水泥摻量對NAS砂漿強度和抗碳化性能的影響

周萬良 張遷禧 譚劍冬 任永祺 郭文濤 陳子瑜

（1合肥工業大學土木與水利學院 土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；2合肥工業大學宣城校區建筑工程系，安徽 宣城 242000）

0 引言

硅酸鹽系列水泥因為優良的性能而得到廣泛應用，成為最大宗建筑材料，但其也有明顯缺點，如脆性大、非輕質高強，特別是生產過程中耗能大，排放出大量CO2（生產1噸熟料排放大約1噸CO2）和粉塵，使其成為一種非環保不可持續發展的建筑材料。社會對環保日漸重視，正努力降低水泥對環境的負面影響，其中一個方法是降低硅酸鹽系列水泥的用量，提高環保型水泥的應用。堿激發水泥（也稱地聚物水泥）就是一種相對環保型水泥，不但利用工業廢渣如粉煤灰、礦渣等，在生產、使用環節還不會排放廢氣和粉塵。

為了降低硅酸鹽水泥熟料的產量、提高混凝土的耐久性、降低水化熱等目的，在硅酸鹽水泥混凝土生產時通常要摻入粉煤灰、礦渣等火山灰性質的輔助性膠凝材料，這會延長混凝土拌合物的凝結時間和降低早期強度，當輔助性膠凝材料的摻量達到一定量時，過分延長的凝結時間和過低的早期強度會超出人們的忍耐度，因此，混凝土中輔助性膠凝材料的摻量是有限度的。堿激發水泥中一些水泥如堿激發礦渣水泥的凝結速度快[1]、早期強度高[2-3]，如將這樣的堿激發水泥與硅酸鹽水泥混合使用就可生產出既具有合適的凝結時間和早期強度、又有大摻量輔助性膠凝材料的混凝土，大幅度提高混凝土中輔助性膠凝材料的摻量，降低混凝土成本，降低碳排放量。此外，硅酸鹽水泥和堿激發礦渣水泥在諸多性能方面具有互補性，如前者水化熱大、抗碳化性能好、干縮較小，但抗軟水侵蝕性能、抗硫酸鹽腐蝕性能和抗氯離子滲透性能等較差，而后者則水化熱小[4]、抗碳化性能較差[5-6]、干縮較大[7]，但抗化學腐蝕性能好[8-9]、抗凍融循環性能也較好[10]、界面過渡區強度高[11]。鑒于此，可將硅酸鹽水泥摻入堿激發礦渣水泥中配制成一種新型水泥，以期得到性能較完美的水泥。國外將硅酸鹽水泥和堿激發水泥的混合物稱為混合堿水泥[12]。目前，有關混合堿水泥研究特別是其耐久性方面的研究少。為此，本文研究了硅酸鹽水泥摻量對堿激發礦渣砂漿（NAS砂漿）的強度和抗碳化性能的影響。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：市購32.5級P·S，28天抗折、抗壓強度分別為

5.8MPa、34.5MPa。

礦渣：合肥某混凝土公司提供的S95級和S105級礦渣。

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砂：河砂，II區砂，細度模數2.78，屬中砂。

原材料的化學成分見表1。

NaOH：分析純，含量＞96%。

地勢低矮、平坦的土地(或田地)做好排水溝建設，盡量南北向成行栽植，密度適當降低，以改善桑園小氣候，減少桑樹病蟲害發生。

(1)在經過處理后的數據中一共有1875位會員，將每位會員的預定限額作為第1個指標xk1。任務可以開始預定的最早時間為6：30，每位會員的開始預定時間與6:30相差mk分鐘，mk=(0,3,6,,,90)。當 mk≠0 時，取

表1 原材料的化學成分（%）

1.2 試驗方法

按表3配比成型砂漿試件（尺寸40㎜×40㎜×160㎜），1天后拆模，置于室內自然養護，到56天齡期測定強度和碳化深度，結果見表3。

按GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》規定的方法成型、養護并測定試件28d抗折、抗壓強度。

1.2.2 砂漿抗碳化性能測定方法

按GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中碳化試驗進行。試件尺寸為40㎜×40㎜×160㎜，置于溫度為（20±1）℃的水中養護28天，取3個試件在溫度為60℃的干燥箱中干燥至恒重后放入碳化箱中進行加速碳化試驗。碳化箱的溫度為20℃，相對濕度為70%，CO2濃度為（20±3）%。碳化一定時間后將試件取出，用鏨子劈開試件，滴入1%濃度的酚酞酒精溶液，60s后用游標卡尺測量各測點的碳化深度，取平均值為該試件的碳化深度。

2 結果及分析

2.1 水泥摻量對NAS砂漿強度的影響

由圖1可知，在NAS砂漿中維持NaOH數量不變，摻入水泥僅等量取代部分礦渣后，當取代量較少時（10%或20%），砂漿強度降低，當取代量較多時（30%、40%或50%），砂漿強度增大。隨水泥摻量增加，砂漿強度變大，水泥摻量為40%時砂漿（第4組砂漿）強度達到最大，此時抗壓強度增大幅度為24.0%，此后水泥數量增加到50%時，砂漿強度沒有繼續增加，其原因是水泥只取代了部分礦渣，砂漿中NaOH數量并沒有減少，溶液中NaOH的濃度并沒有降低，由NaOH對礦渣的激發生成的C-A-S-H（NaOH激發礦渣的水化產物中主要的膠凝成分是C-A-S-H[13-14]）數量并沒有因為水泥數量增加而顯著減少，而水泥水化產生的砂漿強度隨水泥數量增加而越來越大，因此，隨砂漿中水泥取代量增加，砂漿強度越來越大。

由圖2可知，在NAS砂漿中摻入水泥等量取代部分礦渣和NaOH后，當取代量為5%時，砂漿的抗折和抗壓強度均有提高，抗壓強度提高幅度為26%。當取代量為10%～20%時，砂漿強度均降低，且水泥摻量越多，砂漿強度降低越多，其原因是隨水泥取代礦渣和NaOH量增加，砂漿中NaOH數量逐漸減少，溶液中NaOH濃度逐漸降低，由NaOH激發礦渣生成的C-A-S-H數量明顯減少，雖然水泥水化對砂漿強度有貢獻，但彌補不了由于C-A-S-H數量的減少而導致的砂漿強度的降低。

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圖1 摻水泥的NAS砂漿的強度

2.1.1 水泥僅取代礦渣時水泥摻量對NAS砂漿強度的影響

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2.1.2 水泥同時取代礦渣和NaOH時水泥摻量對NAS砂漿強度的影響

設定NAS砂漿的配比為：礦渣﹕NaOH﹕水﹕砂=450g：18g：234g：1350g。用一定量的礦渣水泥等量同時取代NAS砂漿中部分礦渣和NaOH（保持礦渣與NaOH的比例不變），成型規格為40㎜×40㎜×160㎜的試件，置于溫度為（20±1）℃的水中養護28天，測定試件的抗折、抗壓強度，見圖2。

圖2 摻水泥的NAS砂漿的強度

設定NAS砂漿的配比為：礦渣﹕NaOH﹕水﹕砂=450g：18g：225g：1350g。用一定量的水泥等量取代NAS砂漿中部分礦渣（保持NaOH數量不變），成型規格為40㎜×40㎜×160㎜的試件，置于溫度為（20±1）℃的水中養護28天，測定試件的抗折、抗壓強度，見圖1。

綜合圖1和圖2的分析可知，由于成本上NaOH＞水泥＞礦渣，雖然圖1中第5組NAS砂漿抗壓強度有24.0%的提高，但其中NaOH和水泥數量明顯大于圖2中第2組砂漿（抗壓強度有26.0%的提高），因此從提高強度和降低成本的角度考慮，在NAS砂漿中摻入水泥時應采取同時取代礦渣和NaOH的方式摻入，同時摻量要少（5%左右）。

2.2 加速碳化試驗時NAS砂漿的抗碳化性能

將表2中每組試件（尺寸40㎜×40㎜×160㎜）置于溫度（20±1）℃的水中養護28天后取3個測定強度，同時取3個試件放入碳化箱中進行加速碳化試驗，結果見表2。

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由表2可知，隨NaOH含量增加，NAS砂漿28天抗折、抗壓強度逐漸增大。NaOH含量為6%的第5組NAS砂漿28天抗折、抗壓強度均大于第6組水泥砂漿，但是其加速碳化7天后碳化深度≥20mm，砂漿折斷后的斷面已全部碳化，而第6組水泥砂漿雖然28天抗折、抗壓強度小于第5組，但加速碳化9天后其碳化深度只有18.2mm。這表明，在加速碳化試驗時，水泥砂漿的抗碳化能力遠強于強度相同的NAS砂漿，其原因主要是NAS膠凝材料的水化產物中沒有氫氧化鈣，只有C-（A）-S-H被碳化。

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2.3 自然碳化時NAS砂漿的抗碳化性能

1.2.1 砂漿強度試驗方法

表2 砂漿的配比、28天強度以及碳化深度組號砂漿配比抗折強度/MPa抗壓強度/MPa碳化深度/mm礦渣/g NaOH/g水/g水泥/g砂/g7d 9d 1450 450×2%=9.0 234 0 13504.614.0≥20/2450 450×3%=13.5 234 0 13505.719.3≥20/3450 450×4%=18.0 234 0 13506.527.1≥20/4450 450×5%=22.5 234 0 13506.730.2≥20/5450 450×6%=27.0 234 0 13506.834.9≥20/60 0 225 450 13505.834.5/18.2

表3 砂漿的配比和碳化深度

由表3可以看出，就56天抗壓強度，NaOH含量4%的NAS砂漿＜NaOH含量6%的NAS砂漿＜NaOH含量8%的NAS砂漿。就56天齡期的抗碳化性能，NaOH含量4%的NAS砂漿＜NaOH含量6%的NAS砂漿＜NaOH含量8%的NAS砂漿。這表明，在一定NaOH含量范圍內，NaOH含量大有利于提高NAS砂漿的強度和抗碳化性能。此外，表3還表明，各組NAS砂漿（第1、2、3組砂漿）自然碳化時的抗碳化性能遠低于水泥砂漿，盡管第3組NAS砂漿強度顯著大于水泥砂漿。

2.4 加速碳化試驗時水泥摻量對NAS砂漿抗碳化性能的影響

本文的研究和一些其他學者的研究表明，NAS砂漿的抗碳化性能低于水泥砂漿。在NAS砂漿中摻入水泥，水泥水化后生成大量的Ca（OH）2，理論上能提高NAS砂漿的抗碳化能力。為此，對表4中各組砂漿進行加速碳化試驗，結果見表4。

對表4中第1組和第2組進行比較可知，用5%的水泥等量取代NAS砂漿中礦渣和NaOH后砂漿強度提高，加速碳化9天的碳化深度由＞20mm變為14.8mm，且明顯小于強度幾乎與之相等的水泥砂漿（第6組砂漿）的碳化深度18.2mm，抗碳化性能顯著提高。由表4中第2、3、4、5組可知，隨砂漿中水泥摻量由5%增加到20%，砂漿28d抗折、抗壓強度越來越小，該結果與Cahit Bilim等[15]的研究結果相似，其原因是堿性激發劑對水泥水化的影響導致大量C-S-H中的Ca被Na取代而生成N-C-S-H，該物質的密實性和強度均低于水泥的水化產物C-S-H[16-18]。當砂漿中水泥摻量由5%（第2組砂漿）增加到10%時（第3組砂漿），砂漿加速碳化2天、9天時的碳化深度進一步減小，抗碳化性能進一步提高。但水泥摻量為15%的砂漿（第4組砂漿）和20%的砂漿（第5組砂漿）抗碳化性能較水泥摻量為10%的砂漿（第3組砂漿）沒有進一步提高，反而有所降低。其原因是隨水泥摻量增加，雖然砂漿中氫氧化鈣數量增加，但由于生成的N-CS-H數量增加，導致砂漿密實度降低，從而使砂漿抗碳化性能下降。由表4第2～6組還可知，摻水泥的NAS砂漿雖然抗壓強度＜水泥砂漿，但是碳化2d和9d的碳化深度遠小于水泥砂漿，表明抗碳化性能遠好于水泥砂漿。這表明在NAS砂漿中摻入5%～20%的水泥后抗碳化性能遠高于強度相等的水泥砂漿。

總之，在NAS砂漿中摻入水泥能顯著提高砂漿的抗碳化性能。水泥的適宜摻量為5%～10%，最佳摻量為10%。綜合以上分析可知，從提高強度和抗碳化性能、降低砂漿成本考慮，在NAS砂漿中水泥的適宜摻量為5%～10%，且應采取同時取代礦渣和NaOH的方式摻入。

3 結論

1）從提高強度和降低成本的角度考慮，在NAS砂漿中摻入水泥時應采取同時取代礦渣和NaOH的方式摻入，摻量為5%。

2）加速碳化試驗和自然碳化試驗結果都表明，NAS砂漿抗碳化性能遠低于強度與之相等的水泥砂漿。

3）在NAS砂漿中摻入水泥能顯著提高砂漿的抗碳化性能。水泥的適宜摻量為5%～10%，最佳摻量為10%。

4）從提高強度和抗碳化性能、降低砂漿成本考慮，在NAS砂漿中水泥的適宜摻量為5%～10%，且應采取同時取代礦渣和NaOH的方式摻入。

表4 砂漿的配比、28天強度以及碳化深度