超胶凝水泥商业宏观性能

徐惠

摘 要：超胶凝水泥的应用领域是商品混凝土。研究超胶凝水泥-普通水泥、超胶凝、水泥-粉煤灰-普通水泥和超胶凝水泥-矿粉-普通水泥三种体系的砂浆抗折和抗压强度。并采用超胶凝水泥配制不同胶凝材料的混凝土，研究其坍落度和强度变化规律，为其工业化应用提供理论依据。

关键词：超胶凝水泥；宏观；性能

水泥胶砂强度检验方法按照 ISO法GBT 17671-2005。胶凝材料与标准砂的比 1：3，水胶比为 0.5，研究三种体系的水泥砂浆强度。其中，超胶凝水泥选用A-Ⅲ水泥和 B-Ⅲ水泥，分别缩写为 A 和 B。在普通水泥中按照不同比例添加超胶凝水泥后，制备的砂浆的3d、7d和28d抗折和抗压强度均有所上升，如图 6-1所示。超胶凝水泥迅速与拌合水发生反应，浆体中的水大量减少，水泥颗粒之间的间距减小，水化产物迅速汇合，密实度大大提高，抗压强度大大提高。分析原因如下：一、与普通水泥颗粒相比，超胶凝水泥颗粒中的水泥颗粒较细，整个浆体的活性结点增多并能与水充分接触反应，早期水化速度越快，强度有所提高；二、含有惰性的微研磨介质，浆体中胶凝材料的比例减少，与其反应的自由水比例增大，水泥颗粒能够充分水化；三、微研磨介质微细，能够形成晶核，并能聚集或吸收水泥部分水化产物Ca（OH）2，生成C-S-H凝胶，使Ca（OH）2晶体生长受到限制并细化；四、微研磨介质制备的超胶凝水泥的水化产物填充在界面，会改善砂浆的孔结构，使强度有所提高。随着超胶凝水泥掺量增大，抗折和抗压强度呈现凸曲线变化趋势，当掺量达到 50%时，强度有所下降。分析其原因，超胶凝水泥含有更多的微研磨介质，造成超胶凝水泥的水灰比增大，后期强度降低。

随超胶凝水泥的掺量的增加逐渐增加，砂浆强度比粉煤灰水泥提高，甚至超过普通水泥。28d、56d 抗压强度均超过普通水泥，且随超胶凝水泥掺量的增加逐渐增大。早期强度增加的原因，主要是超胶凝水泥替代普通水泥，一方面使水泥水化程度增加，另一方面超胶凝水泥引入一部分微研磨介质，使与水泥反应的水相对增大。对比三种水泥：普通水泥（C）、超胶凝水泥（S）和磷酸镁水泥（M）的重金属铅的固化性能。硝酸铅（Pb（NO3）2），分析纯，无色结晶，含量≥99.0%，强氧化性，有毒，具刺激性。普通水泥和超胶凝水泥，固定水灰比0.3。超胶凝水泥和磷酸镁水泥均比普通硅酸盐水泥凝结快、早期强度高、黏结力强。磷酸镁水泥采用重烧的氧化镁，棕黄色，比表面积213m2/kg。（a）普通水泥掺硝酸铅水化 3d 的水化产物 XRD 图谱。随着普通水泥中硝酸铅的掺量增加，水化产物中的Ca（OH）2的衍射峰的峰值随之降低。分析其原因[166-168]：一是硝酸铅能与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，生产Pb（OH）2，此时水泥浆体呈碱性，Pb（OH）2的溶解度在碱性环境中会升高；二是C-S-H 在碱性条件下对溶解态 Pb2+的吸附很强，Pb（OH）2会在水泥颗粒表面形成一层不透水层，阻碍或延缓水泥的水化。随着水硝酸铅掺量的增加，抑制了水泥的水化，延缓了AFt 的生成，水化产物中AFt 的峰（10°左右）有降低。 观察超胶凝水泥掺硝酸铅水化3d的水化产物XRD图谱。随着超胶凝水泥水化产物中的 Ca（OH）2和 AFt 的衍射峰的峰值，随硝酸铅的掺量增加而降低。分析其原因：一是水泥水化产生 Ca（OH）2，浆体呈碱性，硝酸铅能与Ca（OH）2发生反应，生产 Pb（OH）2，Pb（OH）2的溶解度在碱性环境中会增大；二是C-S-H在碱性条件下对溶解态Pb2+的吸附很强，Pb（OH）2会吸附在水泥颗粒表面形成不透水层，阻碍或延缓水泥的水化，延缓了AFt 的生成，水化产物中AFt的峰值降低。在相同硝酸铅掺量条件下，超胶凝水泥的Ca（OH）2峰值比普通水泥的Ca（OH）2峰值大，说明在外界环境相同情况下超胶凝水泥的水泥水化越充分。

在不同掺量的硝酸铅对磷酸镁水泥水化影响不大。磷酸镁水泥的反应机理实质是酸碱中和反应[165]。当磷酸镁水泥与水混合后，MgO颗粒溶于水后生成Mg2+ KH2PO4在水中迅速溶解并离子化生成 K+、H+和 PO43-，Mg2+与 K+及 PO43-反应生成镁磷酸盐络合物水化凝胶（MgKPO4·6H2O）。分析不同种类的水泥水化 3d 的水化产物的 SEM 照片，普通水泥的水化产物很少，部分颗粒表面生成了一些短小的簇状 C-S-H 凝胶和针状钙矾石。与C-0 的相比，掺硝酸铅后，水化产物尺寸减小。胶凝水泥水化浆体中含有的气孔明显减少，结构致密，存在大量 C-S-H 凝胶和针状的钙矾石晶体 C-S-H 凝胶填充于水泥颗粒之间的空隙，细小针状的钙矾石晶体结晶相互交联呈网状结构如图。掺硝酸铅的超胶凝水泥水化产物的针状物明显减。未掺加硝酸铅的磷酸镁水泥组水化产物呈有少量的呈六方的规则的结晶体，晶体平均大小约为0.3μm宽，1.3μm长，水化产物有很多空隙存在 6-5（e）。掺硝酸铅的M-Pb1 水泥试块水化产物表面变得不规则，呈现针状物如图6-5（f）。分析不同种类的水泥抗压强度如图6-6所示，三种水泥的 3d、7d和28抗压均随硝酸铅掺量的增加而降低，但都大于 25MPa 远远高于危险废弃物填埋的抗压强度（5MPa）。在普通水泥和超胶凝水泥中与水化产生的Ca（OH）2，溶液呈碱性，硝酸铅与Ca（OH）2发生反应，生成Pb（OH）2，在碱性环境 Pb（OH）2的溶解度会升高。

根据超胶凝水泥配制的砂浆，研究了超胶凝水泥对界面过渡区的影响。分析超胶凝水泥应用于不同体系的混凝土，对于减少单位体积水泥用量，保证混凝土的工作性能和力学性能，对水泥行业节能减排发挥重要的作用。通过水泥进行加工，提高水泥的胶凝效率，减少高资源、能源消耗、高碳排放的水泥工业熟料的用量，改善混凝土界面过渡区，提升混凝土耐久性。水泥超胶凝化低碳制备技术，有显著的节能减排效果、其高性能和耐久性的保证和提升是事关国家战略可持续发展的重大课题。 1、超胶凝水泥迅速与拌合水发生反应，浆体中的水分大量减少，水泥颗粒之间的间距减小，水化产物迅速汇合，密实度大大提高，水化产物之间存在化学键，抗压强度大大提高。A 组 3d、7d 和 28d 抗折和抗压强度分别分别比普通水泥提高 10.86%、7.22%、6.53%、23.82%、12.59%和 12.16%。B 组 3d、7d 和28d 抗折和抗压强度分别比普通水泥提高 11.03%、7.50%、4.31%、17.81%、11.24%和9.37%。 2、随超胶凝水泥的掺量的增加逐渐增加，砂浆强度比普通水泥-粉煤灰、普通水泥-矿粉提高，甚至超过普通水泥。28d、56d抗压强度均超过普通水泥，且随超胶凝水泥掺量的增加逐渐增大。 3、力学性能相近的情况下，单位体积混凝土中，采用方案 CK1 取代现有配合比CK0，超胶凝水泥掺量为8.33%，水泥用量减少30.00%；采用方案CF2 取代现有配合比CF0，超胶凝水泥掺量为16.67%，水泥用量减少 25.00%；采用方案CFK2 取代配合比 CFK0，超胶凝水泥掺量为 8.33%，水泥用量减少30.00%。 4、对比普通水泥和磷酸镁水泥，研究超胶凝水泥对重金属硝酸铅的固化研究，超胶凝水泥的颗粒比普通水泥的小，比表面积大，金属离子可能吸附在超胶凝水泥表面，浸出毒性明显比普通水泥的低。超胶凝水泥的浸出毒性与磷酸镁水泥的接近。