水泥與砂子種類對水泥基材料高溫力學性能的影響

□文/張文妍 李保璽 曲 烈 康茹茹 馬松濤

國內外學者對混凝土的抗高溫性能進行了大量的研究。李清海[1]研究發現，150℃時混凝土抗壓強度為常溫強度的128.74%；高于150℃時，混凝土抗壓強度降低較慢；600℃時，水泥石剩余抗壓強度為常溫強度的92%；600℃以后強度明顯下降；950℃時抗壓強度只有15.48 MPa。曹萬智等[2]研究發現700℃前用高鋁水泥制備混凝土，其強度比普通水泥混凝土更低，但800℃后強度損失小于普通水泥混凝土。朱晶等[3]研究發現摻入礦渣有助于提高水泥石的抗高溫性。

陳偉等[4]指出與普通硅酸鹽水泥漿體相比，礦渣硅酸鹽水泥漿體最主要的差別是Ca(OH)2含量與C-S-H的鈣硅比明顯降低；同時研究發現摻入磨細礦渣的水泥石熱膨脹率與純水泥石變化規律相似，隨著溫度升高水泥石表現為先上升后下降的趨勢，在高溫時摻入磨細礦渣水泥石產生收縮較大；原因是磨細礦渣活性較強，摻入水泥后會水化形成大量水化凝膠體，高溫作用下水化凝膠體脫去凝膠水導致水泥石較純水泥收縮明顯。蔣玉川等[5]通過試驗表明高溫可改變孔隙直徑分布，也會增大孔隙尺寸。

周立欣等[6]發現鈣質骨料比硅質骨料混凝土耐火性更好；有關文獻[7]研究表明采用硅酸鹽水泥和硅質骨料配制的混凝土，當溫度高于于350℃，強度會發生顯著降低；鈣質骨料和輕骨料配制的混凝土強度在650℃以后才降低。李友群等[8]發現400℃以內石灰石粗骨料混凝土的強度變化幅度不大，在600～800℃后強度衰減明顯。

基于此，本試驗重點研究膠凝材料與骨料類型對水泥基材料高溫力學性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料

1.1.1 水泥

作為水泥基材料中最主要的膠凝材料，水泥對材料品質有很重要的影響，需要嚴格選用。試驗采用了6種水泥，即河北唐山冀東水泥廠“盾石”牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥1，唐山市銀河水泥廠P.O 42.5普通硅酸鹽水泥2，侯臺裝飾城P.O 42.5普通硅酸鹽水泥3，河南鄭州登峰熔料有限責任公司生產的熔融高鋁水泥，河北唐山六九水泥有限公司生產的硫鋁酸鹽水泥，河北唐山冀東水泥廠生產的P.S.A 32.5R礦渣硅酸鹽水泥。利用XRF熒光分析儀對6種水泥的化學組成進行分析，見表1。

表1 6種水泥的化學成分 %

1.1.2 細集料

細骨料選用天然砂和機制砂。天然砂為河砂；機制砂是由顎式破碎機將大顆粒石子破碎后并用4.36 mm方孔篩篩分得到的，所用機制砂為石灰石機制砂、花崗巖機制砂、大理石機制砂、石英石機制砂。所用細骨料符合GB 14684—2011《建設用砂》規定的細集料級配Ⅱ區標準，見表2和表3。

表2 試驗用砂的顆粒級配分布

表3 機制砂各項性能指標

1.2 材料制備與試驗方法

水泥凈漿配合比（質量比）為水∶水泥=0.3∶1；水泥砂漿配合比（質量比）為水∶水泥∶砂=0.3∶1∶1。將原料按配比稱量并混合，倒入水泥膠砂攪拌機中，攪拌時間為180 s；將攪拌均勻的砂漿，倒入三聯模具中，模具尺寸是40 mm×40 mm×160 mm，將模具放至振實臺振動，然后靜置24 h后脫模，標準養護28 d后進行高溫試驗。

采用箱式電阻爐，加熱速度為5℃/min，加熱到指定溫度后恒溫2 h，然后自然冷卻至室溫，再進行各項力學性能試驗，參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

2 結果與討論

2.1 不同品種水泥凈漿的抗高溫性能

不同品種水泥凈漿抗高溫性見圖1。水泥分別為普通硅酸鹽水泥 1（P1）、普通硅酸鹽水泥 2（P2）、普通硅酸鹽水泥 3（P3）、硫鋁酸鹽水泥（SC）、20%高鋁水泥與普通硅酸鹽水3泥復合（AC-P3）、高鋁水泥（AC）、礦渣硅酸鹽水泥（A）。

圖1 常溫和600℃高溫后不同品種水泥凈漿抗壓強度

由圖1可以看出：普硅水泥凈漿P3常溫下抗壓強度為70.63 MPa，600℃高溫后抗壓強度為56.29 MPa，抗壓強度折減系數為79.69%；硫鋁酸鹽水泥凈漿SC常溫抗壓強度最高為88.93 MPa，但600℃高溫抗壓強度折減系數最大，為50.38%；高鋁水泥凈漿AC與高鋁和普通水泥3復合的水泥凈漿AC-P3常溫和600℃高溫后抗壓強度均較低，說明高鋁水泥AC和高鋁和普通水泥3復合水泥AC-P3抗高溫性均較差；常溫下礦渣硅酸鹽水泥凈漿A較普通硅酸鹽水泥凈漿P2抗壓強度高些，分別61.4、69.76 MPa，600℃高溫后抗壓強度折減系數分別為99.07%、93.36%，抗高溫性能均較高，可能是由于普通硅酸鹽水泥凈漿P2的水泥熟料中礦渣摻量達到50%以上。礦渣水泥的水化首先是熟料礦物水化，然后生成的氫氧化鈣才與礦渣中的活性氧化硅和活性氧化鋁發生反應生成一些水化產物并釋放出一定熱量和減少易腐蝕成分含量 (氫氧化鈣和鋁酸三鈣)，這些物質不僅不會破壞水泥石的結構，反而提高了水泥石的抗腐蝕性能和耐熱性，故礦渣水泥抗高溫性較好。

2.2 不同細骨料的水泥砂漿抗高溫性能

不同細骨料的普通水泥砂漿抗高溫性見圖2。試驗選用普通硅酸鹽水泥P3，不同細骨料砂漿分別為花崗巖機制砂普通水泥砂漿（PGS）、石灰石機制砂普通水泥砂漿（PLS）、河砂普通水泥砂漿（PRS）、石英石機制砂普通水泥砂漿（PQS）。

圖2 不同細骨料的普通水泥砂漿常溫和600℃高溫后抗壓強度

由圖2可以看出：以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，常溫下細骨料為花崗巖和石灰石機制砂配制的水泥砂漿抗壓強度均較大分別為60.44、64.06 MPa，常溫下河砂和石英石砂漿抗壓強度均較低，分別為42.09、40.75MPa；600℃下細骨料為花崗巖機制、石灰石機制砂、河砂、石英石機制砂配制的水泥砂漿抗壓強度折減系數分別為60.36%、92.49%、75.15%、57.87%，所以石灰石機制砂配制的水泥砂漿抗高溫性能最好。可能原因是硅質骨料在573℃左右石英由α型轉為β型，體積膨脹0.85%，導致骨料內部形成裂縫。對于鈣質骨料（如石灰石）溫度達到600℃時變化卻不明顯；因為硅質骨料與水泥石的熱膨脹率差值較鈣質骨料與水泥石的熱膨脹率差值大，導致水泥砂漿的界面粘結強度下降。石灰石機制砂砂漿的抗高溫性最好。

2.3 600℃下水泥石的SEM照片

如圖3所示，在400～600℃范圍內，普硅水泥石中C-S-H凝膠分解迅速，Ca（OH）2晶體在547℃左右分解。水泥凈漿裂縫數量增多，寬度更大，內部出現蜂窩狀的小孔隙，其孔隙率增加至常溫下的4倍左右，孔徑主要以大孔為主；溫度在600～800℃范圍內時，水泥凈漿內部孔結構出現粗化現象，內部結構越來越疏松，非常明顯的觀察到整個水泥體系內部幾乎密布了蜂窩狀的孔隙。

圖3 礦渣硅酸鹽水泥石的SEM照片

如圖4所示，溫度達到600℃后礦渣水泥水泥石出現了較多裂縫，但結構仍較致密，孔隙率較常溫時下降很少。發生這種現象的原因主要是：礦渣水泥主要水化產物是水化凝膠體，高溫下凝膠體脫去大量的凝膠水導致其收縮明顯，但其分解較少，孔隙率較小，所以結構仍較密實。但礦渣水泥石較普硅水泥石收縮更大。本試驗試件尺寸較小，加熱過程中試件內部水蒸氣逃逸的路徑較短，承受的溫度梯度較小。

圖4 600℃下普通硅酸鹽水泥石的SEM照片

3 結論

1）礦渣硅酸鹽水泥相比其他水泥抗高溫性好，其原因是礦渣消解了CH并生成了含熱穩定性高的Si、Al化合物。

2）600℃高溫下，相比河砂、花崗巖機制砂、大理石機制砂、石英石機制砂配制的水泥砂漿，石灰石機制砂砂漿的抗高溫性能最好。因硅質骨料在573℃左右石英由α型轉為β型，體積膨脹0.85%，導致界面出現較大裂縫，鈣質骨料則沒有明顯的變化。硅質骨料與水泥石較鈣質骨料與水泥石的熱膨脹率差值大，導致水泥砂漿的界面粘結強度下降。所以鈣質骨料較硅質骨料制備的砂漿抗高溫性要更好。

3）溫度達到600℃后礦渣水泥水泥石出現了較多裂縫，但結構仍較致密，孔隙率較常溫時下降很少，故其抗高溫性更好。