硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的制備及性能研究*

閔紅霞

(重慶城市科技學院 建筑管理學院，重慶 402167)

0 引 言

隨著我國社會主義現代化的發展，城市化率不斷提高，混凝土已經成為了現代化建設發展中必不可少的一部分[1-5]。通常混凝土按照膠凝材料分類可分為兩大類：有機膠凝材料混凝土和無機膠凝材料混凝土，常見的有機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。無機膠凝混凝土也是最常用的混凝土，主要有灰硅質膠凝材料混凝土、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、握裹力好、安全性高以及優異的經濟性能等特點，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廣泛應用[6-8]。雖然混凝土有著很多的優點，但同時也存在一定的缺陷，例如延展性較差、熱導率較大以及抗拉強度低等，這些缺點在一定程度上限制了混凝土的應用[9-11]。混凝土性能的差異主要取決于水泥性能的差異，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系[12-17]。硅酸鹽系列水泥具有早期強度高、凝結硬化快、抗凍性好等特性而常用于預制和現澆的混凝土工程，硫鋁酸鹽水泥具有高抗凍性能、耐蝕性能及高抗滲性能等特點常用于搶修搶建工程、預制構件、低溫施工工程、抗海水腐蝕工程等。隨著技術的不斷發展，輕質、高強度、多功能的混凝土必然是發展趨勢，人們對于混凝土的強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，復合化是非常有效且簡便的一種辦法。通過調整水泥的配比以及熟料礦物的組成，可以實現將多種水泥優點集于一體的復合混凝土體系[18-21]。近年來越來越多的研究者開始關注硫鋁酸鹽-硅酸鹽復合體系的研究，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-硫鋁酸鹽水泥復合體系的標準稠度用水量、凝結時間、膠砂抗折抗壓強度、砂漿干縮率及水化放熱的影響，結果表明，在硫鋁酸鹽水泥中摻入普通硅酸鹽水泥會使標準稠度用水量增大，當普通硅酸鹽水泥摻量較小時，凝結時間減小，過大時凝結時間增大；聚羧酸減水劑使標準稠度用水量減少，凝結時間縮短。其中減水劑摻量為1.0%時，標準稠度用水量最小，凝結時間最短；隨著礦物摻合料摻量的增加，會使標準稠度用水量逐漸增大，凝結時間逐漸延長[22]。Zhang X等采用新型試驗方法研究了不同復配合比例的硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥混合體系漿液黏度時變特性和凝結變形特性，結果表明，硅酸鹽-硫鋁酸鹽復配水泥體系水化過程中出現相互促進和水化疊加效應，水泥水化和凝結速度加快。水泥漿液儲能模量存在有明顯誘導期，加速期和穩定期,呈現出“S”型變化趨勢，且水泥水化進入穩定期時存在結構突變現象[23]。

本文采用硫鋁酸鹽水泥，根據設計配比，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、力學性能和耐久性能等的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

硫鋁酸鹽水泥：化學組成主要為8.157%(質量分數)的SiO2，25.412%(質量分數)的Al2O3，3.014%(質量分數)的Fe2O3，45.97%(質量分數)的CaO，1.365%(質量分數)的MgO，13.972%(質量分數)的SO3，0.36%(質量分數)的K2O，1.75%(質量分數)的TiO，武漢吉業升化工有限公司；硅酸鹽水泥：20.92%(質量分數)的SiO2，5.01%(質量分數)的Al2O3，2.77%(質量分數)的Fe2O3，66.74%(質量分數)的CaO，1.41%(質量分數)的MgO，1.66%(質量分數)的SO3，1.08%(質量分數)的K2O，0.07%(質量分數)的Na2O，0.34%(質量分數)的TiO，武漢吉業升化工有限公司；粉煤灰：南京熱電廠生產的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：武漢吉業升化工有限公司。

1.2 樣品制備

水泥砂漿的成型按照國標《水泥膠砂強度》(GB/T17671 1991 )的要求進行操作。按照設計配比稱取硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦渣、石膏、實驗用自來水及外加劑制備樣品，待試樣制備成型后，放入標準養護箱養護24 h 后，拆模并放入標準養護箱中養護 3和28 d，待養護完成后，即測試樣品的抗壓強度。硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的設計配比如表1所示。

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

2 結果與討論

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，當水泥拌水到初凝，C3S與水迅速反應生成飽和CH溶液，因此可發現圖中CH衍射峰最強，當硫鋁酸鹽水泥的摻量為6wt%時，AFt衍射峰最強，說明硫鋁酸鹽水泥在3 d已經發生了水化反應，水泥熟料中的高硅酸三鈣(C3S)與石膏迅速反應，形成鈣礬石晶體，一般水化反應超過1d后可達最大值。當硫鋁酸鹽水泥摻量為9wt%時，圖譜中未出現CH峰，說明硫鋁酸鹽水泥摻量較多的情況下，已無Ca(OH)2結晶生成。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，這是因為從初凝后，石膏含量逐漸消耗殆盡，AFt會轉化成AFm，因此AFM衍射峰增強，水化產物數量不斷增加，高性能混凝土的結構變得更加致密。

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，且呈現出片層狀，當未摻雜硫鋁酸鹽水泥時，整體結構呈現出致密結構，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，當水泥初凝時，CH會很快達到飽和狀態，而當28 d時，AFt轉化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的層狀結構，層間連接較弱，易產生層狀解理，當硫鋁酸鹽水泥摻量過多時，在受力過程中會出現裂縫，并且某些侵蝕離子會在此聚集，反而對試樣的強度有減弱趨勢。

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行測試分析，在氮氣保護下，室溫條件下升溫速率設為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 ℃出現了明顯的質量損失，這是由于AFt中水分的蒸發所導致的，當溫度處于400～500 ℃時，對應的吸熱峰為CH的吸熱峰，當溫度處于550～700 ℃時，C-S-H凝膠發生水分蒸發出現了失重，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出正比關系。

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 力學性能分析

水泥砂漿力學性能測試按照國標《水泥膠砂強度試驗方法》(GB/T17671 1999 的要求進行操作，采用NYL-2000D液壓式壓力試驗機連續均勻地對試件進行加載，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的抗壓強度和抗壓強度值。從圖4和表2可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，所有試樣的抗壓強度在3和28 d均得到了明顯的提高，呈現出逐漸增大的趨勢。這是因為隨著硫鋁酸鹽水泥的加入，提高了早期水化反應的速率，降低了體系的自由水含量，使前期的強度有了明顯的增強。對比3和28 d的抗壓強度發現，當硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時，試樣的抗壓強度均為最高，且在28 d抗壓強度達到了最大值41.1 MPa，相比3 d的34.3 MPa，增加了19.83%，但是當硫鋁酸鹽水泥摻量過多時，會產生較多的產物及侵蝕離子，影響了高性能混凝土的強度，對比28 d時0和3%試樣可發現，強度增加了7.72%，對比6%與9%試樣，強度增強了7.44%，發現抗壓強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，并用保鮮膜進行封裝，腐蝕時間為28和90 d，隨后對試樣進行抗壓強度測試，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的強度損失率和強度損失值。從圖5和表3可以看出，在經過腐蝕液腐蝕28和90 d后，未摻雜硫鋁酸鹽水泥的試樣強度損失最小，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，強度損失逐漸增加，當硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時，腐蝕90 d強度的損失率達到了最大值10.3%，分析其原因為硫鋁酸鹽水泥引入后，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的強度損失值Table 3 Strength loss of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 28 and 90 days

3 結 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，水化反應加快，不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的結構變得更加致密。SEM分析發現，所有試樣中的六方板狀的Ca(OH)2均比較厚，且呈現出片層狀，整體結構的致密性比較接近，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，當摻量過多時，在受力過程中會出現裂縫，并且某些侵蝕離子會在此聚集，反而對試樣的強度有減弱趨勢。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出正比關系。力學性能分析表明，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，在3和28 d時試樣的抗壓強度均呈現出逐漸增大的趨勢，當硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時，試樣的抗壓強度在28 d達到了最大值41.1 MPa，相比3 d增加了19.83%，但對比發現抗壓強度的增幅隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。侵蝕分析發現，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，試樣的強度損失逐漸增加，耐久性變差，當硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時，腐蝕90 d的強度損失率達到了最大值10.3%。