水泥种类对砂浆收缩性能和孔结构参数的影响

2018-07-21吴福飞董双快赵振华吴发银黄宗辉

水资源与水工程学报 2018年3期

吴福飞，董双快，赵振华，吴发银，黄宗辉

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州贵阳 550025)

1 研究背景

水泥通常由硅酸三钙(阿利特)、硅酸二钙(贝利特)、铝酸三钙、铁铝酸四钙、少量MgO和石膏等矿物成分组成[1]，这些矿物成分决定了水泥的水化热、力学性能和耐久性等性能，进而决定了混凝土的力学性能和耐久性[2-3]。杨锦[4]发现低热水泥砂浆的早期强度低，后期强度高且有超越中热水泥后期强度的趋势，梁瑞华等[5]发现水泥的比表面积越大，水化热和水化程度越高，即使在不同的养护条件(自然养护、标准养护和水中养护)仍呈现出相似的规律，随着水泥比表面积的增大，强度有增加的趋势，且能显著增加凝胶孔的数量，减少大孔的数量[6]，同时，也会增加混凝土的水化热[7]。黏土是制备水泥的成分之一，为了节约有限的黏土资源，通常采用工业废渣来替代。韩静云等[8]采用石灰石煅烧煤矸石来制备水泥，其28d的净浆强度可达到70.16 MPa，赵世珍等[9]采用电解锰渣、镁渣制备出抗折、抗压强度分别为5.1 MPa和31.2 MPa的低等级水泥。另外，其他低含量化学成分也会影响水泥的性能。宋强等[10]发现MgO含量增加，能降低水泥的干燥收缩性能，但水浴环境却能促使水泥膨胀。陈文海等[11]制备出碱式硫酸镁水泥，并测试了相应混凝土的基本力学性能，夏雨等[12]测试了氯氧镁水泥的弯曲性能。硫铝酸盐水泥与普通水泥由于在矿物成分上不同，其早期强度高[13-14]，除此之外，纳米二氧化硅[15-16]和纳米碳酸钙[17-18]的掺入也会对水泥的力学性能和耐久性产生影响。目前，针对水泥种类的研究成果较多，但很少关注同一地区常见水泥对比的研究，这给工程选用时带来许多不便，基于此，本文采用贵州常见的42.5级普通硅酸盐水泥制备水泥砂浆，探讨水泥种类对砂浆抗折强度、抗压强度、干燥收缩、自收缩和孔结构参数的影响。通过研究，以期为贵州常见水泥的合理选用提供试验基础。

2 材料与方法

2.1 原材料

水泥采用贵州常见的42.5级水泥，如豪龙水泥、西南水泥、尧柏水泥、中诚水泥，砂采用中国ISO标准砂，水采用实验室自来水。

2.2 试验方法

为了明确水泥种类对砂浆收缩性能和孔结构参数的影响。因此，水灰比固定为0.50，水泥∶水∶砂=450∶250∶135，按照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)和《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)相关方法成型试件，试件尺寸(长×宽×高)为 40 mm×40 mm×160 mm，成型1d后拆模在标准养护室进行养护，养护至1、3、7、14、28、60、90 d后测试其力学性能和各时段的吸水量，并通过文献[19]的原理，计算其孔结构参数。

成型试件尺寸(长×宽×高)为 25 mm×25 mm×280 mm，各组6根，成型1d后拆模，3根试件密封，剩下3根不密封，之后将其放入湿度为50±2%和温度为20±1℃的环境中，养护到一定龄期后测试其干燥收缩和自收缩性能。

3 结果与分析

3.1 抗折强度

抗折强度是混凝土结构剪力计算的的重要参数，水泥种类对砂浆抗折强度的影响规律如图1所示。从图1中看出，随着养护龄期的延长，砂浆的抗折强度越高。在14 d以前，抗折强度的增长速度较快，豪龙水泥、西南水泥、尧柏水泥和中诚水泥的14 d抗折强度分别是3 d时的1.48、1.52、1.25和1.25倍，以豪龙水泥和西南水泥的增长较快，14 d时各种水泥抗折强度的排序为中诚水泥>尧柏水泥>豪龙水泥>西南水泥，但相差不大且抗折强度均在7.5 MPa以上。

28 d时，西南水泥和豪龙水泥的抗折强度增长较快，分别约为3d时的1.71和1.60倍，60～90 d时西南水泥和尧柏水泥的抗折强度增长较慢。在选择水泥时，通常以28 d时的抗折强度为依据，结合60～90 d时的试验结果，建议首选西南水泥，尧柏水泥次之。

3.2 抗压强度

抗压强度是混凝土强度等级评定、结构承载力计算的重要参数，水泥种类对砂浆抗压强度的影响规律如图2所示。由图2看出，随着养护龄期的延长，砂浆的抗压强度越来越高。尤其在28 d前，抗压强度增长较快，豪龙、西南、尧柏和中诚水泥约为3 d时的1.81、1.87、1. 62和1. 69倍，强度大小排序为尧柏水泥>西南水泥>中诚水泥>豪龙水泥，但大小相差不到4 MPa且均在44 MPa以上。60～90 d时砂浆的抗压强度也不断增加，但是其增幅相对较小，差值不到3 MPa。综合抗折强度和抗压强度的数据，建议首选西南水泥，尧柏水泥次之。

图1砂浆的抗折强度图2砂浆的抗压强度

图3砂浆的折压比图4砂浆抗压强度与抗折强度的关系

折压比(抗折强度与抗压强度之比)是表现混凝土韧性的参数，其变化规律如图3所示。折压比与抗折强度和抗压强度变化规律不同，随龄期的延长趋势呈现出下降。3～28 d时，以中诚水泥的折压比相对较大。在其余各龄期，4种砂浆折压比的变化相对较小，这也进一步说明了4种水泥的抗折强度与抗压强度相差不大。在成本允许的情况下，4种水泥可任意选择。混凝土的抗折强度一般为抗压强度的1/7～1/10，本文试验结果发现，4种水泥的抗折强度与抗压强度呈现出线性关系(如图4所示)。因此，在实际试验时，可根据水泥砂浆的抗压强度来预测抗折强度。

3.3 收缩性能

干燥收缩是由砂浆、混凝土内部水分不断蒸发流失，由内向外变干燥的现象，自收缩是胶凝材料的水化反应引起毛细孔负压和内部相对湿度降低而造成的宏观体积变化，这些变化过大均会影响砂浆、混凝土的耐久性。4种普通硅酸盐水泥对砂浆干燥收缩和自收缩的影响规律如图5，6所示。从图5可以看出，4种水泥的收缩性能不同，均随龄期的延长逐渐增长。在整个测试过程，中诚水泥的干燥收缩始终高于其它3种水泥；在早期(14 d)，尧柏水泥、西南水泥和豪龙水泥的干燥收缩值相差不大，在28 d以后，按干燥收缩大小排序为：中诚水泥>豪龙水泥>尧柏水泥>西南水泥。

从图6可见，砂浆自收缩与干燥收缩呈现类似的规律，中诚水泥的自收缩始终高于其它3种水泥。在14 d前，中诚水泥与豪龙水泥的自收缩值相差较小，尧柏水泥与西南水泥也呈现类似的规律。在28 d后，按自收缩大小排序为：中诚水泥>西南水泥>豪龙水泥>尧柏水泥。相对而言，各种水泥的干燥收缩均高于自收缩，以干燥收缩对混凝土的影响较大，因此在选择水泥时，建议首先选择干燥收缩值较小的水泥，如西南水泥。

3.4 孔结构

通过吸水法测试并计算的孔结构参数(α和λ)如图7所示，其中α越小，砂浆的孔径越不均匀；λ反映了砂浆毛细孔径的平均孔径，λ越小，孔径越小。由图7可看出，不同水泥和不同龄期砂浆的孔结构参数变化规律不尽相同。在7 d时，按砂浆的均匀性排序为尧柏水泥>豪龙水泥>中诚水泥>西南水泥，在28 d时，豪龙水泥>尧柏水泥>西南水泥>中诚水泥，可见水泥种类不同，养护龄期对砂浆孔结构均匀性的细化作用不同，综合来看，以豪龙水泥和尧柏水泥的孔结构较为均匀。在孔径大小方面的规律也不同，在7 d时，尧柏水泥>豪龙水泥>中诚水泥>西南水泥。在28 d时，4种水泥砂浆的平均孔径相差不大，最大相差不到0.04，这与抗压强度的结果较为接近。

3.5 微观结构与水化产物

水泥种类对砂浆28 d的微观形貌和水化产物的影响规律如图8～9所示，由图8可知，4种水泥砂浆的界面相对密实，但也存在不少孔隙。其中豪龙水泥砂浆、尧柏水泥砂浆、西南水泥砂浆和中诚水泥砂浆的最大孔径分别为211.0 μm、245.0 μm、201.1 μm和243.7 μm。从电镜图上不难发现，中诚水泥砂浆的无害孔数量多、西南水泥砂浆水泥，以尧柏水泥砂浆的无害孔数量最少。

从孔隙的大小情况也不难发现，按最大孔隙排序为尧柏水泥>中诚水泥>豪龙水泥>西南水泥，因此，28 d时西南水泥砂浆的抗压强度最大。将界面放大后，4种水泥砂浆的水化产物如图9所示。界面放大后，西南水泥砂浆的界面相对密实，豪龙水泥砂浆次之，尧柏水泥砂浆和中诚水泥砂浆的界面相对疏松，尤其是尧柏水泥砂浆，虽然各种水化产物相互交织在一起，但孔隙相对较大。豪龙水泥砂浆中形成较多纤维状的水化硅酸钙，尧柏水泥砂浆中的水化硅酸钙与水化铝酸钙相互交织在一起，西南水泥砂浆中的水化产物主要以纤维状的水化硅酸钙和层状的氢氧化钙为主，中诚水泥中除了纤维状的水化硅酸钙和层状的氢氧化钙，还有少量的钙矾石。对比发现，4种水泥的水化产物主要以水化硅酸钙和层状的氢氧化钙为主，另外还有少量的水化铝酸钙和钙矾石，但是水泥种类不同，水泥水化形成的水化产物数量会有所不同，进而对砂浆力学性能和收缩性能的影响不同。