂对铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合混凝土抗压强度的影响。研究成果可以用于指导紧急施工并加固基础、自扩底钢桩、保护层等。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥:郑州新兴铝酸盐水泥CA-50，葛洲坝普通硅酸盐水泥PO·42.5；

减水剂:聚羧酸盐系高性能减水剂；

缓凝剂:葡萄糖酸钠液态缓凝剂；

膨胀剂:普通膨胀剂，静态膨胀剂。

1.2 试验方法

1.2.1 水泥砂浆制备

先使搅拌机处于待工作状态，在锅里加入水，再将铝酸盐水泥和硅酸盐水泥加入其中。 将锅放在固定架上，上升至指定位置，运转机器。 先低速搅拌30 s 后，在第二个 30 s 开始的同时均匀地将标准砂加入，把机器调至高速档再拌 30 s。 停拌90 s，接下来在第1 个15 s 内用胶皮刮具将搅拌叶片和锅壁上的砂浆，刮入锅中间。在高速下继续搅拌60 s。水泥砂浆的制备按照GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行测定。

1.2.2 混凝土制备

将粗骨料、水泥、细骨料、水加入混凝土强制式单卧轴混凝土搅拌机， 搅拌完成后测试其坍落度。坍落度不大于70 mm 的混凝土宜用振动振实，大于70 mm 的宜用捣棒人工捣实。 混凝土拌和物应分两层装入模内，每层的装料厚度大致相等，填模完成后置于养护室恒温养护。 混凝土强度的测试按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

1.3 实验仪器

采用行星式水泥砂浆搅拌机进行砂浆搅拌，100 t 万能试验机进行抗压强度测试，DKZ-6000 水泥电动抗折试验机对抗折强度进行测试。 采用荷兰PANalytical 公司 X’Pert PRO X 射线衍射仪分析晶体的物相。 采用 KYKY-3800B 型扫描电镜 SEM（scanning electron microscope） 观察水化产物形貌，测定条件为表面镀金处理，加速电压为20 kV。

2 试验结果与分析

2.1 铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合砂浆强度

将铝酸盐水泥以 0%、20%、40%、50%、60%、80%的比例与硅酸盐水泥进行复合，试验组别如表1 所示。 分别测3 d 和28 d 抗折强度和抗压强度，如图1 所示，其中，序号A2 和A3 试样膨胀明显。对序号A2 和序号A4 复合水泥的水化产物进行XRD （样品从养护到烘干结束时间为6 h） 和SEM分析，如图2、图3 和图4 所示。

表1 水泥掺配比例

由图1 可知， 随着铝酸盐水泥比例的增加，水泥砂浆3 d 和28 d 的抗折、抗压强度变化规律为先下降后上升的趋势。 在铝酸盐水泥和硅酸盐水泥比例分别为40%和60%时，强度达到低点，随后逐步上升。

图1 复合水泥的砂浆强度

图2 复合水泥砂浆的XRD

由图 2（a）、图 3（a）和图 3（b）可知，在铝酸盐水泥和硅酸盐水泥比例分别为20%和80%时，复合水泥水化形成的主要产物为水化铝硅酸钙Ca3Al2（SiO2）（OH）8和钙矾石。 水化铝硅酸钙 Ca3Al2（SiO2）（OH）8为水石榴石类矿物， 其结构为散状颗粒，其大量形成，导致复合体系的强度下降。 钙矾石具有膨胀性，这是铝酸盐水泥硅酸盐水泥复合后试样膨胀的原因。

由图 2（b）、图 4（a）和图 4（b）可知，在铝酸盐水泥和硅酸盐水泥比例分别为50%和50%时，复合水泥水化形成的主要产物为水化硅酸钙Ca2SiO4H2O，水化铝硅酸钙 Ca3Al2（SiO2）（OH）8和钙矾石没有出现。 水化硅酸钙Ca2SiO4H2O 的存在，以及水化铝硅酸钙 Ca3Al2（SiO2）（OH）8没有形成，是试样强度提高的原因。 复合水泥中铝酸盐水泥的大量掺配，水化铝酸钙的量相对过多，钙矾石不再稳定，转化为AFm，试样没有表现出膨胀现象。

图3 试样2 的SEM 照片

2.2 铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合混凝土强度

2.2.1 复合水泥混凝土的抗压强度

将铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合， 做成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土试件， 配合比见表2。 经过 6 h、12 h、1 d、3 d 养护测试其抗压强度如图5 所示。

图4 试样4 的SEM 照片

表2 复合混凝土配合比

图5 复合混凝土的抗压强度

表3 掺不同膨胀剂的混凝土配合比

表4 掺膨胀剂和减水缓凝剂复合混凝土配合比

由图5 可知，铝酸盐水泥混凝土的强度增长较快，硅酸盐水泥混凝土的强度发展较慢，铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合后混凝土的强度发展规律类似于铝酸盐，但早期强度相对较低，这与铝酸盐水泥的水化速度有关。

2.2.2 加入不同膨胀剂复合混凝土的抗压强度

将铝酸盐水泥和硅酸盐水泥比例分别为50%和50%时混合做成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土试件，分别加入普通膨胀剂、静态膨胀剂和不掺外加剂 3 组进行对照，经过 6 h、12 h、1 d、3 d 养护（带模养护）测试其抗压强度，试验用量见表3。

图6 掺膨胀剂混凝土的抗压强度

由图6 可知， 掺普通膨胀剂在6 h 到3 d 时测得抗压强度增长较快， 掺静态膨胀剂在6 h 到3 d时则表现为先升后降的趋势。 表明静态膨胀剂的掺入对混凝土的强度不利。

2.2.3 加入不同膨胀剂和减水缓凝剂复合混凝土的抗压强度

在表3 配合比的基础上加入减水缓凝剂，用量见表 4。 测其 6 h、12 h、24 h、3 d（带模养护）的抗压强度。

图7 掺膨胀剂和减水缓凝剂的抗压强度

由图7 可知，加入减水缓凝剂后，掺入普通膨胀剂的混凝土与不掺减水剂时的规律一致，静态膨胀剂的混凝土在3 d 时强度提升较快。 这可能与其膨胀后混凝土试件致密、孔隙减少有关。

3 结语

铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合砂浆强度随着铝酸盐水泥比例的增加，其强度表现为先下降后上升的规律。

在铝酸盐水泥占复合水泥用量20%～40%时，试件强度较低并伴随明显的膨胀，铝酸盐水泥占比20%时为最优比，有利于提高桩的承载力。 其砂浆强度较低的原因与水化铝硅酸盐的大量形成有关，膨胀与钙矾石的形成有关。

外加剂的掺入对复合水泥混凝土的强度有影响，减水剂可以改善复合混凝土强度,带模养护时普通膨胀剂有利于试件强度的提高，静态膨胀剂对混凝土强度不利。