矿物掺和料对水泥物理化学性能的影响研究

赵 忠

（山西省公路局 阳泉分局旧关隧道管理站，山西 阳泉 045000）

0 引言

混凝土是使用最广泛的建筑材料，全球年产量超过200亿t，是建筑环境中不可替代的材料。然而，混凝土的制备需要消耗大量的能源和自然资源，如何更经济地应用这些材料，并尽量节省资源，适应当前低碳环境的要求显得尤为重要[1]。其中矿物掺合料通常用于混凝土中，作为水泥中一部分熟料的替代品或作为混凝土中一部分水泥的替代品被广泛应用。由于矿物掺合料能够使混凝土孔隙的细化和界面过渡区得到强化而提高了混凝土的强度，并在一定程度改善水泥浆体的流动度，降低水泥基材内部碱度；提高抗碱-骨料膨胀的耐久性并在一定程度上降低生产成本提高经济性而被广泛使用[2-5]。矿物掺合料对水泥具有重要的强化作用，这种作用主要来源于掺合料化学和物理两方面的作用[6-7]：即活性矿物掺合料与水泥水化产物氢氧化钙CH的火山灰效应，水泥水化产物基体的化学填充密实作用，以及矿物掺合料的微集料充填作用。矿物掺合料不仅具有上述强度效应，而且还能较好地改善水泥基复合材料的耐久性以及施工性能。另外，也加强了混凝土材料的废物利用，增加了混凝土材料的环境协调性。因此，合理充分地利用矿物掺合料具有十分重要的技术经济价值和社会效应，粉煤灰和矿粉都可以改善混凝土和易性，其对混凝土各种强度的增长主要表现在不同时期，且不同的含量和等级都会影响混凝土强度[8-9]；硅粉能够较好地改善混凝土的和易性，从而提高混凝土的力学性能[10]；偏高岭土作为一种新型的矿物掺合料被广泛关注，其对混凝土坍落度和抗压强度的影响优于粉煤灰和矿渣，配制的混凝土抗腐蚀性和抗冻融性均有所提高[11]。但是目前对于矿物掺合料的使用仅考虑到其强度并未对其碱度进行研究，然而目前一些特殊混凝土需要保证强度的同时降低碱度[12-13]。

因此本文通过掺入粉煤灰（AF）、矿粉（KF）、偏高岭土（MK）、石膏（SG）以及硅灰（GF）五种矿物掺合料对水泥浆体的3 d、7 d、28 d的强度和碱度进行试验，探究了不同种类的矿物掺合料以及含量大小对水泥浆体强度的影响，分析不同矿物掺合料对水泥基材碱度的影响差异。

1 试验与方法

1.1 原材料

该试验使用的水泥为狮头牌42.5普通硅酸盐水泥；矿粉为S95矿粉；粉煤灰为太钢二级粉煤灰。水泥、偏高岭土、硅灰和粉煤灰的主要参数见表1，水为城市自来水。

表1 水泥和矿物掺合料化学成分表 %

1.2 试验方法

该试验对配合比中的水泥用粉煤灰、矿渣、偏高岭土等矿物掺合料进行部分取代，针对不同的矿物掺合料其掺入比也不同，偏高岭土、硅灰和矿粉按照5%、10%、15%进行掺入，石膏和粉煤灰按照10%、20%、30%进行掺入，具体见表2。水灰比按照0.3进行配比。将称取好的矿物掺合料与水泥在净浆搅拌机中搅拌30 s，加水再次搅拌90 s，并将新拌的水泥浆体分3次浇入试模，每次浇入后将试模轻微振动使其内部的气泡完全消失后再进行下一次浇筑。试件浇筑24 h后脱模，在温度20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护室中进行养护，浇筑试模如图1a，试件成型如图1b所示。分别对3 d、7 d、28 d进行强度和碱度测试并记录结果。

表2 矿物掺合料含量表

水泥基材强度测试参照GB T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，其中模具使用50 mm×50 mm圆柱体，养护好的试件使用微机控制电子万能试验机对其进行强度测试，加载速度0.3 MPa/s，测试如图1c所示；碱度测试为将压碎后的水泥浆体研磨成粉，再将粉末过0.08 mm的方孔筛，将筛好的粉末按水固比10∶1浸泡在蒸馏水中，摇匀后扎紧瓶口静置24 h，使用PHS-3C型精密pH测试仪进行碱度测试，并记录数据，测试如图1d所示。

图1 试件浇筑

2 结果与分析

通过试验测量了不同掺合料种类和替代量水泥基材的水泥浆体不同龄期强度和碱度，具体数据见表3。

表3 各掺合料强度、碱度结果表

2.1 矿物掺合料对水泥强度的影响

掺入5%、10%、15%偏高岭土、硅灰和矿粉的水泥浆体的3 d、7 d和28 d的抗压强度结果见图2，掺入10%、20%、30%的粉煤灰和石膏的水泥浆体3 d、7 d和28 d抗压强度结果见图3。

图2 偏高岭土、硅灰和矿粉抗压强度结果

图3 粉煤灰、石膏抗压强度结果

从图2中可以看出3种不同的矿物掺合料，相较于其他矿物掺合料和素水泥浆体相比抗压强度增长量最大的是矿粉，其次为偏高岭土，最后为硅灰。其中在替代掺量中15%的矿粉的28 d强度达到了78.63 MPa，相比于素水泥浆体的抗压强度增加了18.9%.而且随着矿粉掺入量的增加，其强度也随之增加，这是因为矿粉在水泥浆体中为粒径很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒，这些极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强水泥浆体的结构强度，提高匀质性和致密性。又因为矿粉具有一定的活性会与水进行水化反应，但是水化速度相对于硅酸盐水化较慢，因此从图2中可以看出3种不同掺量的水泥浆体3 d的抗压强度均小于素水泥浆体，但是28 d的强度均大于素水泥浆体。硅灰属于一种高活性火山灰材料，其矿物成分主要是非晶态的纯二氧化硅，但可以看出其强度值低于素水泥强度，这是由于硅灰对早期强度并没有太大的影响，其对强度的贡献大多发生在28～90 d。偏高岭土是由高岭土在650℃～800℃下煅烧形成的，具有一定的活性，其强度与素水泥浆体相差不大[14]。图3为不同掺量的粉煤灰和石膏的强度结果，可以看出在粉煤灰28 d的强度相对素水泥浆体都有所提高，其中当掺量达到10%时其强度为71.77 MPa，相对于素水泥浆体提高了8.4%.这是由于粉煤灰具有填充效应和火山灰活性的作用。粉煤灰增加了水泥浆体密实性和黏聚性使得其初始结构致密化；在硬化阶段，发挥了填充作用；在硬化后，又发挥了活性充填作用，改善了混凝土在水泥石中的孔结构。掺入石膏并没有提高水泥浆体的强度，反而随着掺量的增加，其强度随之减小。这是因为大量掺入石膏会引起水泥浆体的膨胀从而降低水泥的强度。可以看出当矿物掺合料替换量处于较小的情况下，其抗压强度随着替换量的增加而增加；而当矿物掺合料替换量处于较大的情况下，其抗压强度随着替换量的增加到达某一最大值后开始减小。

2.2 矿物掺合料对水泥碱度的影响

分别掺入含量为5%、10%、15%偏高岭土、硅灰和矿粉的水泥浆体的3 d、7 d和28 d碱度结果见图4，掺入含量为10%、20%、30%的粉煤灰和石膏的水泥浆体测试3 d、7 d和28 d碱度结果见图5。

图4 偏高岭土、硅灰和矿粉碱度结果

图5 粉煤灰、石膏碱度结果

从图4中可以看出随着时间的增加素水泥浆体的碱度在下降，这是因为随着时间的增加，水化产物被暴露在空气中被空气中的CO2缓慢碳化使得碱度较高的Ca(OH)2变成Ca2(CO)3，其具体化学式如式（1）：

而掺了矿物掺合料的水泥浆体其碱度随着时间的增长先增加再减小，其原因是矿物掺合料具有一定的活性，但需要碱性物质激发。而水泥中的C3S、C2S在水化时会析出Ca(OH)2，而矿物掺合料处于碱性介质中会消耗大量的Ca(OH)2生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，从而提高强度。其中28 d的碱度最小的是替代量为5%的矿粉，其碱度为12.18，相对于素水泥浆体碱度降低了4.1%.从图5可以看出石膏的替换量使得水泥浆体的碱度减小，其中碱度最小替换量为30%的水泥浆体，碱度数值为12.24，这是由于石膏作为水泥的缓凝剂并不参与水泥的反应，而且石膏自身呈现弱酸性会中和一部分水泥水化后的Ca(OH)2。因此对于抑制碱-骨料反应还需掺入具有活性的矿物掺合料；而当粉煤灰替换量达到30%时碱度达到最低，从趋势上看随着替换量的增加其碱度逐级减小，但是对于强度而言则是当粉煤灰替换量达到10%时强度最高。这是由于不同矿物活性不同导致二次水化的量不同，随着替换量的增加到达二次水化量的最大值后矿物掺合料只承担填充作用。

3 结语

本文制备了不同掺合料种类和替代量水泥基材的水泥浆体共16组，测试了不同龄期的强度和碱度，得出以下结论：

a）在偏高岭土、硅灰和矿粉掺合料对水泥浆体强度影响最大的为矿粉，其水泥替换量为5%，相比于素水泥浆体强度提高了18.9%，碱度下降了4.1%，能够较好抑制碱-骨料反应。

b）在粉煤灰和石膏掺合料对水泥浆体强度影响最大的为粉煤灰，其水泥的替换量为10%，相比素水泥浆体提高了8.4%；而对水泥浆体碱度影响最大的是替换量为30%的粉煤灰，相比于素水泥浆体碱度下降3.6%.

c）矿物掺合料能够在一定程度上替代水泥用量，并取得和水泥性能一样的效果，可以通过使用矿物掺合料提高经济性。