高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土性能研究

吴秋生，姚丕强，俞为民，韩辉，谈永泉，范志勇，于智军，黄茜

高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土性能研究

吴秋生1，姚丕强1，俞为民1，韩辉1，谈永泉2，范志勇2，于智军3，黄茜1

为了推进新型低碳低能耗的高性能贝利特硫铝酸盐水泥在工程中的应用，对比研究了高性能贝利特硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥制备的不同强度等级的混凝土的各项性能。结果表明：较之硅酸盐水泥混凝土，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的工作性能优良，C30和C50混凝土各龄期的抗压强度分别平均提高4MPa和9MPa，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗水和氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性、干燥收缩性能均好于硅酸盐水泥混凝土，抗碳化性能相对较弱，抗钢筋锈蚀能力两种水泥混凝土差别不大。

高性能贝利特硫铝酸盐水泥；工作性；抗冻性；抗碳化性能

高性能贝利特硫铝酸盐水泥是由天津水泥工业设计研究院有限公司开发并获得发明授权的一种新型低碳低能耗水泥，是一种介于普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥之间的水泥新品种。该水泥熟料的矿物组成为25%～30%的β型C2S，25%～30%的à型C2S，28%～40%的C4A3S，4%～12%的C4AF和4%～8%的非晶相物质[1]。高性能贝利特硫铝酸盐水泥综合了硫铝酸盐水泥的“早强快硬”和普通硅酸盐水泥良好的后期强度稳定增长性等优点，具有广阔的应用前景。

水泥最终将用于混凝土，目前，关于高性能贝利特硫铝酸盐水泥在混凝土中的应用研究还比较少，本文从不同强度等级混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能等方面入手，对比研究了高性能贝利特硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥在混凝土中的性能，以期对高性能贝利特硫铝酸盐水泥在混凝土中的应用提供技术支持。

1 试验原材料和试验方法

1.1 试验原材料

（1）水泥：高性能贝利特硫铝酸盐水泥（BSAC）为工业试验生产，对比的硅酸盐水泥选用P·I水泥，两种水泥的材料配比和物理性能见表1。

（2）砂：Ⅱ区中砂，细度模数3.0，含泥量1.0%。

（3）碎石：5～20mm连续级配碎石，含泥量0.6%。

（4）混凝土外加剂：苏州金星聚羧酸减水剂，含固量40%，减水率35%。 1.2试验方法

（1）混凝土工作性能测试参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物试验方法标准》。

（2）混凝土力学性能测试参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

（3）混凝土耐久性能测试参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

1.3 混凝土配比

考虑到C30和C50分别为商品混凝土和混凝土制品中最常用的强度等级，本试验以C30和C50两个强度等级的混凝土作为研究对象。混凝土的试验配合比见表2，混凝土的设计初始坍落度控制在（180±20）mm。

表1 对比的硅酸盐水泥（P·I）和高性能贝利特硫铝酸盐水泥（BSAC）的材料配比和物理性能

表2 混凝土的试验配合比

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土的工作性能和力学性能分析

试验研究了高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的坍落度和坍落度损失，分析了不同龄期混凝土力学性能的发展规律，并与硅酸盐水泥混凝土进行了对比。试验结果见表3，混凝土工作性能见图1，抗压强度曲线见图2。

图1表明，相同混凝土配比条件下，相比硅酸盐水泥混凝土，两种强度等级的高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的初始坍落度均较高，但是坍落度损失较快。这可能是由于外加剂中的缓凝组分在初始阶段能够有效吸附在高性能贝利特硫铝酸盐水泥的主要矿物无水硫铝酸钙的表面，阻碍了其水化，因而混凝土获得了良好的初始坍落度[2]。但是，随着水化进程的发展，无水硫铝酸钙水化开始加速进行，从而导致混凝土的坍落度损失较大。这一问题可以通过调节外加剂的缓凝组分来有效解决。

表3 混凝土的工作性能和强度性能

图1 混凝土的工作性能

图2 结合表1表明，虽然高性能贝利特硫铝酸盐水泥的28d抗压强度低于硅酸盐水泥，但是混凝土的各龄期抗压强度均高于硅酸盐水泥混凝土，而且C50强度等级的高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗压强度优势更明显，C30和C50级高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗压强度各龄期平均分别高出4MPa和9MPa。硅酸盐水泥的水化产物以CSH凝胶和片层状的Ca（OH）2为主，硅酸盐水泥砂浆与骨料之间的界面过渡区成为混凝土中的薄弱环节，而高性能贝利特硫铝酸盐水泥的水化产物是以水化硫铝酸钙（AFt）类的晶体为主[3]，不存在类似硅酸盐水泥混凝土中的界面薄弱环节。混凝土的强度等级越高，界面过渡区对强度的降低作用越大，因而强度等级越高，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗压强度优势越明显。

图2 混凝土的抗压强度曲线

2.2 混凝土的抗渗性能分析

混凝土的抗渗性能与其抗化学侵蚀、抗冻性能和其他耐久性指标是密切相关的，因此抗渗性能是评价混凝土耐久性的重要指标。

试验采用渗水高度法对比研究了不同水胶比情况下两种水泥混凝土的抗渗性能，1.2MPa水压下恒压24h，劈开混凝土测其断面渗水高度，试验结果见表4。

表4 混凝土的渗水高度

表4表明，相同水胶比的情况下，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的渗水高度远低于硅酸盐水泥混凝土；混凝土的强度等级越高，其抗渗性能越好，C30和C50高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的渗水高度比对比样分别降低了27%和37.5%。这是因为一方面高性能贝利特硫铝酸盐水泥水化生成大量钙矾石，使混凝土具有一定的微膨胀特性，增加了混凝土的密实性，改善了混凝土的孔结构，减少了水分迁移通道，改善了混凝土的抗渗性能；另一方面硅酸盐混凝土的界面过渡区为氢氧化钙晶体，存在较高的空隙，而高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土中的界面过渡区中以水化硫铝酸钙为主[3]，砂浆和骨料结合紧密。

2.3 混凝土的抗氯离子渗透性能分析

混凝土的抗氯离子渗透性能反映了混凝土的密实度以及抵抗外部侵蚀介质向内部渗入的能力，是评价混凝土耐久性的关键指标之一。混凝土抗氯离子渗透试验结果见表5。

表5 混凝土抗氯离子渗透系数

表5表明，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗氯离子渗透系数小于硅酸盐水泥混凝土，说明高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土具有更优异的抗氯离子渗透性能。这是因为高性能贝利特硫铝酸盐水泥水化后生成大量的钙矾石，其结合氯离子的能力较强[4]；另一方面，无水硫铝酸钙水化生成的钙矾石有助于增加混凝土的密实度，使水泥石中的孔径尺寸变小，由贯通的大孔变成不连续的小孔，延缓了氯离子的迁移速率，生长在水泥浆和骨料界面之间的钙矾石改变了砂浆和骨料之间的界面结构，提高了界面之间的粘结强度，使混凝土的界面结构得到显著改善，从而有效阻断了氯离子的渗透通道，降低了氯离子的渗透系数。

2.4 混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能分析

硫酸盐侵蚀会造成混凝土膨胀变形、强度和刚度等力学性能降低，并显著降低结构的承载能力，使结构安全性下降，导致材料性能劣化，结构的使用寿命达不到设计要求，因此研究混凝土的抗硫酸盐侵蚀对于水工混凝土和盐碱地带的混凝土十分关键。

试验对比研究了C50高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，设计干湿循环次数为150次，试验结果见表6。

表6表明，C50强度等级的高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在不同侵蚀循环条件下的耐蚀系数均高于普通硅酸盐水泥混凝土，抗硫酸盐侵蚀性能良好。其主要原因在于高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的密实度高以及化学侵蚀减少。高性能贝利特硫铝酸盐水泥水化时生成钙矾石和氢氧化铝凝胶，氢氧化铝凝胶和钙矾石相互交织，构成水泥石的致密结构。钙矾石生成过程中产生一定的微膨胀补偿收缩，使混凝土内部的孔隙率减少，孔径尺寸缩小，截断了SO42-离子的渗透通道，延缓了侵蚀速率。高性能贝利特硫铝酸盐水泥的另一矿物相C2S水化慢，生成的少量氢氧化钙与Al2O3· 3H2O和硫酸盐反应生成钙矾石，进一步填充了混凝土内部空隙，提高了密实度，减少了高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土因硫酸盐侵蚀而发生的破坏[5]。

2.5 混凝土的抗冻性能分析

表6 混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能对比试验结果

试验对比研究了高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土的抗冻性能，试验结果见图3。

图3表明，随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量逐渐减小；混凝土的抗冻性能随水胶比的降低而增强，相同水胶比情况下，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗冻性好于硅酸盐水泥混凝土。由于高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土抗渗性能好，水泥水化速率快，混凝土内部可冻水含量减少，从而促使水分在毛细管中的迁移速率加快，降低了毛细管水因冰冻而产生的压力；另外，在混凝土冻融循环过程中，单硫型水化硫铝酸钙AFm在冻融过程中容易转变成AFt，而AFt则是高性能贝利特硫铝酸盐水泥的主要水化产物，从而进一步增加了混凝土的密实度，这也是其混凝土抗冻性能更好的原因之一。

2.6 混凝土的干燥收缩性能分析

混凝土的干燥收缩是指混凝土失水致使毛细孔张力变大从而导致毛细孔缩小引起混凝土体积变小，会导致混凝土表面或内部产生裂缝，降低混凝土的强度和耐久性。混凝土的干燥收缩率是混凝土重要的性能指标。混凝土干燥收缩率随龄期的变化趋势见图4。

图3 混凝土相对动弹性模量与冻融次数的关系

图4 混凝土的干燥收缩率与龄期的关系

图4 表明，两种水泥混凝土均呈现28d前干燥收缩率增长较快，28d后干燥收缩率随龄期增长而变缓的趋势；干燥收缩与混凝土的强度等级反向变化，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的干燥收缩均小于相同强度等级的硅酸盐水泥混凝土，在低强度等级条件下，其干燥收缩小的优势更明显。混凝土的干燥收缩主要是由于混凝土中毛细孔失水引起的弯液面负压作用。相同强度等级的混凝土，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土具有微膨胀性，孔隙率比普通硅酸盐水泥混凝土低，毛细孔含量较少，因而毛细孔失水引起的体积收缩相应减小；另一方面，高性能贝利特硫铝酸盐水泥水化生成大量的钙矾石晶体，其比硅酸盐水泥水化产物CSH凝胶对于体积变形的抵抗作用更强[6]，这也是混凝土强度等级较低时，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土具有相对更小的干燥收缩率的主要原因。

2.7 混凝土的抗碳化性能分析

混凝土的碳化是影响混凝土耐久性能的重要指标，试验对比研究了高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土的抗碳化性能，试验结果见图5。

图5表明，四组混凝土的碳化深度均随碳化时间的延长而加深，随水胶比的降低而减小。在碳化时间相同的情况下，相同水胶比的高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的碳化深度略高于硅酸盐水泥混凝土，说明高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗碳化性能略低于硅酸盐水泥混凝土。这可能是由于高性能贝利特硫铝酸盐水泥中虽然含有大量的C2S，但是其水化速率慢，生成的氢氧化钙少，水泥石的碱度低于硅酸盐水泥，混凝土的碳化性能相对较弱。尽管高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土存在抗碳化较弱的问题，但是由于其长龄期的结构非常致密，水和空气难以进入其内部，所以随着混凝土龄期的延长，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土致密性高的特点将部分抵消其抗碳化较弱的问题[7]。

图5 混凝土的碳化深度与时间的关系

2.8 混凝土的抗钢筋锈蚀性能分析

混凝土中钢筋锈蚀将在混凝土中产生膨胀，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂导致混凝土结构破坏。而混凝土的抗钢筋锈蚀能力与水泥品种有关，因此研究混凝土的抗钢筋锈蚀性能是十分必要的。混凝土抗钢筋锈蚀试验结果见表7。

表7表明，C30高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的钢筋锈蚀失重率稍高于硅酸盐水泥混凝土；C50混凝土中，二者的钢筋锈蚀失重率相同。低强度等级（C30）情况下，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的钢筋锈蚀失重率稍高，可能与水泥抗碳化性能稍差、混凝土内部孔溶液pH值降低有关，进入长龄期以后，钢筋锈蚀不再发展[7]；高强度等级（C50）情况下，两种水泥混凝土钢筋锈蚀失重率相当，可能与水胶比降低后混凝土的抗渗性能提高从而降低了钢筋锈蚀速率有一定关系。

表7 混凝土抗钢筋锈蚀

3 结语

（1）高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土相比硅酸盐水泥混凝土，具备较好的工作性能，同时具有较高的抗压强度，尤其在高强度等级的混凝土中，抗压强度优势更明显。

（2）相比硅酸盐水泥混凝土，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土具有更好的抗渗性能、抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能和抗冻融性能，干燥收缩程度更小。

（3）高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗碳化性能较弱，但其较高的结构致密性和良好的界面结构，将部分抵消其抗碳化较弱的问题。

（4）C30高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的抗钢筋锈蚀能力稍差于硅酸盐水泥混凝土，C50高强度等级混凝土与硅酸盐水泥混凝土具有同样良好的抗钢筋锈蚀能力。

综上所述，高性能贝利特硫铝酸盐水泥混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能，可以替代硅酸盐水泥混凝土用于实际工程，应用前景广阔。

[1]俞为民，姚丕强，等.一种活性贝利特硫铝酸盐发泡水泥保温材料及其制备方法：中国，ZL201210022401.8[P].2014-06-04.

[2]黄士元，邬长森，杨荣俊.混凝土外加剂对硫铝酸盐水泥水化历程的影响[J].混凝土与水泥制品，2012，（7）：7-12.

[3]叶正茂，常钧，芦令超，等.硫铝酸盐水泥砂浆界面过渡区的改性[J].硅酸盐学报，2006，（4）：511-515.

[4]赵军，蔡高创，高丹盈.硫铝酸盐水泥混凝土抗氯离子侵蚀机理分析[J].建筑材料学报，2011，（3）,357-361.

[5]李方元，唐新军，等.硫铝酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能[J].混凝土与水泥制品，2012，（10）：1-6.

[6]西德尼·明德斯，J.弗朗西斯·杨；戴维·达尔文.混凝土[M].北京:化学工业出版社，2005.

[7]王燕谋，苏慕珍，张量.硫铝酸盐水泥[M].北京:北京工业大学出版社，1999：219-220.■

Study on the Properties of Concrete Mixed with High Performance Belite Sulphoaluminate Cement

WU Qiusheng1,YAO Piqiang1,YU Weimin1,HAN Hui1, TAN Yongquan2,FAN Zhiyong2,YU Zhijun3,HUANG Qian1
(1 Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China;2 Suzhou Concrete and Cement Products Research Institute Co.,Ltd.,Suzhou 215004,China; 3 Wuhai Saima Cement Co.,Ltd.，Wuhai 016000,China)

In order to take forward the application of high performance belite sulphoaluminate cement with lower carbon emission,the main characteristics of concrete mixed with high performance belite sulphoaluminate cement and Portland cement were compared and studied.The results show that compared with Portland cement concrete, high performance belite sulphoaluminate cement concrete can obtain better workability and at an average of 4MPa and 9MPa higher compressive strength separately for C30 and C50 strength grade at all testing age.Also,high performance belite sulphoaluminate cement concrete can obtain better water and chloride penetration resistance, sulphate attack resistance,freezing and thawing resistance,as well as shrinkage resistance.The carbonization attack resistance is a little weaker and the corrosion of the embedded steel reinforcement is nearly the same.

high performance belite sulphoaluminate cement;workability;freezing and thawing resistance; carbonization attack resistance

TU528.59

A

1001-6171（2017）01-0019-06

新型低钙水泥熟料的研究及工业化应用（2014BAE05B00），国家“十二五”科技支撑计划项目。

通讯地址：1天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏苏州215004；3乌海赛马水泥有限责任公司，内蒙古乌海016000；

2016-12-16；编辑：孙娟