貝利特硫鋁酸鈣水泥的收縮性能

費 林， 錢潘悅， 姚 武

(同濟大學 先進土木工程材料教育部重點試驗室, 上海 201804)

硅酸鹽水泥作為一種性能優異的膠凝材料，已經被廣泛地應用于建筑行業.隨著全球氣候變暖和能源消耗過快等問題日趨嚴峻，水泥生產過程中大量的CO2排放問題越來越受到關注，開發低碳、低能耗的新型水泥成為研究的熱點所在[1-3].

在眾多綠色水泥的研究中，貝利特-硫鋁酸鹽(BCSAF)水泥因其體系設計合理、燒成溫度低、易研磨和抗壓強度高等優點，已經成為了低碳水泥研究的重點[4-6].目前，關于BCSAF水泥的研究重點主要集中在改善配伍設計來提高水泥的抗壓強度上，鮮有關于該類水泥體積穩定性的報道.大量的工程統計數據顯示，混凝土80%的裂縫都是非荷載裂縫，而非荷載裂縫與混凝土的自收縮和干燥收縮有著密不可分的關系[7].因此，研究BCSAF水泥的收縮性能對于該水泥的推廣使用具有重要的意義.

目前自收縮應變的測試方法主要有對體積應變的測量和對線應變的測量[8-10]2種.體積應變測量結果通常比線應變測量結果大3～5倍，主要原因是體積測量通常采用排水法，其使用的薄膜無法做到完全隔水，從而造成排水體積偏大[11-12].線應變測量操作簡單，測量結果穩定，從而被廣泛采用.

本研究基于已優化的水泥燒制配伍[13-15]，通過“兩磨一燒”傳統工藝制備BCSAF水泥，表征該水泥的標準稠度、凝結時間等基本物理屬性.根據ASTM C 1698—09《Standard test method for autogenous strain of cement paste and mortar》及參考線應變測量優化方法[16]，利用波紋管研究BCSAF水泥凈漿的自收縮和干燥收縮性能，并根據GB/T 29417—2012《水泥砂漿和混凝土干燥收縮開裂性能試驗方法》，研究BCSAF水泥砂漿的干燥收縮性能.同時，利用低場核磁技術分析BCSAF水泥早期水化過程中內部孔徑分布的演變.通過與基準水泥的對應參數進行比較，分析BCSAF水泥與基準水泥收縮性能的差異性及粉煤灰對BCSAF水泥收縮性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

制備水泥熟料所用的原料有黏土、鋁礬土、CaCO3、Fe2O3、無水CaSO4和硼酸，其中鋁礬土和黏土為天然材料，其余為分析純化學試劑.所有原料使用前均磨細通過76μm(200目)方孔篩.采用X射線熒光光譜儀(XRF)分析黏土、鋁礬土和粉煤灰的化學組成，結果見表1.

表1 黏土、鋁礬土、粉煤灰的化學組成

1.2 BCSAF水泥制備

首先按照配比稱量原料，放入行星式球磨機中均勻混合1h后制得水泥生料；然后將水泥生料壓制成φ30×20mm的試餅，置于鉑金坩堝上放入高溫爐中，在1300℃下燒制1h后立即取出，并在空氣中利用風扇急冷至室溫，制得水泥熟料；將熟料磨細、過76μm(200目)方孔篩后與無水CaSO4按照質量比95∶5均勻混合，便制得BCSAF水泥，其X射線衍射(XRD)圖譜見圖1.

圖1 BCSAF水泥的XRD圖譜

1.3 測試方法

(1)標準稠度用水量與凝結時間：根據GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》，使用維卡儀測定基準水泥和BCSAF水泥的標準稠度用水量和凝結時間.

(2)礦物組成：利用D/max2550VB/PC型XRD測定基準水泥和BCSAF水泥的礦物組成，光源為Cu Kα1(λ=1.54 ?)，光闌參數DS=1°，SS=1°，RS=0.3mm，工作電壓為40kV，管電流為100mA.采用連續掃描模式，掃描速率為5(°)/min，衍射角度范圍為5°～75°.

(3)低場核磁試驗：使用NMRC12-010V型低場核磁共振分析儀，磁場強度為(0.28±0.05)T，測試使用CPMG脈沖序列，回波時間為0.09ms，回波個數為800，累加次數為32.將水泥按照水膠比mW/mB=0.3與水拌和均勻后，注入到2mL玻璃色譜瓶中，保持每次注入高度15mm，稱量水泥漿體質量.將色譜瓶密閉后置于分析儀中進行測試，每隔2min 采集1次核磁信號數據.采用Sirt反演算法，利用相關分析軟件對數據進行反演，獲得樣品的T2弛豫時間分布曲線.

(4)水泥凈漿自收縮與干燥收縮：按照ASTM C strain 1698—09進行，測試儀器符合標準所規定的要求.將水泥凈漿在振動臺上裝入到塑料波紋管內，在規定時間內將波紋管置于膨脹計工作臺(見圖2)上，測試溫度保持在(20.0±1.0)℃.試樣之間保持 30mm 以上的間隔，利用千分表及計算機自動測量記錄波紋管的長度變化.自收縮測試時長為7d.7d 后剝除塑料波紋管，將管內的水泥樣品桿置于膨脹計工作臺上，在溫度為(20.0±2.0)℃，相對濕度為(60±5)%的條件下進行為期60d的干燥收縮測試，利用千分表及計算機自動測量記錄水泥樣品桿的長度變化.

圖2 水泥凈漿自收縮和干燥收縮測試儀器

(5)水泥砂漿干燥收縮：按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》成型BCSAF水泥砂漿和基準水泥砂漿試樣，mW/mB=0.5.試樣脫模后按標準養護條件進行養護，然后放入環境溫度為(20.0±2.0)℃，相對濕度為(60±5)%的干燥試驗室中進行干燥收縮測試，測試儀器為按照特定尺寸定制的儀器(見圖3)，并利用千分表及計算機自動測量記錄水泥砂漿試樣的長度變化.

圖3 水泥砂漿干燥收縮測試儀器

2 結果與分析

2.1 基準水泥及BCSAF水泥的物理性能

所制備的BCSAF水泥Dv,50(顆粒體積分布中位數)和Dv,90(體積分布中90%顆粒對應粒徑)分別為17.20、57.31μm，細度符合要求.表2為BCSAF水泥和基準水泥的標準稠度用水量及初終凝時間.由表2可見，BCSAF水泥的初凝時間符合要求，但終凝時間較短，可以添加適當的外加劑來調節該類水泥的凝結時間，以滿足實際的使用需求.

表2 水泥標準稠度用水量和凝結時間

2.2 基準水泥和BCSAF水泥的反演波峰曲線

圖4 基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿在不同水化時間下的T2分布圖

(1)

(2)

(3)

2.3 基準水泥凈漿及BCSAF水泥凈漿的自收縮

表3 基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的自收縮試驗設計

圖5 基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的自收縮曲線

自收縮是指水泥基材料在不與外界環境發生水分交換條件下所表現出的宏觀體積減小現象，有別于水化前期劇烈的化學收縮.自收縮的成因往往歸結為水泥的自干燥，毛細孔中的水由飽和狀態變為不飽和狀態，毛細現象使硬化水泥石受到壓力而產生收縮.表4為基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的7d自收縮應變.由表4可見：基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的水膠比越小，自收縮越大，這是由于水膠比的降低使得漿體中自由水含量下降，漿體的相對密度增高，孔隙率降低，毛細孔數量增多導致的；在相同水膠比條件下，BCSAF水泥的自收縮比基準水泥大，這是由于BCSAF水泥漿體的水化產物不同于基準水泥，從低場核磁數據可知，BCSAF水泥凈漿的孔隙更小，毛細現象明顯，自收縮也因此更大；粉煤灰的加入，可以降低BCSAF水泥最多約23%的自收縮.這是由于粉煤灰代替了部分BCSAF水泥，使得水泥水化產物減少，內部孔結構得到改善；另一方面，粉煤灰早期水化活性低，前期可以發揮微集料填充效應，填充未反應水泥顆粒之間的孔隙，從而減少了BCSAF水泥的自收縮.

表4 基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的7d自收縮

2.4 基準水泥及BCSAF水泥凈漿的干燥收縮

圖6為基準水泥、BCSAF水泥以及內摻粉煤灰BCSAF水泥凈漿在水膠比為0.30、0.35條件下的干燥收縮曲線.干燥收縮試驗的環境相對濕度控制在60%左右，此相對濕度下水泥石的干燥收縮發展平穩，測量結果穩定可靠.由圖6可見：在相同水膠比條件下，BCSAF水泥凈漿的干燥收縮更小，這是由于BCSAF水泥水化形成的結構更為致密，能夠有效阻止內部水分向環境擴散，內部毛細管壓力不會大幅增加，從而降低了干燥收縮；粉煤灰的加入可以填充水泥內部的孔隙結構，增加水泥的密實性，可以進一步控制水泥凈漿的干燥收縮；在不同水膠比條件下，水膠比越大，相同水泥凈漿的干燥收縮越大.這是因為水膠比較大時水泥早期水化形成的內部孔結構偏大，后期暴露于干燥環境中的時候內部水分容易向外擴散，內部毛細孔帶來的壓力增大而導致其收縮增大.

圖6 基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿的干燥收縮曲線

表5為基準水泥凈漿和BCSAF水泥凈漿60d干燥收縮及67d總收縮測試結果.由表5可見：水膠比為0.30時，BCSAF水泥的干燥收縮比基準水泥小約30%，總收縮小約11%；水膠比為0.35時，BCSAF水泥的干燥收縮比基準水泥小約31%，總收縮小約14%；BCSAF水泥中加入粉煤灰之后，進一步降低了干燥收縮(0.3水膠比下降低約13%；0.35水膠比下降低約31%)和總收縮(0.3水膠比下降低約8%；0.35水膠比下降低約29%).因此，BCSAF水泥早期產生非荷載裂縫的可能性較低.粉煤灰的加入可以更好地改善水泥漿體的內部孔隙結構，減少BCSAF水泥的干燥收縮，進一步提高水泥的體積穩定性.

表5 基準水泥和BCSAF水泥凈漿干燥收縮及總收縮

2.5 基準水泥砂漿及BCSAF水泥砂漿的干燥收縮

圖7為標準養護基準水泥砂漿和BCSAF水泥砂漿試件的干燥收縮曲線.由圖7可見：細骨料的摻入，對水泥砂漿的收縮起到了限制作用，其干燥收縮顯著小于相同條件下水泥凈漿的干燥收縮；在60d齡期時，BCSAF水泥砂漿和基準水泥砂漿的干燥收縮值分別約為669、762μm/m，BCSAF水泥砂漿的收縮明顯低于基準水泥砂漿；2種水泥砂漿從15d齡期開始收縮速率放緩，但是BCSAF水泥砂漿的收縮速率更慢，因此其長期干燥收縮小于基準水泥砂漿.

圖7 基準水泥砂漿和BCSAF水泥砂漿的干燥收縮曲線

3 結論

(1)BCSAF水泥水化產物與基準水泥不同.水化時間相同時，BCSAF水泥凈漿的內部孔徑更小，結構更致密.

(2)BCSAF水泥凈漿的自收縮比基準水泥凈漿大，但是7d后的干燥收縮比基準水泥凈漿小，且總收縮小于基準水泥凈漿.粉煤灰可以有效降低BCSAF水泥凈漿的收縮，20%粉煤灰摻量最高可減少約29%的收縮.

(3)在標準養護條件下，BCSAF水泥砂漿15d后的收縮速度明顯緩于基準水泥砂漿，60d的干燥收縮小于基準水泥砂漿.