硫鋁酸鹽水泥修復材料研究綜述

劉斌清，徐國棟，葉超強，黃澤國

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

通用硅酸鹽水泥常用于一般工程項目中，其凝結速度和早期強度發展慢，在道路搶修、搶險工程等情況中應用受到限制。20世紀70年代，硫鋁酸鹽水泥在中國研制成功，該水泥采用生料煅燒得到以無水硫鋁酸鈣(C4A3$)和硅酸二鈣(C2S)為主要成分的熟料，再通過摻加石灰石和適量石膏磨細得到的膠凝材料[1]。因水泥熟料可以激發摻合料的活性，加入摻合料可提高硫鋁酸鹽水泥的性能，常用作摻合料的為粉煤灰。

硫鋁酸鹽水泥的生產和應用主要在國內，但因鋁礬土資源相對較為稀缺，國內目前僅有約20多家硫鋁酸鹽水泥廠，2017年產量約在250萬t左右。硫鋁酸鹽水泥煅燒穩定較硅酸鹽水泥大約低了100 ℃～200 ℃，碳排量大約減少40%左右，熱能消耗減少15%左右，研磨耗電量減少40%左右，各方面優勢明顯。硫鋁酸鹽水泥經過數十年的發展，形成了快硬型、低堿度型、自應力型、復合改性型四種類型。硫鋁酸鹽水泥具有快硬、早強、抗滲、抗凍、微收縮、更加環保等優點[2]，因此非常適合用作快速修復材料。

1 硫鋁酸鹽水泥水化特性

硫鋁酸鹽水泥在發生水化反應時，C4A3$、C2S與水生成鈣礬石(AFt)、C-S-H凝膠、Al(OH)3凝膠，此外還會生成AFm[3]。石膏摻量直接影響了水化產物AFt和AFm之間含量的平衡，石膏摻量高時，平衡向生成足夠Aft偏移；石膏摻量不足時，AFt會轉化為AFm，致使水化產物中殘留部分AFm，因此合理的礦物組成對于性能的保證起主導作用[4]。

快速修復技術一般需要有足夠的初凝時間以滿足施工要求，又需要過短的終凝時間以達到快速形成強度，原結構得以快速修復重新使用。硫鋁酸鹽水泥的水化速度過快，初凝時間過短，往往需要采用一定措施進行初凝時間調節，并且在延長初凝時間的同時應滿足終凝時間不得過長，以及強度不損失，從而達到快速修復目的。除了凝結時間方面的要求外，修復材料與原界面之間的粘結問題、修復材料韌性改善問題、修復材料持續耐久問題等都對修復材料提出了要求。

2 國內外研究現狀

2.1 硫鋁酸鹽水泥修補材料研究現狀

Glasser等研究了采用不同組分、不同摻配比例摻合料的硫鋁酸鹽水泥的水化熱和水化過程；Winnerfield等研究了該水泥的水化機理、反應過程等，發現其水化速度要遠快于普硅水泥。

馮修吉等系統地研究了3CaO·2Al2O3·MSO4的晶體結構，并發明了早強性能好的含鋇硫鋁酸鹽水泥，通過測試對比3 d抗壓強度和28 d抗壓強度，發現前者達到了后者的80%。P.Yan[5]研究了含Sr、Ba的硫鋁酸鈣的水化反應。以上研究表明，隨著熟料中含鋇量的增長，早強性能是不斷提高的。

快速修復材料的變形量大小影響著快速修復成功與否，張君[6]發現硫鋁酸鹽水泥基自流平水泥砂漿的干縮很小，且低于同標號普硅水泥。除此以外，張君還建立了濕度-收縮預測模型，以及混凝土內部濕度場計算模型、混凝土機構收縮應力模型。

目前主流的方法是采用高吸水性樹脂和預吸水輕骨料內養生技術進行快速復補材料收縮性能調控。Estevs等[7]研究高吸水樹脂內養生對水泥漿收縮性能的影響，發現內養生可有效調控水泥漿的收縮性。Bentz等研究了采用預吸水輕骨料的水泥砂漿早期收縮性能，發現預吸水輕骨料可以調控水泥砂漿早期收縮性能。然而研究僅停留在高吸水樹脂和預吸水輕骨料均對水泥漿和砂漿層收縮性能影響方面，對混凝土的收縮控制方面研究較少。

2.2 硫鋁酸鹽水泥復配硅酸鹽水泥修補材料研究現狀

J.Ambroise將硫鋁酸鹽水泥與適量普硅水泥復配研制了自流平砂漿。此外，J.Ambroise在普硅水泥中摻入15%～20%的C4A3$和游離CaO制備了微膨脹水泥；I.Janotka等人對復合水泥的微觀結構進行了初步研究，研究包括水化相組成和孔隙結構等。

王復生等人通過加入適量的硅酸鹽水泥和礦渣，降低了硫鋁酸鹽水泥的生產成本，并且對摻量進行了研究，發現在10%～15%的摻量時，兩種水泥復合后水化反應加快，且早期強度較不摻硅酸鹽水泥相差不大。蘭明章[8]等研究發現摻入含適量石膏的粉煤灰硅酸鹽水泥，早期強度得到提高，凝結時間縮短，究其原因認為鈣礬石和鋁膠對整個水化反應起到促進作用。

2.3 改性硫鋁酸鹽水泥修補材料研究現狀

2.3.1 丁苯乳液改性硫鋁酸鹽水泥

李洪軍[9]研究發現，硅酸鹽水泥復合后再摻加適量丁苯乳液，有助于復合水泥結構網絡的形成，整體變得更加致密，各齡期的抗壓強度變化規律均為先增大后減小，說明存在最佳摻量使得復合材料抗壓強度最高。此外，由于丁苯乳液含有的羧基能夠延緩熟料中C2S、C3S、C3A的水化速度，從而延長復合材料的初凝時間，提供充足的施工操作時間。緩凝作用還可以減低復合水泥凈漿的黏度，達到自流平的效果。黃從運[10]嘗試將丁苯膠乳加入硫鋁酸鹽水泥中制備了改性修補材料，具有界面粘結強度高、抗滲能力強的優點，此外抵抗Na2SO4、MgSO4腐蝕方面的能力得到顯著增強。

2.3.2 可分散乳膠粉改性硫鋁酸鹽水泥

陳娟等[11]發現在可再分散乳膠粉摻入硫鋁酸鹽水泥砂漿對于韌性和早期抗折強度改善作用明顯。葉正茂等[12]認為摻入可再分散乳膠粉同樣發現了其在改善砂漿柔韌性、增加抗折強度方面的顯著作用。

3 目前存在問題

(1)硫鋁酸鹽水泥在使用聚合物改性方面研究需要深化，尤其是對改性后材料的微觀水化機理、復合材料的耐久性、與待修復界面的粘結性能等方面的研究目前還很少。

(2)目前硫鋁酸鹽水泥基水泥修補材料的設計、改性的思路大都從改善凝結時間、早期強度、節約生產成本的角度進行，但通過上述方法得到的復合改性水泥并未得到生產應用，研究思路可能需要轉變。

(3)外加劑種類多種多樣，目前較多是采用丁苯乳液、可分散乳膠粉對硫鋁酸鹽水泥改性研究，采用緩凝劑、減水劑等進行改性的研究還太少，國家標準對于這種水泥使用的改性劑也未作出相應規定。

4 結語

我國是最早發明研制硫鋁酸鹽水泥的國家，并且也是生產、應用最多的國家，目前產量達到了250萬t。在硫鋁酸鹽水泥研究和創新方面，我國研究人員做了大量的工作，為進一步發展硫鋁酸鹽水泥作出了貢獻。我國關于硫鋁酸鹽水泥方面的研究同樣最多，在水化反應方面，研究發現含鋇硫鋁酸鹽水泥較含鈣硫鋁酸鹽水泥3 d抗壓強度可提高80%左右；在抵抗收縮方面，研究表明通過摻配高吸水樹脂和預吸水輕骨料進行內養生，可以調控硫鋁酸鹽水泥修補材料收縮性能；在添加劑改性硫鋁酸鹽水泥研究方面，復合水泥摻配丁苯乳液可顯著改善抗滲性能、延長緩凝時間、達到自流平效果。摻配分散乳膠粉則可改善其韌性，提高早期抗折強度。通過以上研究，為硫鋁酸鹽水泥在解決界面粘結問題、改性劑使用標準化、微觀機理研究等方面工作的深入研究提供了指導作用。