高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土性能研究

吳秋生，姚丕強，俞為民，韓輝，談永泉，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1，俞為民1，韓輝1，談永泉2，范志勇2，于智軍3，黃茜1

為了推進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用，對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度等級的混凝土的各項性能。結果表明：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良，C30和C50混凝土各齡期的抗壓強度分別平均提高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設計研究院有限公司開發并獲得發明授權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[1]。高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥綜合了硫鋁酸鹽水泥的“早強快硬”和普通硅酸鹽水泥良好的后期強度穩定增長性等優點，具有廣闊的應用前景。

水泥最終將用于混凝土，目前，關于高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥在混凝土中的應用研究還比較少，本文從不同強度等級混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能等方面入手，對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，以期對高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥在混凝土中的應用提供技術支持。

1 試驗原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）水泥：高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥（BSAC）為工業試驗生產，對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表1。

（2）砂：Ⅱ區中砂，細度模數3.0，含泥量1.0%。

（3）碎石：5～20mm連續級配碎石，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試驗方法

（1）混凝土工作性能測試參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物試驗方法標準》。

（2）混凝土力學性能測試參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。

（3）混凝土耐久性能測試參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

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度等級，本試驗以C30和C50兩個強度等級的混凝土作為研究對象。混凝土的試驗配合比見表2，混凝土的設計初始坍落度控制在（180±20）mm。

表1 對比的硅酸鹽水泥（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 混凝土的試驗配合比

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土的工作性能和力學性能分析

試驗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性能的發展規律，并與硅酸鹽水泥混凝土進行了對比。試驗結果見表3，混凝土工作性能見圖1，抗壓強度曲線見圖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，兩種強度等級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，隨著水化進程的發展，無水硫鋁酸鈣水化開始加速進行，從而導致混凝土的坍落度損失較大。這一問題可以通過調節外加劑的緩凝組分來有效解決。

表3 混凝土的工作性能和強度性能

圖1 混凝土的工作性能

圖2 結合表1表明，雖然高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的28d抗壓強度低于硅酸鹽水泥，但是混凝土的各齡期抗壓強度均高于硅酸鹽水泥混凝土，而且C50強度等級的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強度優勢更明顯，C30和C50級高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強度各齡期平均分別高出4MPa和9MPa。硅酸鹽水泥的水化產物以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渡區成為混凝土中的薄弱環節，而高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的水化產物是以水化硫鋁酸鈣（AFt）類的晶體為主[3]，不存在類似硅酸鹽水泥混凝土中的界面薄弱環節。混凝土的強度等級越高，界面過渡區對強度的降低作用越大，因而強度等級越高，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強度優勢越明顯。

圖2 混凝土的抗壓強度曲線

2.2 混凝土的抗滲性能分析

混凝土的抗滲性能與其抗化學侵蝕、抗凍性能和其他耐久性指標是密切相關的，因此抗滲性能是評價混凝土耐久性的重要指標。

試驗采用滲水高度法對比研究了不同水膠比情況下兩種水泥混凝土的抗滲性能，1.2MPa水壓下恒壓24h，劈開混凝土測其斷面滲水高度，試驗結果見表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低于硅酸鹽水泥混凝土；混凝土的強度等級越高，其抗滲性能越好，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比樣分別降低了27%和37.5%。這是因為一方面高性能貝利特硫鋁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性，改善了混凝土的孔結構，減少了水分遷移通道，改善了混凝土的抗滲性能；另一方面硅酸鹽混凝土的界面過渡區為氫氧化鈣晶體，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渡區中以水化硫鋁酸鈣為主[3]，砂漿和骨料結合緊密。

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度以及抵抗外部侵蝕介質向內部滲入的能力，是評價混凝土耐久性的關鍵指標之一。混凝土抗氯離子滲透試驗結果見表5。

表5 混凝土抗氯離子滲透系數

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小于硅酸鹽水泥混凝土，說明高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有更優異的抗氯離子滲透性能。這是因為高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥水化后生成大量的鈣礬石，其結合氯離子的能力較強[4]；另一方面，無水硫鋁酸鈣水化生成的鈣礬石有助于增加混凝土的密實度，使水泥石中的孔徑尺寸變小，由貫通的大孔變成不連續的小孔，延緩了氯離子的遷移速率，生長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構，提高了界面之間的粘結強度，使混凝土的界面結構得到顯著改善，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。

2.4 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能分析

硫酸鹽侵蝕會造成混凝土膨脹變形、強度和剛度等力學性能降低，并顯著降低結構的承載能力，使結構安全性下降，導致材料性能劣化，結構的使用壽命達不到設計要求，因此研究混凝土的抗硫酸鹽侵蝕對于水工混凝土和鹽堿地帶的混凝土十分關鍵。

試驗對比研究了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，設計干濕循環次數為150次，試驗結果見表6。

表6表明，C50強度等級的高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在不同侵蝕循環條件下的耐蝕系數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度高以及化學侵蝕減少。高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥水化時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，構成水泥石的致密結構。鈣礬石生成過程中產生一定的微膨脹補償收縮，使混凝土內部的孔隙率減少，孔徑尺寸縮小，截斷了SO42-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和硫酸鹽反應生成鈣礬石，進一步填充了混凝土內部空隙，提高了密實度，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比試驗結果

試驗對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，試驗結果見圖3。

圖3表明，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的相對動彈性模量逐漸減小；混凝土的抗凍性能隨水膠比的降低而增強，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滲性能好，水泥水化速率快，混凝土內部可凍水含量減少，從而促使水分在毛細管中的遷移速率加快，降低了毛細管水因冰凍而產生的壓力；另外，在混凝土凍融循環過程中，單硫型水化硫鋁酸鈣AFm在凍融過程中容易轉變成AFt，而AFt則是高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥的主要水化產物，從而進一步增加了混凝土的密實度，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孔張力變大從而導致毛細孔縮小引起混凝土體積變小，會導致混凝土表面或內部產生裂縫，降低混凝土的強度和耐久性。混凝土的干燥收縮率是混凝土重要的性能指標。混凝土干燥收縮率隨齡期的變化趨勢見圖4。

圖3 混凝土相對動彈性模量與凍融次數的關系

圖4 混凝土的干燥收縮率與齡期的關系

圖4 表明，兩種水泥混凝土均呈現28d前干燥收縮率增長較快，28d后干燥收縮率隨齡期增長而變緩的趨勢；干燥收縮與混凝土的強度等級反向變化，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度等級的硅酸鹽水泥混凝土，在低強度等級條件下，其干燥收縮小的優勢更明顯。混凝土的干燥收縮主要是由于混凝土中毛細孔失水引起的彎液面負壓作用。相同強度等級的混凝土，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，毛細孔含量較少，因而毛細孔失水引起的體積收縮相應減小；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物CSH凝膠對于體積變形的抵抗作用更強[6]，這也是混凝土強度等級較低時，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土具有相對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，試驗對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，試驗結果見圖5。

圖5表明，四組混凝土的碳化深度均隨碳化時間的延長而加深，隨水膠比的降低而減小。在碳化時間相同的情況下，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題，但是由于其長齡期的結構非常致密，水和空氣難以進入其內部，所以隨著混凝土齡期的延長，高性能貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土致密性高的特點將部分抵消其抗碳化較弱的問題[7]。

圖5 混凝土的碳化深度與時間的關系

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生膨脹，使混凝土保護層沿鋼筋縱向開裂導致混凝土結構破壞。而混凝土的抗鋼筋銹蝕能力與水泥品種有關，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結果見表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。低強度等級（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、混凝土內部孔溶液pH值降低有關，進入長齡期以后，鋼筋銹蝕不再發展[7]；高強度等級（C50）情況下，兩種水泥混凝土鋼筋銹蝕失重率相當，可能與水膠比降低后混凝土的抗滲性能提高從而降低了鋼筋銹蝕速率有一定關系。

表7 混凝土抗鋼筋銹蝕

3 結語

（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，同時具有較高的抗壓強度，尤其在高強度等級的混凝土中，抗壓強度優勢更明顯。

（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滲性能、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，但其較高的結構致密性和良好的界面結構，將部分抵消其抗碳化較弱的問題。

（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高強度等級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、力學性能和耐久性能，可以替代硅酸鹽水泥混凝土用于實際工程，應用前景廣闊。

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

[2]黃士元，鄔長森，楊榮俊.混凝土外加劑對硫鋁酸鹽水泥水化歷程的影響[J].混凝土與水泥制品，2012，（7）：7-12.

[3]葉正茂，常鈞，蘆令超，等.硫鋁酸鹽水泥砂漿界面過渡區的改性[J].硅酸鹽學報，2006，（4）：511-515.

[4]趙軍，蔡高創，高丹盈.硫鋁酸鹽水泥混凝土抗氯離子侵蝕機理分析[J].建筑材料學報，2011，（3）,357-361.

[5]李方元，唐新軍，等.硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能[J].混凝土與水泥制品，2012，（10）：1-6.

[6]西德尼·明德斯，J.弗朗西斯·楊；戴維·達爾文.混凝土[M].北京:化學工業出版社，2005.

[7]王燕謀，蘇慕珍，張量.硫鋁酸鹽水泥[M].北京:北京工業大學出版社，1999：219-220.■

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化應用（2014BAE05B00），國家“十二五”科技支撐計劃項目。

通訊地址：1天津水泥工業設計研究院有限公司，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任公司，內蒙古烏海016000；

2016-12-16；編輯：孫娟