鋁酸鹽和硅酸鹽復(fù)合水泥基材料配合比試驗(yàn)研究

朱 聰 萬小青 方卓然 陳語涵 陳冠雄 李昊洋 柯昌君

長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院（434023）

0 前言

預(yù)制鋼管混凝土樁保護(hù)層可以保護(hù)鋼管不發(fā)生銹蝕。 在此基礎(chǔ)上，利用鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合會(huì)發(fā)生微膨脹的特性，可以提高預(yù)制鋼管混凝土樁的抗拔能力，保證保護(hù)層的強(qiáng)度足夠而不易被破壞。選擇適當(dāng)比例復(fù)合鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥改善鋁酸鹽水泥砂漿或混凝土原有的不足，并加入不同外加劑探索對(duì)其強(qiáng)度的影響。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，已有相關(guān)文獻(xiàn)和專利[1-4]將復(fù)合水泥用于預(yù)制鋼管混凝土樁保護(hù)層，且能夠提高預(yù)制鋼管混凝土樁的極限抗拔力，但是復(fù)合水泥的配合比仍待優(yōu)化。在鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合體系方面，Gu P,Beaudoin J J 等[5]研究了多種鋁酸鹽與硅酸鹽水泥二元體系的早期強(qiáng)度（1～72 h），但未在微觀上對(duì)其現(xiàn)象作出解釋。膨脹劑是能夠產(chǎn)生巨大膨脹力的外加劑[6-10]，一般用于巖石開裂，也可以和水泥復(fù)合用來擴(kuò)大鋼樁樁頭。在混凝土摻減水劑和膨脹劑的使用和性能方面，有關(guān)學(xué)者對(duì)此技術(shù)在補(bǔ)償混凝土裂縫的收縮方面進(jìn)行了研究[11-15]，但是未考慮將膨脹劑的膨脹性能用于樁的保護(hù)層，從而增加樁對(duì)土壤側(cè)壁的壓力，提高樁的抗拔能力。

筆者研究不同比例鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥和摻不同量減水緩凝劑對(duì)復(fù)合砂漿抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及加入不同外加劑對(duì)鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。研究成果可以用于指導(dǎo)緊急施工并加固基礎(chǔ)、自擴(kuò)底鋼樁、保護(hù)層等。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥:鄭州新興鋁酸鹽水泥CA-50，葛洲壩普通硅酸鹽水泥PO·42.5；

減水劑:聚羧酸鹽系高性能減水劑；

緩凝劑:葡萄糖酸鈉液態(tài)緩凝劑；

膨脹劑:普通膨脹劑，靜態(tài)膨脹劑。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水泥砂漿制備

先使攪拌機(jī)處于待工作狀態(tài)，在鍋里加入水，再將鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥加入其中。 將鍋放在固定架上，上升至指定位置，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器。 先低速攪拌30 s 后，在第二個(gè) 30 s 開始的同時(shí)均勻地將標(biāo)準(zhǔn)砂加入，把機(jī)器調(diào)至高速檔再拌 30 s。 停拌90 s，接下來在第1 個(gè)15 s 內(nèi)用膠皮刮具將攪拌葉片和鍋壁上的砂漿，刮入鍋中間。在高速下繼續(xù)攪拌60 s。水泥砂漿的制備按照GBT 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行測定。

1.2.2 混凝土制備

將粗骨料、水泥、細(xì)骨料、水加入混凝土強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)， 攪拌完成后測試其坍落度。坍落度不大于70 mm 的混凝土宜用振動(dòng)振實(shí)，大于70 mm 的宜用搗棒人工搗實(shí)。 混凝土拌和物應(yīng)分兩層裝入模內(nèi)，每層的裝料厚度大致相等，填模完成后置于養(yǎng)護(hù)室恒溫養(yǎng)護(hù)。 混凝土強(qiáng)度的測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

采用行星式水泥砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行砂漿攪拌，100 t 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，DKZ-6000 水泥電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試。 采用荷蘭PANalytical 公司 X’Pert PRO X 射線衍射儀分析晶體的物相。 采用 KYKY-3800B 型掃描電鏡 SEM（scanning electron microscope） 觀察水化產(chǎn)物形貌，測定條件為表面鍍金處理，加速電壓為20 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合砂漿強(qiáng)度

將鋁酸鹽水泥以 0%、20%、40%、50%、60%、80%的比例與硅酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)合，試驗(yàn)組別如表1 所示。 分別測3 d 和28 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，如圖1 所示，其中，序號(hào)A2 和A3 試樣膨脹明顯。對(duì)序號(hào)A2 和序號(hào)A4 復(fù)合水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行XRD （樣品從養(yǎng)護(hù)到烘干結(jié)束時(shí)間為6 h） 和SEM分析，如圖2、圖3 和圖4 所示。

表1 水泥摻配比例

由圖1 可知， 隨著鋁酸鹽水泥比例的增加，水泥砂漿3 d 和28 d 的抗折、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律為先下降后上升的趨勢。 在鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥比例分別為40%和60%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到低點(diǎn)，隨后逐步上升。

圖1 復(fù)合水泥的砂漿強(qiáng)度

圖2 復(fù)合水泥砂漿的XRD

由圖 2（a）、圖 3（a）和圖 3（b）可知，在鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥比例分別為20%和80%時(shí)，復(fù)合水泥水化形成的主要產(chǎn)物為水化鋁硅酸鈣Ca3Al2（SiO2）（OH）8和鈣礬石。 水化鋁硅酸鈣 Ca3Al2（SiO2）（OH）8為水石榴石類礦物， 其結(jié)構(gòu)為散狀顆粒，其大量形成，導(dǎo)致復(fù)合體系的強(qiáng)度下降。 鈣礬石具有膨脹性，這是鋁酸鹽水泥硅酸鹽水泥復(fù)合后試樣膨脹的原因。

由圖 2（b）、圖 4（a）和圖 4（b）可知，在鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥比例分別為50%和50%時(shí)，復(fù)合水泥水化形成的主要產(chǎn)物為水化硅酸鈣Ca2SiO4H2O，水化鋁硅酸鈣 Ca3Al2（SiO2）（OH）8和鈣礬石沒有出現(xiàn)。 水化硅酸鈣Ca2SiO4H2O 的存在，以及水化鋁硅酸鈣 Ca3Al2（SiO2）（OH）8沒有形成，是試樣強(qiáng)度提高的原因。 復(fù)合水泥中鋁酸鹽水泥的大量摻配，水化鋁酸鈣的量相對(duì)過多，鈣礬石不再穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化為AFm，試樣沒有表現(xiàn)出膨脹現(xiàn)象。

圖3 試樣2 的SEM 照片

2.2 鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥復(fù)合混凝土強(qiáng)度

2.2.1 復(fù)合水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度

將鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合， 做成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土試件， 配合比見表2。 經(jīng)過 6 h、12 h、1 d、3 d 養(yǎng)護(hù)測試其抗壓強(qiáng)度如圖5 所示。

圖4 試樣4 的SEM 照片

表2 復(fù)合混凝土配合比

圖5 復(fù)合混凝土的抗壓強(qiáng)度

表3 摻不同膨脹劑的混凝土配合比

表4 摻膨脹劑和減水緩凝劑復(fù)合混凝土配合比

由圖5 可知，鋁酸鹽水泥混凝土的強(qiáng)度增長較快，硅酸鹽水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較慢，鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥復(fù)合后混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似于鋁酸鹽，但早期強(qiáng)度相對(duì)較低，這與鋁酸鹽水泥的水化速度有關(guān)。

2.2.2 加入不同膨脹劑復(fù)合混凝土的抗壓強(qiáng)度

將鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥比例分別為50%和50%時(shí)混合做成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土試件，分別加入普通膨脹劑、靜態(tài)膨脹劑和不摻外加劑 3 組進(jìn)行對(duì)照，經(jīng)過 6 h、12 h、1 d、3 d 養(yǎng)護(hù)（帶模養(yǎng)護(hù)）測試其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)用量見表3。

圖6 摻膨脹劑混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖6 可知， 摻普通膨脹劑在6 h 到3 d 時(shí)測得抗壓強(qiáng)度增長較快， 摻靜態(tài)膨脹劑在6 h 到3 d時(shí)則表現(xiàn)為先升后降的趨勢。 表明靜態(tài)膨脹劑的摻入對(duì)混凝土的強(qiáng)度不利。

2.2.3 加入不同膨脹劑和減水緩凝劑復(fù)合混凝土的抗壓強(qiáng)度

在表3 配合比的基礎(chǔ)上加入減水緩凝劑，用量見表 4。 測其 6 h、12 h、24 h、3 d（帶模養(yǎng)護(hù)）的抗壓強(qiáng)度。

圖7 摻膨脹劑和減水緩凝劑的抗壓強(qiáng)度

由圖7 可知，加入減水緩凝劑后，摻入普通膨脹劑的混凝土與不摻減水劑時(shí)的規(guī)律一致，靜態(tài)膨脹劑的混凝土在3 d 時(shí)強(qiáng)度提升較快。 這可能與其膨脹后混凝土試件致密、孔隙減少有關(guān)。

3 結(jié)語

鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合砂漿強(qiáng)度隨著鋁酸鹽水泥比例的增加，其強(qiáng)度表現(xiàn)為先下降后上升的規(guī)律。

在鋁酸鹽水泥占復(fù)合水泥用量20%～40%時(shí)，試件強(qiáng)度較低并伴隨明顯的膨脹，鋁酸鹽水泥占比20%時(shí)為最優(yōu)比，有利于提高樁的承載力。 其砂漿強(qiáng)度較低的原因與水化鋁硅酸鹽的大量形成有關(guān)，膨脹與鈣礬石的形成有關(guān)。

外加劑的摻入對(duì)復(fù)合水泥混凝土的強(qiáng)度有影響，減水劑可以改善復(fù)合混凝土強(qiáng)度,帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)普通膨脹劑有利于試件強(qiáng)度的提高，靜態(tài)膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度不利。