水泥摻量對(duì)NAS砂漿強(qiáng)度和抗碳化性能的影響

周萬(wàn)良 張遷禧 譚劍冬 任永祺 郭文濤 陳子瑜

（1合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利學(xué)院 土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；2合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)建筑工程系，安徽 宣城 242000）

0 引言

硅酸鹽系列水泥因?yàn)閮?yōu)良的性能而得到廣泛應(yīng)用，成為最大宗建筑材料，但其也有明顯缺點(diǎn)，如脆性大、非輕質(zhì)高強(qiáng)，特別是生產(chǎn)過程中耗能大，排放出大量CO2（生產(chǎn)1噸熟料排放大約1噸CO2）和粉塵，使其成為一種非環(huán)保不可持續(xù)發(fā)展的建筑材料。社會(huì)對(duì)環(huán)保日漸重視，正努力降低水泥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，其中一個(gè)方法是降低硅酸鹽系列水泥的用量，提高環(huán)保型水泥的應(yīng)用。堿激發(fā)水泥（也稱地聚物水泥）就是一種相對(duì)環(huán)保型水泥，不但利用工業(yè)廢渣如粉煤灰、礦渣等，在生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)還不會(huì)排放廢氣和粉塵。

為了降低硅酸鹽水泥熟料的產(chǎn)量、提高混凝土的耐久性、降低水化熱等目的，在硅酸鹽水泥混凝土生產(chǎn)時(shí)通常要摻入粉煤灰、礦渣等火山灰性質(zhì)的輔助性膠凝材料，這會(huì)延長(zhǎng)混凝土拌合物的凝結(jié)時(shí)間和降低早期強(qiáng)度，當(dāng)輔助性膠凝材料的摻量達(dá)到一定量時(shí)，過分延長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間和過低的早期強(qiáng)度會(huì)超出人們的忍耐度，因此，混凝土中輔助性膠凝材料的摻量是有限度的。堿激發(fā)水泥中一些水泥如堿激發(fā)礦渣水泥的凝結(jié)速度快[1]、早期強(qiáng)度高[2-3]，如將這樣的堿激發(fā)水泥與硅酸鹽水泥混合使用就可生產(chǎn)出既具有合適的凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度、又有大摻量輔助性膠凝材料的混凝土，大幅度提高混凝土中輔助性膠凝材料的摻量，降低混凝土成本，降低碳排放量。此外，硅酸鹽水泥和堿激發(fā)礦渣水泥在諸多性能方面具有互補(bǔ)性，如前者水化熱大、抗碳化性能好、干縮較小，但抗軟水侵蝕性能、抗硫酸鹽腐蝕性能和抗氯離子滲透性能等較差，而后者則水化熱小[4]、抗碳化性能較差[5-6]、干縮較大[7]，但抗化學(xué)腐蝕性能好[8-9]、抗凍融循環(huán)性能也較好[10]、界面過渡區(qū)強(qiáng)度高[11]。鑒于此，可將硅酸鹽水泥摻入堿激發(fā)礦渣水泥中配制成一種新型水泥，以期得到性能較完美的水泥。國(guó)外將硅酸鹽水泥和堿激發(fā)水泥的混合物稱為混合堿水泥[12]。目前，有關(guān)混合堿水泥研究特別是其耐久性方面的研究少。為此，本文研究了硅酸鹽水泥摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣砂漿（NAS砂漿）的強(qiáng)度和抗碳化性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：市購(gòu)32.5級(jí)P·S，28天抗折、抗壓強(qiáng)度分別為

5.8MPa、34.5MPa。

礦渣：合肥某混凝土公司提供的S95級(jí)和S105級(jí)礦渣。

南疆脫貧攻堅(jiān)成為新疆全面建設(shè)小康社會(huì)的底線任務(wù)和標(biāo)志性指標(biāo)，隨著扶貧工作的進(jìn)展，農(nóng)村通電、通廣播電視、通網(wǎng)絡(luò)寬帶、通路、通水已逐步實(shí)現(xiàn)，村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展在電力保障下，各種電器設(shè)備的安裝、使用、維護(hù)需求日益凸顯，其中不乏新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用，如果不能適應(yīng)新環(huán)境下對(duì)電工提出的新需求，從業(yè)人員必將在今后競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

砂：河砂，II區(qū)砂，細(xì)度模數(shù)2.78，屬中砂。

原材料的化學(xué)成分見表1。

NaOH：分析純，含量＞96%。

地勢(shì)低矮、平坦的土地(或田地)做好排水溝建設(shè)，盡量南北向成行栽植，密度適當(dāng)降低，以改善桑園小氣候，減少桑樹病蟲害發(fā)生。

(1)在經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)中一共有1875位會(huì)員，將每位會(huì)員的預(yù)定限額作為第1個(gè)指標(biāo)xk1。任務(wù)可以開始預(yù)定的最早時(shí)間為6：30，每位會(huì)員的開始預(yù)定時(shí)間與6:30相差mk分鐘，mk=(0,3,6,,,90)。當(dāng) mk≠0 時(shí)，取

表1 原材料的化學(xué)成分（%）

1.2 試驗(yàn)方法

按表3配比成型砂漿試件（尺寸40㎜×40㎜×160㎜），1天后拆模，置于室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)，到56天齡期測(cè)定強(qiáng)度和碳化深度，結(jié)果見表3。

按GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的方法成型、養(yǎng)護(hù)并測(cè)定試件28d抗折、抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 砂漿抗碳化性能測(cè)定方法

按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)》中碳化試驗(yàn)進(jìn)行。試件尺寸為40㎜×40㎜×160㎜，置于溫度為（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)28天，取3個(gè)試件在溫度為60℃的干燥箱中干燥至恒重后放入碳化箱中進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)。碳化箱的溫度為20℃，相對(duì)濕度為70%，CO2濃度為（20±3）%。碳化一定時(shí)間后將試件取出，用鏨子劈開試件，滴入1%濃度的酚酞酒精溶液，60s后用游標(biāo)卡尺測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的碳化深度，取平均值為該試件的碳化深度。

2 結(jié)果及分析

2.1 水泥摻量對(duì)NAS砂漿強(qiáng)度的影響

由圖1可知，在NAS砂漿中維持NaOH數(shù)量不變，摻入水泥僅等量取代部分礦渣后，當(dāng)取代量較少時(shí)（10%或20%），砂漿強(qiáng)度降低，當(dāng)取代量較多時(shí)（30%、40%或50%），砂漿強(qiáng)度增大。隨水泥摻量增加，砂漿強(qiáng)度變大，水泥摻量為40%時(shí)砂漿（第4組砂漿）強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)抗壓強(qiáng)度增大幅度為24.0%，此后水泥數(shù)量增加到50%時(shí)，砂漿強(qiáng)度沒有繼續(xù)增加，其原因是水泥只取代了部分礦渣，砂漿中NaOH數(shù)量并沒有減少，溶液中NaOH的濃度并沒有降低，由NaOH對(duì)礦渣的激發(fā)生成的C-A-S-H（NaOH激發(fā)礦渣的水化產(chǎn)物中主要的膠凝成分是C-A-S-H[13-14]）數(shù)量并沒有因?yàn)樗鄶?shù)量增加而顯著減少，而水泥水化產(chǎn)生的砂漿強(qiáng)度隨水泥數(shù)量增加而越來越大，因此，隨砂漿中水泥取代量增加，砂漿強(qiáng)度越來越大。

由圖2可知，在NAS砂漿中摻入水泥等量取代部分礦渣和NaOH后，當(dāng)取代量為5%時(shí)，砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均有提高，抗壓強(qiáng)度提高幅度為26%。當(dāng)取代量為10%～20%時(shí)，砂漿強(qiáng)度均降低，且水泥摻量越多，砂漿強(qiáng)度降低越多，其原因是隨水泥取代礦渣和NaOH量增加，砂漿中NaOH數(shù)量逐漸減少，溶液中NaOH濃度逐漸降低，由NaOH激發(fā)礦渣生成的C-A-S-H數(shù)量明顯減少，雖然水泥水化對(duì)砂漿強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，但彌補(bǔ)不了由于C-A-S-H數(shù)量的減少而導(dǎo)致的砂漿強(qiáng)度的降低。

進(jìn)入8月下旬，尿素價(jià)格在前期觸底之后強(qiáng)勢(shì)反彈，連續(xù)兩周持續(xù)上漲大有重回2000元/噸之勢(shì)，而支撐尿素再次沖高的因素就是行業(yè)開工率的低位。經(jīng)歷了連續(xù)兩周上漲之后，本周尿素價(jià)格漲勢(shì)放緩，雖然工廠待發(fā)訂單較多，挺價(jià)意識(shí)強(qiáng)烈，但下游的心態(tài)已有些許變化，就算前期有抄底和追漲操作的經(jīng)銷商，也逐漸擺出謹(jǐn)慎的姿態(tài)。本輪行情的天花板究竟在哪是當(dāng)下經(jīng)銷商所關(guān)心的問題。

圖1 摻水泥的NAS砂漿的強(qiáng)度

2.1.1 水泥僅取代礦渣時(shí)水泥摻量對(duì)NAS砂漿強(qiáng)度的影響

明天從不向任何人作保證，無(wú)論青年或老人，今天可能就是你最后一次看到你所愛的人。因此，別再等待了，今天就開始！因?yàn)槿绻魈煊肋h(yuǎn)不來，你也許會(huì)遺憾今天沒來得及微笑、擁抱、親吻，會(huì)遺憾自己忙碌得只能把它們歸為一個(gè)最后的愿望。保護(hù)周圍你愛的人吧，告訴他們你多么需要他們。愛他們，善待他們，用些時(shí)間對(duì)他們說：“對(duì)不起”，“原諒我”，“勞駕”，“謝謝”，以及你知道的所有愛的話語(yǔ)。

2.1.2 水泥同時(shí)取代礦渣和NaOH時(shí)水泥摻量對(duì)NAS砂漿強(qiáng)度的影響

設(shè)定NAS砂漿的配比為：礦渣﹕NaOH﹕水﹕砂=450g：18g：234g：1350g。用一定量的礦渣水泥等量同時(shí)取代NAS砂漿中部分礦渣和NaOH（保持礦渣與NaOH的比例不變），成型規(guī)格為40㎜×40㎜×160㎜的試件，置于溫度為（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)定試件的抗折、抗壓強(qiáng)度，見圖2。

圖2 摻水泥的NAS砂漿的強(qiáng)度

設(shè)定NAS砂漿的配比為：礦渣﹕NaOH﹕水﹕砂=450g：18g：225g：1350g。用一定量的水泥等量取代NAS砂漿中部分礦渣（保持NaOH數(shù)量不變），成型規(guī)格為40㎜×40㎜×160㎜的試件，置于溫度為（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)定試件的抗折、抗壓強(qiáng)度，見圖1。

綜合圖1和圖2的分析可知，由于成本上NaOH＞水泥＞礦渣，雖然圖1中第5組NAS砂漿抗壓強(qiáng)度有24.0%的提高，但其中NaOH和水泥數(shù)量明顯大于圖2中第2組砂漿（抗壓強(qiáng)度有26.0%的提高），因此從提高強(qiáng)度和降低成本的角度考慮，在NAS砂漿中摻入水泥時(shí)應(yīng)采取同時(shí)取代礦渣和NaOH的方式摻入，同時(shí)摻量要少（5%左右）。

2.2 加速碳化試驗(yàn)時(shí)NAS砂漿的抗碳化性能

將表2中每組試件（尺寸40㎜×40㎜×160㎜）置于溫度（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)28天后取3個(gè)測(cè)定強(qiáng)度，同時(shí)取3個(gè)試件放入碳化箱中進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

“你犯不著揍他。這一次我聽得清清楚楚,明明是他說的!”張連長(zhǎng)給了他個(gè)公道,接著,又大聲說,“都站住吧,原地休息休息!”

在此次年會(huì)上，智慧建筑專委會(huì)秘書長(zhǎng)張永剛對(duì)專委會(huì)成立一年來的工作做了匯報(bào)與總結(jié)，智慧建筑專委會(huì)被中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)授予“2018年度優(yōu)秀分支機(jī)構(gòu)”。

由表2可知，隨NaOH含量增加，NAS砂漿28天抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸增大。NaOH含量為6%的第5組NAS砂漿28天抗折、抗壓強(qiáng)度均大于第6組水泥砂漿，但是其加速碳化7天后碳化深度≥20mm，砂漿折斷后的斷面已全部碳化，而第6組水泥砂漿雖然28天抗折、抗壓強(qiáng)度小于第5組，但加速碳化9天后其碳化深度只有18.2mm。這表明，在加速碳化試驗(yàn)時(shí)，水泥砂漿的抗碳化能力遠(yuǎn)強(qiáng)于強(qiáng)度相同的NAS砂漿，其原因主要是NAS膠凝材料的水化產(chǎn)物中沒有氫氧化鈣，只有C-（A）-S-H被碳化。

一切仿佛是昨天，記憶是流淌的河，深入藏地，遇見他們讓我感到無(wú)比幸福，那些鮮活的面孔伴隨著樸素的名字，宛如河底多彩的石，閃動(dòng)著美妙的色彩，縈繞在溫暖的思緒里。至今我常去甘南草原看看，想念他們成了慣性，每畫，總沉迷。

2.3 自然碳化時(shí)NAS砂漿的抗碳化性能

1.2.1 砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法

表2 砂漿的配比、28天強(qiáng)度以及碳化深度組號(hào)砂漿配比抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa碳化深度/mm礦渣/g NaOH/g水/g水泥/g砂/g7d 9d 1450 450×2%=9.0 234 0 13504.614.0≥20/2450 450×3%=13.5 234 0 13505.719.3≥20/3450 450×4%=18.0 234 0 13506.527.1≥20/4450 450×5%=22.5 234 0 13506.730.2≥20/5450 450×6%=27.0 234 0 13506.834.9≥20/60 0 225 450 13505.834.5/18.2

表3 砂漿的配比和碳化深度

由表3可以看出，就56天抗壓強(qiáng)度，NaOH含量4%的NAS砂漿＜NaOH含量6%的NAS砂漿＜NaOH含量8%的NAS砂漿。就56天齡期的抗碳化性能，NaOH含量4%的NAS砂漿＜NaOH含量6%的NAS砂漿＜NaOH含量8%的NAS砂漿。這表明，在一定NaOH含量范圍內(nèi)，NaOH含量大有利于提高NAS砂漿的強(qiáng)度和抗碳化性能。此外，表3還表明，各組NAS砂漿（第1、2、3組砂漿）自然碳化時(shí)的抗碳化性能遠(yuǎn)低于水泥砂漿，盡管第3組NAS砂漿強(qiáng)度顯著大于水泥砂漿。

2.4 加速碳化試驗(yàn)時(shí)水泥摻量對(duì)NAS砂漿抗碳化性能的影響

本文的研究和一些其他學(xué)者的研究表明，NAS砂漿的抗碳化性能低于水泥砂漿。在NAS砂漿中摻入水泥，水泥水化后生成大量的Ca（OH）2，理論上能提高NAS砂漿的抗碳化能力。為此，對(duì)表4中各組砂漿進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

對(duì)表4中第1組和第2組進(jìn)行比較可知，用5%的水泥等量取代NAS砂漿中礦渣和NaOH后砂漿強(qiáng)度提高，加速碳化9天的碳化深度由＞20mm變?yōu)?4.8mm，且明顯小于強(qiáng)度幾乎與之相等的水泥砂漿（第6組砂漿）的碳化深度18.2mm，抗碳化性能顯著提高。由表4中第2、3、4、5組可知，隨砂漿中水泥摻量由5%增加到20%，砂漿28d抗折、抗壓強(qiáng)度越來越小，該結(jié)果與Cahit Bilim等[15]的研究結(jié)果相似，其原因是堿性激發(fā)劑對(duì)水泥水化的影響導(dǎo)致大量C-S-H中的Ca被Na取代而生成N-C-S-H，該物質(zhì)的密實(shí)性和強(qiáng)度均低于水泥的水化產(chǎn)物C-S-H[16-18]。當(dāng)砂漿中水泥摻量由5%（第2組砂漿）增加到10%時(shí)（第3組砂漿），砂漿加速碳化2天、9天時(shí)的碳化深度進(jìn)一步減小，抗碳化性能進(jìn)一步提高。但水泥摻量為15%的砂漿（第4組砂漿）和20%的砂漿（第5組砂漿）抗碳化性能較水泥摻量為10%的砂漿（第3組砂漿）沒有進(jìn)一步提高，反而有所降低。其原因是隨水泥摻量增加，雖然砂漿中氫氧化鈣數(shù)量增加，但由于生成的N-CS-H數(shù)量增加，導(dǎo)致砂漿密實(shí)度降低，從而使砂漿抗碳化性能下降。由表4第2～6組還可知，摻水泥的NAS砂漿雖然抗壓強(qiáng)度＜水泥砂漿，但是碳化2d和9d的碳化深度遠(yuǎn)小于水泥砂漿，表明抗碳化性能遠(yuǎn)好于水泥砂漿。這表明在NAS砂漿中摻入5%～20%的水泥后抗碳化性能遠(yuǎn)高于強(qiáng)度相等的水泥砂漿。

總之，在NAS砂漿中摻入水泥能顯著提高砂漿的抗碳化性能。水泥的適宜摻量為5%～10%，最佳摻量為10%。綜合以上分析可知，從提高強(qiáng)度和抗碳化性能、降低砂漿成本考慮，在NAS砂漿中水泥的適宜摻量為5%～10%，且應(yīng)采取同時(shí)取代礦渣和NaOH的方式摻入。

3 結(jié)論

1）從提高強(qiáng)度和降低成本的角度考慮，在NAS砂漿中摻入水泥時(shí)應(yīng)采取同時(shí)取代礦渣和NaOH的方式摻入，摻量為5%。

2）加速碳化試驗(yàn)和自然碳化試驗(yàn)結(jié)果都表明，NAS砂漿抗碳化性能遠(yuǎn)低于強(qiáng)度與之相等的水泥砂漿。

3）在NAS砂漿中摻入水泥能顯著提高砂漿的抗碳化性能。水泥的適宜摻量為5%～10%，最佳摻量為10%。

4）從提高強(qiáng)度和抗碳化性能、降低砂漿成本考慮，在NAS砂漿中水泥的適宜摻量為5%～10%，且應(yīng)采取同時(shí)取代礦渣和NaOH的方式摻入。

表4 砂漿的配比、28天強(qiáng)度以及碳化深度