吳秋生，姚丕強(qiáng)，俞為民，韓輝，談?dòng)廊?，范志勇，于智軍，黃茜

高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土性能研究

吳秋生1，姚丕強(qiáng)1，俞為民1，韓輝1，談?dòng)廊?，范志勇2，于智軍3，黃茜1

為了推進(jìn)新型低碳低能耗的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥在工程中的應(yīng)用，對(duì)比研究了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥制備的不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的各項(xiàng)性能。結(jié)果表明：較之硅酸鹽水泥混凝土，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的工作性能優(yōu)良，C30和C50混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度分別平均提高4MPa和9MPa，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗水和氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍性、干燥收縮性能均好于硅酸鹽水泥混凝土，抗碳化性能相對(duì)較弱，抗鋼筋銹蝕能力兩種水泥混凝土差別不大。

高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥；工作性；抗凍性；抗碳化性能

高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥是由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司開(kāi)發(fā)并獲得發(fā)明授權(quán)的一種新型低碳低能耗水泥，是一種介于普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥之間的水泥新品種。該水泥熟料的礦物組成為25%～30%的β型C2S，25%～30%的à型C2S，28%～40%的C4A3S，4%～12%的C4AF和4%～8%的非晶相物質(zhì)[1]。高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥綜合了硫鋁酸鹽水泥的“早強(qiáng)快硬”和普通硅酸鹽水泥良好的后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)性等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

水泥最終將用于混凝土，目前，關(guān)于高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥在混凝土中的應(yīng)用研究還比較少，本文從不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能等方面入手，對(duì)比研究了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥在混凝土中的性能，以期對(duì)高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥（BSAC）為工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)，對(duì)比的硅酸鹽水泥選用P·I水泥，兩種水泥的材料配比和物理性能見(jiàn)表1。

（2）砂：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)3.0，含泥量1.0%。

（3）碎石：5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.6%。

（4）混凝土外加劑：蘇州金星聚羧酸減水劑，含固量40%，減水率35%。 1.2試驗(yàn)方法

（1）混凝土工作性能測(cè)試參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

（2）混凝土力學(xué)性能測(cè)試參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

（3）混凝土耐久性能測(cè)試參照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

1.3 混凝土配比

考慮到C30和C50分別為商品混凝土和混凝土制品中最常用的強(qiáng)度等級(jí)，本試驗(yàn)以C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土作為研究對(duì)象?；炷恋脑囼?yàn)配合比見(jiàn)表2，混凝土的設(shè)計(jì)初始坍落度控制在（180±20）mm。

表1 對(duì)比的硅酸鹽水泥（P·I）和高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥（BSAC）的材料配比和物理性能

表2 混凝土的試驗(yàn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土的工作性能和力學(xué)性能分析

試驗(yàn)研究了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的坍落度和坍落度損失，分析了不同齡期混凝土力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律，并與硅酸鹽水泥混凝土進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，混凝土工作性能見(jiàn)圖1，抗壓強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖2。

圖1表明，相同混凝土配比條件下，相比硅酸鹽水泥混凝土，兩種強(qiáng)度等級(jí)的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的初始坍落度均較高，但是坍落度損失較快。這可能是由于外加劑中的緩凝組分在初始階段能夠有效吸附在高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的主要礦物無(wú)水硫鋁酸鈣的表面，阻礙了其水化，因而混凝土獲得了良好的初始坍落度[2]。但是，隨著水化進(jìn)程的發(fā)展，無(wú)水硫鋁酸鈣水化開(kāi)始加速進(jìn)行，從而導(dǎo)致混凝土的坍落度損失較大。這一問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)節(jié)外加劑的緩凝組分來(lái)有效解決。

表3 混凝土的工作性能和強(qiáng)度性能

圖1 混凝土的工作性能

圖2 結(jié)合表1表明，雖然高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的28d抗壓強(qiáng)度低于硅酸鹽水泥，但是混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度均高于硅酸鹽水泥混凝土，而且C50強(qiáng)度等級(jí)的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)更明顯，C30和C50級(jí)高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度各齡期平均分別高出4MPa和9MPa。硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物以CSH凝膠和片層狀的Ca（OH）2為主，硅酸鹽水泥砂漿與骨料之間的界面過(guò)渡區(qū)成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，而高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物是以水化硫鋁酸鈣（AFt）類(lèi)的晶體為主[3]，不存在類(lèi)似硅酸鹽水泥混凝土中的界面薄弱環(huán)節(jié)。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，界面過(guò)渡區(qū)對(duì)強(qiáng)度的降低作用越大，因而強(qiáng)度等級(jí)越高，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖2 混凝土的抗壓強(qiáng)度曲線

2.2 混凝土的抗?jié)B性能分析

混凝土的抗?jié)B性能與其抗化學(xué)侵蝕、抗凍性能和其他耐久性指標(biāo)是密切相關(guān)的，因此抗?jié)B性能是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)采用滲水高度法對(duì)比研究了不同水膠比情況下兩種水泥混凝土的抗?jié)B性能，1.2MPa水壓下恒壓24h，劈開(kāi)混凝土測(cè)其斷面滲水高度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混凝土的滲水高度

表4表明，相同水膠比的情況下，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的滲水高度遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥混凝土；混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗?jié)B性能越好，C30和C50高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的滲水高度比對(duì)比樣分別降低了27%和37.5%。這是因?yàn)橐环矫娓咝阅茇惱亓蜾X酸鹽水泥水化生成大量鈣礬石，使混凝土具有一定的微膨脹特性，增加了混凝土的密實(shí)性，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減少了水分遷移通道，改善了混凝土的抗?jié)B性能；另一方面硅酸鹽混凝土的界面過(guò)渡區(qū)為氫氧化鈣晶體，存在較高的空隙，而高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土中的界面過(guò)渡區(qū)中以水化硫鋁酸鈣為主[3]，砂漿和骨料結(jié)合緊密。

2.3 混凝土的抗氯離子滲透性能分析

混凝土的抗氯離子滲透性能反映了混凝土的密實(shí)度以及抵抗外部侵蝕介質(zhì)向內(nèi)部滲入的能力，是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)之一?；炷量孤入x子滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混凝土抗氯離子滲透系數(shù)

表5表明，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)小于硅酸鹽水泥混凝土，說(shuō)明高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有更優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。這是因?yàn)楦咝阅茇惱亓蜾X酸鹽水泥水化后生成大量的鈣礬石，其結(jié)合氯離子的能力較強(qiáng)[4]；另一方面，無(wú)水硫鋁酸鈣水化生成的鈣礬石有助于增加混凝土的密實(shí)度，使水泥石中的孔徑尺寸變小，由貫通的大孔變成不連續(xù)的小孔，延緩了氯離子的遷移速率，生長(zhǎng)在水泥漿和骨料界面之間的鈣礬石改變了砂漿和骨料之間的界面結(jié)構(gòu)，提高了界面之間的粘結(jié)強(qiáng)度，使混凝土的界面結(jié)構(gòu)得到顯著改善，從而有效阻斷了氯離子的滲透通道，降低了氯離子的滲透系數(shù)。

2.4 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能分析

硫酸鹽侵蝕會(huì)造成混凝土膨脹變形、強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能降低，并顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力，使結(jié)構(gòu)安全性下降，導(dǎo)致材料性能劣化，結(jié)構(gòu)的使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此研究混凝土的抗硫酸鹽侵蝕對(duì)于水工混凝土和鹽堿地帶的混凝土十分關(guān)鍵。

試驗(yàn)對(duì)比研究了C50高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)次數(shù)為150次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6表明，C50強(qiáng)度等級(jí)的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在不同侵蝕循環(huán)條件下的耐蝕系數(shù)均高于普通硅酸鹽水泥混凝土，抗硫酸鹽侵蝕性能良好。其主要原因在于高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的密實(shí)度高以及化學(xué)侵蝕減少。高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥水化時(shí)生成鈣礬石和氫氧化鋁凝膠，氫氧化鋁凝膠和鈣礬石相互交織，構(gòu)成水泥石的致密結(jié)構(gòu)。鈣礬石生成過(guò)程中產(chǎn)生一定的微膨脹補(bǔ)償收縮，使混凝土內(nèi)部的孔隙率減少，孔徑尺寸縮小，截?cái)嗔薙O42-離子的滲透通道，延緩了侵蝕速率。高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的另一礦物相C2S水化慢，生成的少量氫氧化鈣與Al2O3· 3H2O和硫酸鹽反應(yīng)生成鈣礬石，進(jìn)一步填充了混凝土內(nèi)部空隙，提高了密實(shí)度，減少了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土因硫酸鹽侵蝕而發(fā)生的破壞[5]。

2.5 混凝土的抗凍性能分析

表6 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)比研究了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸減??；混凝土的抗凍性能隨水膠比的降低而增強(qiáng)，相同水膠比情況下，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗凍性好于硅酸鹽水泥混凝土。由于高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土抗?jié)B性能好，水泥水化速率快，混凝土內(nèi)部可凍水含量減少，從而促使水分在毛細(xì)管中的遷移速率加快，降低了毛細(xì)管水因冰凍而產(chǎn)生的壓力；另外，在混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中，單硫型水化硫鋁酸鈣AFm在凍融過(guò)程中容易轉(zhuǎn)變成AFt，而AFt則是高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物，從而進(jìn)一步增加了混凝土的密實(shí)度，這也是其混凝土抗凍性能更好的原因之一。

2.6 混凝土的干燥收縮性能分析

混凝土的干燥收縮是指混凝土失水致使毛細(xì)孔張力變大從而導(dǎo)致毛細(xì)孔縮小引起混凝土體積變小，會(huì)導(dǎo)致混凝土表面或內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性?；炷恋母稍锸湛s率是混凝土重要的性能指標(biāo)。混凝土干燥收縮率隨齡期的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖3 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系

圖4 混凝土的干燥收縮率與齡期的關(guān)系

圖4 表明，兩種水泥混凝土均呈現(xiàn)28d前干燥收縮率增長(zhǎng)較快，28d后干燥收縮率隨齡期增長(zhǎng)而變緩的趨勢(shì)；干燥收縮與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)反向變化，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的干燥收縮均小于相同強(qiáng)度等級(jí)的硅酸鹽水泥混凝土，在低強(qiáng)度等級(jí)條件下，其干燥收縮小的優(yōu)勢(shì)更明顯?；炷恋母稍锸湛s主要是由于混凝土中毛細(xì)孔失水引起的彎液面負(fù)壓作用。相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有微膨脹性，孔隙率比普通硅酸鹽水泥混凝土低，毛細(xì)孔含量較少，因而毛細(xì)孔失水引起的體積收縮相應(yīng)減??；另一方面，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥水化生成大量的鈣礬石晶體，其比硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物CSH凝膠對(duì)于體積變形的抵抗作用更強(qiáng)[6]，這也是混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有相對(duì)更小的干燥收縮率的主要原因。

2.7 混凝土的抗碳化性能分析

混凝土的碳化是影響混凝土耐久性能的重要指標(biāo)，試驗(yàn)對(duì)比研究了高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的抗碳化性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5表明，四組混凝土的碳化深度均隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而加深，隨水膠比的降低而減小。在碳化時(shí)間相同的情況下，相同水膠比的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的碳化深度略高于硅酸鹽水泥混凝土，說(shuō)明高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗碳化性能略低于硅酸鹽水泥混凝土。這可能是由于高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥中雖然含有大量的C2S，但是其水化速率慢，生成的氫氧化鈣少，水泥石的堿度低于硅酸鹽水泥，混凝土的碳化性能相對(duì)較弱。盡管高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土存在抗碳化較弱的問(wèn)題，但是由于其長(zhǎng)齡期的結(jié)構(gòu)非常致密，水和空氣難以進(jìn)入其內(nèi)部，所以隨著混凝土齡期的延長(zhǎng)，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土致密性高的特點(diǎn)將部分抵消其抗碳化較弱的問(wèn)題[7]。

圖5 混凝土的碳化深度與時(shí)間的關(guān)系

2.8 混凝土的抗鋼筋銹蝕性能分析

混凝土中鋼筋銹蝕將在混凝土中產(chǎn)生膨脹，使混凝土保護(hù)層沿鋼筋縱向開(kāi)裂導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。而混凝土的抗鋼筋銹蝕能力與水泥品種有關(guān)，因此研究混凝土的抗鋼筋銹蝕性能是十分必要的。混凝土抗鋼筋銹蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7表明，C30高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的鋼筋銹蝕失重率稍高于硅酸鹽水泥混凝土；C50混凝土中，二者的鋼筋銹蝕失重率相同。低強(qiáng)度等級(jí)（C30）情況下，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的鋼筋銹蝕失重率稍高，可能與水泥抗碳化性能稍差、混凝土內(nèi)部孔溶液pH值降低有關(guān)，進(jìn)入長(zhǎng)齡期以后，鋼筋銹蝕不再發(fā)展[7]；高強(qiáng)度等級(jí)（C50）情況下，兩種水泥混凝土鋼筋銹蝕失重率相當(dāng)，可能與水膠比降低后混凝土的抗?jié)B性能提高從而降低了鋼筋銹蝕速率有一定關(guān)系。

表7 混凝土抗鋼筋銹蝕

3 結(jié)語(yǔ)

（1）高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土相比硅酸鹽水泥混凝土，具備較好的工作性能，同時(shí)具有較高的抗壓強(qiáng)度，尤其在高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)更明顯。

（2）相比硅酸鹽水泥混凝土，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有更好的抗?jié)B性能、抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗凍融性能，干燥收縮程度更小。

（3）高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗碳化性能較弱，但其較高的結(jié)構(gòu)致密性和良好的界面結(jié)構(gòu)，將部分抵消其抗碳化較弱的問(wèn)題。

（4）C30高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗鋼筋銹蝕能力稍差于硅酸鹽水泥混凝土，C50高強(qiáng)度等級(jí)混凝土與硅酸鹽水泥混凝土具有同樣良好的抗鋼筋銹蝕能力。

綜上所述，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有良好的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能，可以替代硅酸鹽水泥混凝土用于實(shí)際工程，應(yīng)用前景廣闊。

[1]俞為民，姚丕強(qiáng)，等.一種活性貝利特硫鋁酸鹽發(fā)泡水泥保溫材料及其制備方法：中國(guó)，ZL201210022401.8[P].2014-06-04.

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Study on the Properties of Concrete Mixed with High Performance Belite Sulphoaluminate Cement

WU Qiusheng1,YAO Piqiang1,YU Weimin1,HAN Hui1, TAN Yongquan2,FAN Zhiyong2,YU Zhijun3,HUANG Qian1
(1 Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China;2 Suzhou Concrete and Cement Products Research Institute Co.,Ltd.,Suzhou 215004,China; 3 Wuhai Saima Cement Co.,Ltd.，Wuhai 016000,China)

In order to take forward the application of high performance belite sulphoaluminate cement with lower carbon emission,the main characteristics of concrete mixed with high performance belite sulphoaluminate cement and Portland cement were compared and studied.The results show that compared with Portland cement concrete, high performance belite sulphoaluminate cement concrete can obtain better workability and at an average of 4MPa and 9MPa higher compressive strength separately for C30 and C50 strength grade at all testing age.Also,high performance belite sulphoaluminate cement concrete can obtain better water and chloride penetration resistance, sulphate attack resistance,freezing and thawing resistance,as well as shrinkage resistance.The carbonization attack resistance is a little weaker and the corrosion of the embedded steel reinforcement is nearly the same.

high performance belite sulphoaluminate cement;workability;freezing and thawing resistance; carbonization attack resistance

TU528.59

A

1001-6171（2017）01-0019-06

新型低鈣水泥熟料的研究及工業(yè)化應(yīng)用（2014BAE05B00），國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目。

通訊地址：1天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇蘇州215004；3烏海賽馬水泥有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海016000；

2016-12-16；編輯：孫娟