礦物摻合料對水泥強(qiáng)度及水化熱的影響分析

戴雨欣 周灝川

（1.四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，四川 成都 610000；2.濟(jì)南市人防建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

在水泥生產(chǎn)中我們常常因水泥品種差異添加粒化高爐礦渣（以下簡稱礦渣）、火山灰質(zhì)混合材料、粉煤灰等，這些添加物各自具有不同的特性，將它們摻入水泥中對水泥強(qiáng)度及水化過程的水化熱都會造成影響。水泥與水進(jìn)行拌合后，水泥中各組分會立即發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)并伴隨著熱量的產(chǎn)生，發(fā)生放熱反應(yīng)[1]。由于水泥是由多種礦物成分組成的聚集體，故其放熱量不僅取決于水泥的細(xì)度、硅酸鹽水泥熟料礦物的組成，還與水泥中各種礦物添加劑的類型和含量有關(guān)。在相同破碎程度下，添加礦物的混合水泥的水化熱比硅酸鹽水泥要低得多[2]。

目前，礦渣水泥和粉煤灰水泥在工程中的應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)眾多學(xué)者對摻入礦渣和粉煤灰的水泥的性能進(jìn)行了較多研究，應(yīng)用也很成熟。本文在此基礎(chǔ)上，通過在水泥中摻入不同比例的礦渣、粉煤灰，研究其對水泥強(qiáng)度及水化熱特性所造成的的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，礦渣采用市場上銷售的S95級產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)主要以玻璃相為主。粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，原材料的物理指標(biāo)見表1，化學(xué)組成見表2。

表1 原材料的物理指標(biāo)

表2 原材料的化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

為研究不同礦物摻合料對水泥膠砂強(qiáng)度及水化熱的影響程度，本文按照質(zhì)量百分比在水泥中摻入不同比例的礦物摻合料。在選定砂率和水灰比的前提下，分別稱取礦渣和粉煤灰與水泥進(jìn)行配制，三者的摻配比例及水灰比見表3。

表3 不同礦物摻合料的摻配比例

1.3 試驗(yàn)儀器

XY 系列精密電子天平、膠砂攪拌機(jī)、振實(shí)臺、水泥凈漿40mm×40mm×160mm三聯(lián)模、壓力試驗(yàn)機(jī)、抗壓夾具、抗折夾具以及恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、水化熱測量裝置等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

在JTG E30-2005試驗(yàn)規(guī)程中，水泥膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度是水泥強(qiáng)度的常用檢驗(yàn)指標(biāo)。先提前稱取好試驗(yàn)材料并按順序依次倒入膠砂攪拌機(jī)，攪拌后將膠砂裝入振動臺上的模具中進(jìn)行成型。成型后用刮刀一次性將超出模具的膠砂刮去并保持試件表面的平整，再將試模放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)（T=20±1℃、RH＞90%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，等到20～24h后進(jìn)行脫模，然后依次測定其抗壓、抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

（1）單摻礦渣

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果將強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，繪制出水泥膠砂強(qiáng)度與礦渣摻配比例的關(guān)系圖，如圖1所示。

由表4和圖1可知，當(dāng)水泥中只摻入礦渣時(shí)，水泥膠砂3d齡期的抗壓強(qiáng)度與礦渣摻量呈負(fù)相關(guān)，并且降低幅度與其摻量成正比，摻量越多，降低幅度越大，這表明水泥的早期抗壓強(qiáng)度（3d）會因?yàn)閾饺氲V渣而顯著降低。到28d齡期時(shí)，當(dāng)?shù)V渣少于水泥用量時(shí)，其膠砂的抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增加而增加，但當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到55%時(shí)，膠砂強(qiáng)度又會出現(xiàn)下降趨勢。但無論礦渣的摻量多少（本試驗(yàn)最多60%），其水泥膠砂的28d抗壓強(qiáng)度均大于純水泥膠砂（不摻礦渣的水泥膠砂）。由試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥膠砂的3d、28d抗折強(qiáng)度隨礦渣摻量的變化規(guī)律與其抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律基本相同，在此不再贅述。

圖1 礦渣摻量與水泥強(qiáng)度關(guān)系圖

由于礦渣的礦物成分特殊，其水化活性較小，水化反應(yīng)較慢，其水化3d后生成水化產(chǎn)物（如水化Ca3Al2O6、水化CaSiO3、Ca（OH）2等）的數(shù)量較純水泥要少，因此早期未形成較好的膠凝強(qiáng)度，從而造成水泥膠砂的3d強(qiáng)度降低。礦渣水泥28d強(qiáng)度普遍較高，這是由于礦渣的水化作用得到了充分發(fā)揮，生成了大量水化CaSiO3、水化CaFe2O4等水化產(chǎn)物。通常這些水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)更加致密，從而使水泥漿體更加密實(shí)，進(jìn)而增加了水泥膠砂的強(qiáng)度。但當(dāng)?shù)V渣摻量過大時(shí)，水泥含量就會相應(yīng)減少，而礦渣水化需要依靠水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2作為激發(fā)劑，所以礦渣水化反應(yīng)所生成的產(chǎn)物數(shù)量就會減少，進(jìn)而膠砂的強(qiáng)度降低。

（2）單摻粉煤灰

將水泥膠砂的強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系繪制成圖2。

由圖2可以清楚地看出，在水泥中摻入粉煤灰后，隨著粉煤灰所占比重的增多，水泥用量的減少，水泥膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度（3d、28d）也逐漸減小。這是由于粉煤灰自身的基本效應(yīng)所導(dǎo)致的，在粉煤灰的主要礦物成分中，鋁硅玻璃體在其水化過程中起著極其關(guān)鍵的作用，與其水化反應(yīng)息息相關(guān)。又因?yàn)榉勖夯宜嗨^程的復(fù)雜性，造成它的早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度（90d）可趕上甚至超過純水泥。

圖2 粉煤灰摻量與水泥強(qiáng)度關(guān)系圖

（3）復(fù)摻礦渣、粉煤灰。

將水泥膠砂的強(qiáng)度和復(fù)摻礦渣和粉煤灰的關(guān)系繪制成圖，如圖3所示。

由表4和圖3可知，當(dāng)將兩種礦物摻合料同時(shí)摻入水泥中時(shí)，水泥膠砂的早期強(qiáng)度（3d齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度）較不摻礦物摻合料的水泥有所降低，并且降低幅度與兩者的總摻量成正相關(guān)。等到28d后，同時(shí)摻入礦渣和粉煤灰的膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度基本與不摻礦物摻合料的純水泥膠砂的強(qiáng)度一致。當(dāng)?shù)V渣摻量不變時(shí)，水泥膠砂的3d和28d抗壓、抗折強(qiáng)度與粉煤灰的摻量成負(fù)相關(guān)；在粉煤灰摻量不變時(shí)情況較為復(fù)雜，隨著礦渣摻量的增加，其3d齡期的強(qiáng)度降低，28d齡期的強(qiáng)度提高。

圖3 礦渣、粉煤灰復(fù)摻與水泥強(qiáng)度關(guān)系圖

2.2 水化熱試驗(yàn)

國內(nèi)測定水泥水化熱的方法主要有量熱儀測試法、溶解熱法、直接法三種。其中直接法由于操作簡單、采集數(shù)據(jù)較多等優(yōu)點(diǎn)，使其在國內(nèi)應(yīng)用最多，本文采用直接法。先制備水泥膠砂，然后利用熱量計(jì)直接測定試件1d、3d、5d、7d齡期的溫度值。將測定結(jié)果進(jìn)行匯總，見表5。

表5 水泥各齡期水化熱

由表5可以看出，水泥的水化熱隨著齡期的增長而增加，說明水化過程是一個(gè)持續(xù)放熱過程。當(dāng)水泥中只摻入礦渣時(shí)，水泥1～7d的水化熱出現(xiàn)了不同程度的降低，并且降低量隨著礦渣摻量的增多而增加。當(dāng)?shù)V渣摻量為60%時(shí)，水泥1d、3d、5d、7d齡期的水化熱降低量依次為47.2%、32.5%、30.6%、28.0%。當(dāng)只摻入粉煤灰時(shí)，水泥水化熱與粉煤灰的摻量成負(fù)相關(guān)。當(dāng)兩者同時(shí)摻入水泥中時(shí)，水泥1～7d的水化熱都在逐漸降低，隨著礦渣和粉煤灰所占比重的增加，水泥用量的減少，水化熱的降低量也隨之增加。當(dāng)?shù)V渣摻量不變時(shí)，隨著粉煤灰用量的增加，水泥水化熱呈減小趨勢；當(dāng)粉煤灰摻量不變時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，水泥水化熱也呈減小趨勢。

3 結(jié)束語

本文通過研究不同礦物摻合料（礦渣、粉煤灰）對水泥膠砂的強(qiáng)度和水化熱的影響程度，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)水泥中只摻入礦渣時(shí)，水泥膠砂3d齡期的抗壓強(qiáng)度與礦渣摻量呈負(fù)相關(guān)，并且摻量越多，其降低幅度越大；28d抗壓、抗折強(qiáng)度在礦渣少于水泥用量時(shí)強(qiáng)度會隨礦渣摻量的增加而增加，超過55%時(shí)強(qiáng)度會下降。

（2）當(dāng)水泥中只摻入粉煤灰時(shí)，隨著粉煤灰所占比重的增多，水泥用量的減少，水泥膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度（3d、28d）也逐漸減小。

（3）當(dāng)水泥中同時(shí)摻入礦渣和粉煤灰時(shí)，水泥膠砂的早期強(qiáng)度（3d齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度）較不摻礦物摻合料的純水泥有所降低，并且降低幅度與兩者的總摻量呈正相關(guān)。等到28d后，同時(shí)摻入礦渣、粉煤灰的膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度基本達(dá)到了純水泥膠砂的性能。

（4）單摻礦渣或是粉煤灰，水泥的水化熱與其摻量呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)水泥用量一定時(shí)，水泥水化熱由高到低依次為同時(shí)摻入礦渣和粉煤灰、只摻礦渣、只摻粉煤灰。