CEM I型水泥和易性和力學性能的改善

趙鵬，黃濤，曹忠露，李沛

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

安哥拉卡賓達卡約新港口項目是在近岸水域新建一個離岸式700 m長集裝箱及散雜貨碼頭，背后形成吹填堆場，并有引堤、引橋與陸域設施相連，是一座設施齊全、功能完善的大型深水港口項目。碼頭的結構形式為高樁碼頭，整個項目所需混凝土達40多萬m3，水泥的需求量較大。

為滿足混凝土強度等級C35/45，暴露環境等級XC4、XS3、XA2，保護層厚度60 mm的設計要求，英標BS 8500-1—2015+A1—2016[1]和 BS 6349-1-4：2013[2]指定的水泥類型有3種，分別為IIB-V、IIIA、IIIB。該3種水泥有兩種形式，一種是水泥廠家直接生產的成品，無論安哥拉當地市場，還是國際市場，都少有銷售，很難買到，應用受到局限；另一種是使用CEM I型水泥分別摻加21%～35%的粉煤灰（FA）、36%～65%或66%～80%的礦粉（GGBS），其中CEM I、FA和GGBS應用更普遍，市場上易購買。因此，為滿足設計和規范要求并兼顧經濟性，決定采用CEM I型水泥，通過單摻GGBS或雙摻GGBS和FA來改善其性能。

英標中的CEM I型硅酸鹽水泥[3]與國標中的P.I型和P.II型硅酸鹽水泥[4]，在其規范定義、熟料和石膏含量、混合料的種類和摻量等方面存在區別。P.I型水泥的熟料+石膏=100%，且不摻加任何混合料。P.II型水泥的熟料+石膏≥95%，且混合料是0～5%的GGBS或石灰石。而英標中CEM I型水泥的定義為熟料≥95%，混合料占0～5%，混合料可以是GGBS、硅粉、火山灰、粉煤灰、石灰石或其它材料；CEM I中有硫酸鈣（石膏的主要成分），但具體摻量不明確。由于英標中的CEM I型與國標中的P.I型和P.II型硅酸鹽水泥存在一定差別，CEM I型硅酸鹽水泥單摻或復摻GGBS和FA時，其和易性、強度和耐久性的改善效果以及最佳摻量范圍，是需要進行現場實際驗證的。

本研究目的是闡明CEM I型水泥在單摻或雙摻GGBS和FA下的和易性和力學性能，確定礦物摻合料的摻加方式及其最優摻量，以便為膠材的選用和采購提供技術依據和支撐。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：巴基斯坦LuckyCement Ltd按英標生產的CEM I 42.5N水泥，其性能指標如表1所示。

表1 CEM I水泥的性能指標Table 1 Performance index of CEM I cement

礦粉：唐山S95粒化高爐礦渣粉（GGBS），其性能指標如表2所示。

表2 礦粉的性能指標Table 2 Performance index of GGBS

粉煤灰：巴基斯坦出口商提供的F類I級粉煤灰（FA），其性能指標如表3所示。

減水劑：山西液體萘系減水劑（NS），其性能指標如表4所示。

表3 粉煤灰的性能指標Table 3 Performance index of FA

表4 萘系減水劑的性能指標Table 4 Performance index of naphthalene water-reducer

砂：ISO標準砂。

水：安哥拉卡賓達卡約村地下水，其性能指標如表5所示。

表5 水的性能指標Table 5 Performance index of water

1.2 試驗方法

將CEM 1型水泥用0%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%的GGBS進行等量替代，每組又分摻0%和2.2%萘系減水劑（NS）兩種情況，分別稱取膠材（水泥+GGBS）450 g、標準砂1 350 g、水225 ml，按照BS EN 196-1[5]規定方法攪拌、成型水泥膠砂，測定其膠砂流動度；同時成型40 mm×40 mm×160 mm試件2組，按照BS EN 197-1[3]的要求，測定其2 d和28 d抗折和抗壓強度。BS EN 197-1中規定，對42.5N水泥，其早期強度應檢測2 d抗壓強度、且必須≥10 MPa。

在（GGBS+FA）雙摻的總量分別為50%、55%、60%和65%的情況下，FA的摻量從0%、15%、20%、25%、30%進行變化，分別稱取膠材（水泥+GGBS+FA） 450 g、標準砂 1 350 g、水 225 ml，按照BS EN 196-1規定方法攪拌、成型水泥膠砂，測定其膠砂流動度；同時成型40 mm×40 mm×160 mm試件2組，按照BS EN 197-1的要求，測定其2 d和28 d抗折和抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 單摻礦粉（GGBS）對CEM I型水泥和易性和強度的影響

單摻礦粉時，水泥膠砂流動度隨著礦粉摻量（0→70%）增加而增大（圖1），摻量至70%時，無泌水，黏聚性良好。水泥膠砂2 d齡期時，抗折強度和抗壓強度均隨礦粉摻量（0→70%）增加而顯著降低（圖2和圖3）；水泥膠砂28 d齡期時，強度均隨礦粉摻量（0→70%）增加，呈現出先增加后降低的趨勢（圖2和圖3），最優礦粉摻量約50%。即使礦粉摻量提高至65%時，其強度也有保證。礦粉摻量相同時，摻加萘系減水劑（NS）能增加水泥膠砂的流動度，提高其抗壓強度和抗折強度。

圖1 礦粉和減水劑摻量對CEM I水泥膠砂流動度的影響Fig.1 EffectofGGBSandwater-reducerontheflowability of CEM I cement mortar

圖2 單摻GGBS對CEM I水泥抗折強度的影響Fig.2 Effect of GGBS on the flexural strength of CEM I cement

圖3 單摻GGBS對CEM I水泥抗壓強度的影響Fig.3 Effect of GGBS on the compressive strength of CEM I cement

2.2 雙摻礦粉（GGBS）和粉煤灰（FA）對CEM I水泥和易性和強度的影響

雙摻礦粉和粉煤灰時，CEM I水泥膠砂流動度，隨著礦粉和粉煤灰雙摻總量（50%→65%）的增大而增加（圖4）；且在礦粉和粉煤灰雙摻總量（50%、55%、60%或65%）不變的情況下，粉煤灰摻量（0→30%）的提高可進一步增加水泥膠砂的流動度（圖4），漿體無泌水，黏聚性良好。

圖4 GGBS和FA雙摻對CEM I水泥膠砂流動度的影響Fig.4 Effect of GGBS and FA on the flowability of CEM I cement mortar

水泥膠砂2 d齡期時，其抗折強度和抗壓強度，均隨著礦粉和粉煤灰雙摻總量（50%→65%）的增大而降低（圖5和圖6）；且在礦粉和粉煤灰雙摻總量不變的情況下，粉煤灰摻量（0→30%）的提高引起強度的顯著降低；水泥膠砂28 d齡期時，在礦粉和粉煤灰雙摻總量（50%、55%、60%或65%）不變的情況下，其強度隨粉煤灰摻量（0→30%）的提高呈降低趨勢，但粉煤灰摻量為15%～20%時，其強度仍有保證。這與國內行業標準JTS 202-2—2011《水運工程混凝土質量控制標準》[6]中，對礦物摻合料用量的規定相符合。

圖5 雙摻GGBS和FA對CEM I水泥抗折強度的影響Fig.5 Effect of GGBS and FA on the flexural strength of CEM I cement

圖6 雙摻GGBS和FA對CEM I水泥抗壓強度的影響Fig.6 Effect of GGBS and FA on the compressive strength of CEM I cement

3 結語

1）礦粉和粉煤灰均能改善CEM I型水泥膠砂的和易性，且粉煤灰對CEM I型水泥膠砂和易性的改善效果要優于礦粉；礦粉對CEM I型水泥膠砂強度的增長作用優于粉煤灰；礦粉和粉煤灰摻量較高時，CEM I型水泥膠砂的早期強度較低，但其后期強度有保證；

2）單摻GGBS可滿足工作和易性和強度要求。單摻GGBS時，其最優摻量為40%～55%，最大摻量可為65%；雙摻GGBS和FA時，其摻量宜為55%～60%，最大摻量可達65%，且其中粉煤灰FA摻量宜為15%～20%；

3）使用礦物摻合料對CEM I型水泥進行改善，使其性能更優越、可大大降低原材費用，節約成本，產生顯著的經濟效益。