高性能膠凝材料的制備和力學性能研究

郭 威 劉娟紅 陳明路

（1.北京科技大學 土木與環境工程學院 100083 北京；2.北京建筑大學 土木與交通學院 100044 北京）

高性能混凝土本應在各方面都具有良好的性質，但國內最近卻出現不少“高性能混凝土”結構的開裂，早期開裂的現象尤為嚴重[1]。造成這種情況的原因是我國近年來一直對高性能混凝土有一定錯誤的認識，很多人認為“高性能混凝土”就是擁有高強度、良好流動性并加入礦物摻合料的混凝土，這導致“高性能混凝土”的使用產生了盲目和混亂。使得不少水泥廠商為了使混凝土早期強度達到國家規定的標準而盲目將水泥磨細，大大增大了水泥的細度，使得混凝土更加容易產生開裂，這與高性能混凝土應擁有高耐久性的初衷相矛盾。

上世紀90年代吳中偉先生提出了高性能膠凝材料的概念。高性能膠凝材料是在平時配制水泥熟料時直接將混凝土中需要加入的各種摻合料、外加劑與熟料混合，經過石膏摻量的優化后以合適的配合比制成不同強度等級的混凝土。得到的膠凝材料不用再加其他添加劑，便可以用于配制不同強度等級的混凝土，此種混凝土是擁有合適坍落度、強度、抗裂性的高性能混凝土[2]。國內許多學者對水泥的細度、石膏的摻量、粉磨工藝等對混凝土性能的影響方面也做了大量的研究，并提出了對高性能水泥的要求[3-13]。

本文采用由比表面積較高的摻和料和比表面積較低的水泥熟料制備的高性能膠凝材料，研究水泥熟料比表面積、水泥孰料摻量以及SO3含量對水泥標準稠度用水量、凝結時間、膠砂抗折抗壓強度以及混凝土抗壓強度的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

熟料：本次試驗使用北京金隅水泥廠提供的300m2/kg和350m2/kg比表面積的水泥熟料。

水泥：北京金隅水泥廠P·O42.5水泥，比表面積380m2/kg。

粉煤灰：采用密度2.2g/cm3，500m2/kg比表面積，需水量比為96%的粉煤灰。

礦粉：采用密度2.95g/cm3，430m2/kg比表面積，需水量比為106%的礦粉。

石灰石粉：采用密度2.81g/cm3，440m2/kg比表面積，需水量比為98%的石灰石粉。

石膏：采用SO3含量50.3%的二水石膏。

1.2 試驗方法

標準稠度用水量與凝結時間試驗：按照規范《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》《GB1346-1989》進行測定。膠砂強度試驗：按照規范《水泥膠砂強度檢驗方法（IOS法）》（GB17671-1999）進行測定。混凝土強度試驗：參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行測定。

2 試驗與結果

2.1 凈漿與膠砂試驗結果

膠凝材料分為兩個大組，A組采用比表面積300m2/kg的水泥熟料、B組采用比表面積350m2/kg的水泥熟料。調整水泥熟料、礦粉、粉煤灰、石灰石粉以及SO3摻量，具體組分見表1、表2。按照各組配比分別制備凈漿和膠砂試件，測量18個組別的膠凝材料凈漿標準稠度用水量和凝結時間，以及膠砂抗折、抗壓強度。

2.2 混凝土強度試驗結果

根據凈漿和膠砂試驗確定混凝土制備組，A組、B組為高性能膠凝材料，比表面積分別為300±5m2/kg和350±5m2/kg，C組為金隅水泥組。混凝土試驗在保證外加劑用量2.20%不變的前提下通過改變用水量使各個組別的混凝土的坍落度保持在200mm。混凝土各組別配合比及抗壓強度見表3。

3 結果分析

3.1 標準稠度用水量的影響因素分析

圖1可知，相同水泥熟料摻量、相同SO3摻量的情況下水泥熟料比表面積越大標準稠度用水量越大。這是因為水泥熟料越細，顆粒間的空隙越大，與水接觸的面積也越大，從而導致用水量的增加。圖2可知，相同水泥熟料比表面積、相同SO3摻量的情況下水泥熟料摻量越少標準稠度用水量越大。這是因為雖然水泥中粉煤灰和石灰石粉的需水量比較水泥略小，但是摻合料中摻量最大的礦粉其需水量較水泥更大，而且其需水量高于水泥的差值大于粉煤灰和石灰石粉低于水泥的差值，因此摻合料總體的需水量大于水泥熟料。圖3可知，相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下SO3摻量越少標準稠度用水量越大。石膏在膠凝材料中能有效起到緩凝作用，當SO3摻量減少的情況下，緩凝作用變弱，水泥熟料能更迅速進行水化反應。

表1 A組（300m 2/kg水泥熟料）組分比例、凝結時間及膠砂試塊強度

表2 B組（350m 2/kg水泥熟料）組分比例、凝結時間及膠砂試塊強度

表3 各組別混凝土配合比及抗壓強度

圖1 不同比表面積水泥熟料的標準稠度用水量對比圖

圖2 不同水泥熟料摻量的標準稠度用水量對比圖

圖3 不同SO 3摻量的標準稠度用水量對比圖

3.2 凝結時間的影響因素分析

圖4～圖5可知，相同水泥熟料摻量、相同SO3摻量的情況下水泥熟料比表面積越大凝結時間越短。這是因為水泥越細，在各個水泥顆粒之間的空隙越多，能夠與水接觸的表面積也就越大。圖6～圖7可知，相同水泥熟料比表面積、相同SO3摻量的情況下水泥熟料摻量越少凝結時間越長。這個現象的原因是當水泥熟料摻量減少時摻合料也會變多，摻合料的活性要低于水泥，增多的摻合料的有益作用主要體現在中長期性能上，而對于早期的強度貢獻遠小于水泥。圖8～圖9可知，相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下SO3摻量越少凝結時間越短。這是因為石膏在膠凝材料中起緩凝作用，石膏能夠和導致水泥快速凝結的水化鋁酸三鈣發生反應生成鈣礬石，包裹住水泥顆粒，阻止水泥的繼續水化，避免水泥的閃凝。50%、40%、30%三種水泥熟料摻量的膠凝材料組別雖然凝結時間相差不大，但30%組別的標準稠度用水量達到29%以上，超出普通水泥28%的標準稠度用水量較多，這會造成混凝土強度下降和開裂加劇，而50%、40%水泥熟料摻量組別的標準稠度用水量較為合適，因此通過凈漿試驗選出50%、40%水泥熟料摻量組別的性能較好。

3.3 膠砂試塊抗壓強度影響因素分析

圖4 不同比表面積水泥熟料初凝時間對比圖

圖5 不同比表面積水泥熟料終凝時間對比圖

圖6 不同水泥熟料摻量初凝時間對比圖

圖7 不同水泥熟料摻量終凝時間對比圖

圖8 不同SO 3摻量初凝時間對比圖

圖9 不同SO 3摻量終凝時間對比圖

從表1～表2、圖10～圖12分析可得：300m2/kg比表面積的水泥熟料組別相較350m2/kg比表面積的水泥熟料組別早期膠砂抗折抗壓強度低；50%、40%、30%三種水泥熟料摻量的膠凝材料組別中30%組別的膠砂抗折抗壓強度明顯較其他組別低，膠凝材料中水泥熟料比表面積越大膠砂早期強度越大，隨著齡期的增加水泥熟料比表面積小的膠砂強度增長更快；膠凝材料中水泥熟料摻量越少膠砂早期強度越小，隨著齡期的增加水泥熟料摻量少組別，其摻和料性能逐漸發揮會縮小與水泥熟料摻量多組別的膠砂強度差距；膠凝材料中SO3摻量的變化對膠砂強度沒有明顯影響，這是因為與混凝土不同，膠砂中沒有各種不同粗細的骨料，使得石膏的填充、激發活性等作用發揮不明顯。所以石膏在膠砂中僅起到緩凝作用，對強度不會有明顯影響，且由于膠砂試驗所采用的水膠比為標準提供的0.5，從而導致抗壓強度不高，所以需要進行混凝土試驗繼續測定。

3.4 混凝土的強度

圖10 不同比表面積水泥熟料膠砂28d抗壓強度對比圖

圖11 不同水泥熟料摻量膠砂28d抗壓強度對比圖

圖12 不同SO 3摻量膠砂28天抗壓強度對比圖

據以上的分析初步得出高性能膠凝材料最佳組別應該是350m2/kg比表面積水泥、40%水泥熟料摻量的組別之一，即B-2-1、B-2-2、B-2-3中的一組，為了和普通硅酸鹽水泥制備而成的混凝土進行對比從而增設P·O 42.5水泥對照C2組。但考慮到試驗中可能產生的各種誤差，更重要的是300m2/kg和350m2/kg組別的膠砂28天強度很相近，應增設A-2-1、A-2-2、A-2-3三組繼續比較兩種比表面積的優劣，既而繼續進行混凝土試驗確定最佳配比。

從圖13可以看出，在相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下，3.5%SO3摻量的B-2-2、A-2-2組別抗壓強度最高，相比較來說此摻量的石膏顆粒較3.0%、4.0%摻量來說能夠更充分地與水泥顆粒和摻合料顆粒接觸并激發其活性，填充結構孔隙，因而抗壓強度最高。從齡期增長趨勢可以看出，可以看出3.5%SO3摻量的組別較其他組別強度增長稍快一些，但并無太大差距。這與理論相符，因為SO3本身對混凝土抗壓強度的增長影響就不大，因此SO3摻量的變化更不會對混凝土的長期抗壓強度增長有所影響。

并從圖14可以看出，在相同水泥熟料摻量下，細度越大的C2組混凝土早期抗壓強度越大。這是因為水泥越細，與水接觸的比表面積越大，能有更多的水泥與水反應、硬化，砂石等骨料之間的膠凝材料連結能力也就越強，強度也就越高。但是隨著齡期的增長，對照組C2組混凝土強度增長速率慢慢降低，粗顆粒水泥組A-2-2、B-2-2組的強度增長速率逐漸超過C2組，B-2-2組在28d齡期時抗壓強度已經達到對照組C2組水平，并且在56d齡期時明顯高于C2組，再者56d時A-2-2組混凝土的抗壓強度已接近C2組水平。這是由于在水膠比相同的情況下水泥熟料比表面積小的組別雖然初始水化速率不如水泥熟料比表面積大的組別，但是隨著齡期發展初始未充分反應的部分可以繼續發生水化，而水泥熟料比表面積大的組別則由于初始反應較完全，繼續水化的能力較弱，所以強度增長較水泥熟料比表面積小的組別慢一些。

圖13 不同SO 3摻量混凝土強度對比圖

圖14 水泥熟料混凝土與P·O 42.5水泥混凝土強度對比圖

結論

（1）水泥熟料摻量越大，標準稠度用水量越小，凝結時間越短，膠砂和混凝土強度越高。水泥熟料比表面積越大，標準稠度用水量越大，凝結時間越短。

（2）SO3摻量越大，標準稠度用水量越小、凝結時間越長，對膠砂強度均沒有太大影響，而對混凝土強度的影響會在摻量為3.5%左右達到峰值，此時混凝土強度最高。

（3）比表面積300m2/kg、摻量40%水泥熟料、3.5%SO3的組別和比表面積350m2/kg、40%水泥熟料、3.5%SO3組別可制備出兼顧施工性、強度的高性能混凝土。

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