閔紅霞

(重慶城市科技學(xué)院 建筑管理學(xué)院，重慶 402167)

0 引 言

隨著我國社會主義現(xiàn)代化的發(fā)展，城市化率不斷提高，混凝土已經(jīng)成為了現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展中必不可少的一部分[1-5]。通?；炷涟凑漳z凝材料分類可分為兩大類：有機(jī)膠凝材料混凝土和無機(jī)膠凝材料混凝土，常見的有機(jī)混凝土有瀝青混凝土、聚合物水泥混凝土、樹脂混凝土和聚合物浸漬混凝土等。無機(jī)膠凝混凝土也是最常用的混凝土，主要有灰硅質(zhì)膠凝材料混凝土、硅酸鹽水泥系混凝土、鈣鋁水泥系混凝土和石膏混凝土等。憑借著可塑性強(qiáng)、握裹力好、安全性高以及優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性能等特點(diǎn)，混凝土在土木工程、建筑材料、交通建筑以及隧道橋梁等均已經(jīng)廣泛應(yīng)用[6-8]。雖然混凝土有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在一定的缺陷，例如延展性較差、熱導(dǎo)率較大以及抗拉強(qiáng)度低等，這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了混凝土的應(yīng)用[9-11]?；炷列阅艿牟町愔饕Q于水泥性能的差異，而水泥性能的好壞跟體系的組成和配比有著密不可分的關(guān)系[12-17]。硅酸鹽系列水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、抗凍性好等特性而常用于預(yù)制和現(xiàn)澆的混凝土工程，硫鋁酸鹽水泥具有高抗凍性能、耐蝕性能及高抗?jié)B性能等特點(diǎn)常用于搶修搶建工程、預(yù)制構(gòu)件、低溫施工工程、抗海水腐蝕工程等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，輕質(zhì)、高強(qiáng)度、多功能的混凝土必然是發(fā)展趨勢，人們對于混凝土的強(qiáng)度及綜合性能也提出了更高的要求。對于改善水泥性能而言，復(fù)合化是非常有效且簡便的一種辦法。通過調(diào)整水泥的配比以及熟料礦物的組成，可以實(shí)現(xiàn)將多種水泥優(yōu)點(diǎn)集于一體的復(fù)合混凝土體系[18-21]。近年來越來越多的研究者開始關(guān)注硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合體系的研究，徐曉婉研究了普通硅酸鹽水泥、聚羧酸減水劑及礦物摻合料對普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、膠砂抗折抗壓強(qiáng)度、砂漿干縮率及水化放熱的影響，結(jié)果表明，在硫鋁酸鹽水泥中摻入普通硅酸鹽水泥會使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大，當(dāng)普通硅酸鹽水泥摻量較小時，凝結(jié)時間減小，過大時凝結(jié)時間增大；聚羧酸減水劑使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量減少，凝結(jié)時間縮短。其中減水劑摻量為1.0%時，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量最小，凝結(jié)時間最短；隨著礦物摻合料摻量的增加，會使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量逐漸增大，凝結(jié)時間逐漸延長[22]。Zhang X等采用新型試驗(yàn)方法研究了不同復(fù)配合比例的硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥混合體系漿液黏度時變特性和凝結(jié)變形特性，結(jié)果表明，硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)配水泥體系水化過程中出現(xiàn)相互促進(jìn)和水化疊加效應(yīng)，水泥水化和凝結(jié)速度加快。水泥漿液儲能模量存在有明顯誘導(dǎo)期，加速期和穩(wěn)定期,呈現(xiàn)出“S”型變化趨勢，且水泥水化進(jìn)入穩(wěn)定期時存在結(jié)構(gòu)突變現(xiàn)象[23]。

本文采用硫鋁酸鹽水泥，根據(jù)設(shè)計配比，配制了硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土，探究了硫鋁酸鹽水泥不同摻量(0，3%，6%和9%)對高性能混凝土微觀形貌、力學(xué)性能和耐久性能等的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

硫鋁酸鹽水泥：化學(xué)組成主要為8.157%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2，25.412%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al2O3，3.014%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Fe2O3，45.97%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO，1.365%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MgO，13.972%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SO3，0.36%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的K2O，1.75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiO，武漢吉業(yè)升化工有限公司；硅酸鹽水泥：20.92%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2，5.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al2O3，2.77%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Fe2O3，66.74%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO，1.41%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MgO，1.66%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SO3，1.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的K2O，0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Na2O，0.34%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiO，武漢吉業(yè)升化工有限公司；粉煤灰：南京熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級灰，徑粒在9～10μm之間；S95級礦渣粉：河北友勝耐火材料有限公司；脫硫石膏：武漢吉業(yè)升化工有限公司。

1.2 樣品制備

水泥砂漿的成型按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度》(GB/T17671 1991 )的要求進(jìn)行操作。按照設(shè)計配比稱取硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦渣、石膏、實(shí)驗(yàn)用自來水及外加劑制備樣品，待試樣制備成型后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h 后，拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù) 3和28 d，待養(yǎng)護(hù)完成后，即測試樣品的抗壓強(qiáng)度。硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的設(shè)計配比如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的設(shè)計配比Table 1 Design ratio of sulphoaluminate cement based high performance concrete

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的XRD圖譜。從圖1(a)可以看出，摻雜硫鋁酸鹽水泥的高性能混凝土與未摻雜對比，鈣礬石(AFt)的衍射峰逐漸增強(qiáng)，當(dāng)水泥拌水到初凝，C3S與水迅速反應(yīng)生成飽和CH溶液，因此可發(fā)現(xiàn)圖中CH衍射峰最強(qiáng)，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為6wt%時，AFt衍射峰最強(qiáng)，說明硫鋁酸鹽水泥在3 d已經(jīng)發(fā)生了水化反應(yīng)，水泥熟料中的高硅酸三鈣(C3S)與石膏迅速反應(yīng)，形成鈣礬石晶體，一般水化反應(yīng)超過1d后可達(dá)最大值。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量為9wt%時，圖譜中未出現(xiàn)CH峰，說明硫鋁酸鹽水泥摻量較多的情況下，已無Ca(OH)2結(jié)晶生成。從圖1(b)可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，CH的衍射峰逐漸降低，AFM的衍射峰均增強(qiáng)，這是因?yàn)閺某跄螅嗪恐饾u消耗殆盡，AFt會轉(zhuǎn)化成AFm，因此AFM衍射峰增強(qiáng)，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加，高性能混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加致密。

圖1 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的XRD圖譜Fig 1 XRD patterns of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 3 and 28 d

2.2 SEM分析

圖2為硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系28 d的SEM圖。從圖2可以看出，所有試樣中的六方板狀的Ca(OH)2均比較厚，且呈現(xiàn)出片層狀，當(dāng)未摻雜硫鋁酸鹽水泥時，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出致密結(jié)構(gòu)，而隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，整體的密度有變得蓬松的趨勢，這是由于CH是水泥石中最易受侵蝕的物質(zhì)，當(dāng)水泥初凝時，CH會很快達(dá)到飽和狀態(tài)，而當(dāng)28 d時，AFt轉(zhuǎn)化AFm已完成，C-S-H凝膠形成的覆蓋層會減緩水泥的水化作用，并且由于CH的層狀結(jié)構(gòu)，層間連接較弱，易產(chǎn)生層狀解理，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量過多時，在受力過程中會出現(xiàn)裂縫，并且某些侵蝕離子會在此聚集，反而對試樣的強(qiáng)度有減弱趨勢。

圖2 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28 d的SEM圖Fig 2 SEM images of HPC with different content of sulphoaluminate cement in 28 d

2.3 TG-DTG分析

對不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土試樣采用綜合熱分析儀進(jìn)行測試分析，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，室溫條件下升溫速率設(shè)為5 ℃/min，溫度范圍選定為25～1 050 ℃。

圖3為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的TG-DTG曲線。從圖3可以看出，在0～400 ℃出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失，這是由于AFt中水分的蒸發(fā)所導(dǎo)致的，當(dāng)溫度處于400～500 ℃時，對應(yīng)的吸熱峰為CH的吸熱峰，當(dāng)溫度處于550～700 ℃時，C-S-H凝膠發(fā)生水分蒸發(fā)出現(xiàn)了失重，隨著硫鋁酸鹽摻量的增加，CH的含量會增加，提高了前期的水化放熱能力，因此失重峰與硫鋁酸鹽水泥的摻量呈現(xiàn)出正比關(guān)系。

圖3 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的TG-DTG曲線Fig 3 TG-DTG curves of HPC with different content of sulphoaluminate cement

2.4 力學(xué)性能分析

水泥砂漿力學(xué)性能測試按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T17671 1999 的要求進(jìn)行操作，采用NYL-2000D液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)連續(xù)均勻地對試件進(jìn)行加載，加載速度為0.4 MPa/s。

圖4和表2分別為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土在3和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值。從圖4和表2可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，所有試樣的抗壓強(qiáng)度在3和28 d均得到了明顯的提高，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這是因?yàn)殡S著硫鋁酸鹽水泥的加入，提高了早期水化反應(yīng)的速率，降低了體系的自由水含量，使前期的強(qiáng)度有了明顯的增強(qiáng)。對比3和28 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時，試樣的抗壓強(qiáng)度均為最高，且在28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值41.1 MPa，相比3 d的34.3 MPa，增加了19.83%，但是當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量過多時，會產(chǎn)生較多的產(chǎn)物及侵蝕離子，影響了高性能混凝土的強(qiáng)度，對比28 d時0和3%試樣可發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度增加了7.72%，對比6%與9%試樣，強(qiáng)度增強(qiáng)了7.44%，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的增幅隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。

圖4 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的抗壓強(qiáng)度Fig 4 Compressive strength of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 3 and 28 d

表2 高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度值Table 2 Compressive strength of high performance concrete

2.5 耐久性分析

為研究不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的耐久性及侵蝕性能，稱取無水硫酸鈉配置濃度為8wt%的硫酸鹽腐蝕溶液，將試樣放入腐蝕溶液中，并用保鮮膜進(jìn)行封裝，腐蝕時間為28和90 d，隨后對試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，并對比分析。

圖5和表3分別為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失率和強(qiáng)度損失值。從圖5和表3可以看出，在經(jīng)過腐蝕液腐蝕28和90 d后，未摻雜硫鋁酸鹽水泥的試樣強(qiáng)度損失最小，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，強(qiáng)度損失逐漸增加，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時，腐蝕90 d強(qiáng)度的損失率達(dá)到了最大值10.3%，分析其原因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥引入后，漿體中的填料成分減少，孔隙率增加，密度減小，使得腐蝕性溶液更容易進(jìn)入基體，從而降低了高性能混凝土的耐久性能。

圖5 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失率Fig 5 Strength loss rate of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 28 and 90 d

表3 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失值Table 3 Strength loss of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 28 and 90 days

3 結(jié) 論

XRD分析表明，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，鈣礬石(AFt)衍射峰逐漸增強(qiáng)，水化反應(yīng)加快，不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加致密。SEM分析發(fā)現(xiàn)，所有試樣中的六方板狀的Ca(OH)2均比較厚，且呈現(xiàn)出片層狀，整體結(jié)構(gòu)的致密性比較接近，而隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，整體的密度有變得蓬松的趨勢，當(dāng)摻量過多時，在受力過程中會出現(xiàn)裂縫，并且某些侵蝕離子會在此聚集，反而對試樣的強(qiáng)度有減弱趨勢。TG-DTG分析可知，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，CH的含量增加，前期的水化放熱能力得到提高，失重峰與硫鋁酸鹽水泥的摻量呈現(xiàn)出正比關(guān)系。力學(xué)性能分析表明，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，在3和28 d時試樣的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時，試樣的抗壓強(qiáng)度在28 d達(dá)到了最大值41.1 MPa，相比3 d增加了19.83%，但對比發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的增幅隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。侵蝕分析發(fā)現(xiàn)，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，試樣的強(qiáng)度損失逐漸增加，耐久性變差，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時，腐蝕90 d的強(qiáng)度損失率達(dá)到了最大值10.3%。