矿渣硫铝酸盐水泥混凝土热学与力学性能研究*

康雪彤 周 健 徐名凤 李 辉 喻庆华 翟朝阳 林松涛 仲晓林

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.嘉华特种水泥股份有限公司，四川乐山 614003；3.唐山北极熊建材有限公司，河北唐山 063705；4.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

大体积混凝土的内外温差可能导致耐久性风险，因此要求对水泥品种、用量、浇筑温度等严格控制[1-3]。普通水泥中的硅酸三钙(C3S)和铝酸三钙(C3A)生热速率快、放热量高，而硅酸二钙(C2S)生热速率慢、放热量低[4-6]，因此常选择中热硅酸盐水泥或低热硅酸盐水泥[7]，其C3S和C3A的含量较低，C2S的含量较高，因此水泥放热速率慢、放热总量，但早期强度偏低[8-10]。

近年来，科研人员研发出一种新型低热水泥——矿渣硫铝酸盐水泥(简称“S-SAC”)，与普通硅酸盐水泥(OPC)相比，其具有水化放热总量低、放热速率慢、后期强度及抗折强度高等特点[11-13]。S-SAC水泥的3 d和7 d累计水化放热量分别为148.3 J/g和193.3 J/g，远低于OPC的水化放热量，也低于国家标准GB/T 200—2017《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》要求的3 d不大于230 J/g、7 d不大于260 J/g，同时也低于GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》对不同品种的硅酸盐水泥的水化热要求[14-15]。而其3 d龄期时强度为30.5 MPa，与同龄期OPC强度接近，7 d强度是OPC抗压强度的1.8倍，28 d是OPC抗压强度的1.3倍。

通过研究S-SAC水泥混凝土热学和力学性能，分析其水化放热与混凝土绝热温升的关系，为其在大体积混凝土中的应用提供依据。

1 试 验

1.1 原材料及配合比

S-SAC 52.5水泥的比表面积为450 m2/kg；P·O 42.5水泥的比表面积为350 m2/kg；采用I级粉煤灰(FA)和S95级粒化高炉矿渣粉(GBFS)；骨料选择粒径为5～30 mm的碎石和细度模数为2.6的中砂；拌和采用自来水。S-SAC 52.5、P·O 42.5、GBFS和FA的化学组成见表1。共设计12组混凝土试件，配合比见表2。

表1 S-SAC 52.5、P·O 42.5、GBFS和FA的化学组成

表2 S-SAC 和OPC混凝土配合比

1.2 试验方法

水化热分析。采用TAM Air微量热仪，试验持续7 d。绝热温升试验参照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》进行。使用绝热温升测定仪对混凝土温升进行测试，试验前24 h将混凝土拌和用料放入室内，保证温度与室温一致。试验控制绝热室温度与试样中心温度相差不大于±0.1 ℃，每0.5 h记录1次，试验历时5～9 d。

参照DL/T 5150—2001，试件尺寸选择100 mm×100 mm×100 mm，每个配合比制作3个试件。试件成型后置于(20±2)℃，相对湿度为95%以上的标准养护室养护24 h，拆模后继续养护至第3，7，28，90天龄期，测试抗压强度，考虑到本试验所用试块并非边长为150 mm立方体，依据DLT 5150—2001将测试强度乘以换算系数0.95。

2 结果与分析

2.1 水泥水化放热规律

OPC0和S-SAC0水泥7 d水化放热曲线如图1所示。可见：S-SAC0和OPC0分别在8.3 h和12.3 h达到水化热峰值，分别为0.72 kW/m3和0.92 kW/m3，水化加速期持续时间为2.3 h和9.4 h，3 d和7 d累计水化放热量分别为60.4，77.2 MJ/m3和103.2，118.0 MJ/m3。S-SAC0的3 d累计放热量是OPC0的60%，7 d累计放热量是OPC0的66.5%。S-SAC0混凝土水化放热峰值低于OPC0，且持续时间更短。

图1 S-SAC0和OPC0水泥水化热

不同水胶比下的OPC与S-SAC水泥的水化热曲线见图2。可见：OPC和S-SAC水泥的水化放热速率峰值和放热总量随着水胶比增大而减小，同配比的S-SAC混凝土放热量要低于OPC混凝土。水胶比为0.49时，OPC1和S-SAC1水泥的7 d放热总量分为是91.5，59.8 MJ/m3；水胶比为0.41时，两者的7 d放热总量分别是92.7，61.7 MJ/m3；水胶比为0.35时，两者的7 d放热总量分别是106.1，65.6 MJ/m3。OPC水泥水化热峰出现在24～30 h，S-SAC水泥的峰值出现在6～10 h，且放热速率低于OPC。

图2 不同水胶比下S-SAC和OPC水泥水化热

不同矿物掺和料对S-SAC水泥水化热的影响见图3。采用50%GBFS替代水泥后的胶凝材料水化放热总量高于采用50%GBFS和FA替代水泥的胶凝材料放热总量，采用50%粉煤灰替代水泥后的胶凝材料放热总量最低。放热速率结果显示单掺GBFS的放热峰值最高可达0.52 kW/m3，双掺FA和GBFS达到0.22 kW/m3，单掺FA放热峰值为0.18 kW/m3。说明单掺FA对S-SAC水泥起到较好的降低水化热效果，推迟第2个放热峰的出现时间。掺入GBFS的水化热降低比例低于掺入等量FA，双掺等比例GBFS和FA的效果介于单掺两种掺和料之间。

图3 不同矿物掺合料对S-SAC水泥水化热影响

不同FA掺量下S-SAC水泥水化热曲线见图4。掺入FA对S-SAC水泥水化速率曲线有明显的削峰作用，也使水化放热总量减小。FA掺量越高，胶凝材料水化放热总量越低。FA掺量为0、25%、37.5%和50%的7 d水化放热总量分别为76.0，70.5，66.1，52.3 MJ/m3，掺入FA后放热总量的降低比例要低于掺量比例，第2个水化放热峰的出现时间随着FA含量的增加有所推迟。

图4 FA掺量对S-SAC水泥水化热的影响

2.2 混凝土绝热温升

S-SAC和OPC混凝土的绝热温升历程见图5。可见：S-SAC2混凝土的绝热温升曲线发展较为平缓，第9天绝热温升为21 ℃。OPC2混凝土在初期升温速率较快，第5天绝热温升高达45 ℃，是同配比S-SAC2温升值的2.14倍。S-SAC0混凝土绝热温升仅为30 ℃，掺入25%FA后的绝热温升值为25 ℃。即随着FA掺量的增加，混凝土的最终绝热温升值降低，达到峰值的时间也有所推迟，绝热温升的发展历程与胶凝材料水化热规律一致。

图5 S-SAC和OPC混凝土绝热温升历程

2.3 混凝土抗压强度

S-SAC和OPC混凝土抗压强度结果见图6。可见：S-SAC0混凝土除了在第3天早龄期时强度略低于OPC0混凝土抗压强度，其他龄期均高于OPC0，在第28天龄期时强度甚至达到73.6 MPa，超过OPC0混凝土第28天强度的37.4%。

图6 S-SAC和OPC混凝土抗压强度

比较掺入矿物掺和料的不同水胶比的混凝土抗压强度，发现S-SAC的强度虽然不及OPC，但是强度增长率高。水胶比为0.49的S-SAC1在第28天时强度增长率为118.3%，OPC1同龄期强度增长率仅为49.6%；水胶比为0.41的S-SAC2在第28天时强度增长率90.3%，OPC2同龄期强度增长率仅为50.1%；水胶比为0.35的S-SAC3在第28天时强度增长率87.2%，OPC3同龄期强度增长率仅为31.4%。

不同矿物掺和料对S-SAC混凝土强度的影响见图7。加入50%GBFS和50%FA的第3天早龄期强度分别为10，6.9 MPa；掺入50%GBFS和50%FA的混凝土在第7天龄期时的强度分别为18.4 MPa和23.6 MPa；掺入GBFS的混凝土在第7天后强度一直低于掺入等量FA的强度。双掺各25%的GBFS和FA的混凝土抗压强度在各个龄期均高于单掺掺和料的混凝土强度，在第3天时略高于单掺GBFS的混凝土强度，在第7天和第28天可以达到和单掺FA相近的后期增长率。上述试验结果说明GBFS在提升混凝土的早期强度方面比掺入FA更有效，但FA比GBFS更能刺激强度的后期增长率，双掺可以综合GBFS和FA的优势，在保持早期强度的同时提高后期强度增长率。这是因为双掺时复合效应显现，水泥水化时GBFS水化产物聚集在FA玻璃体周围，促进FA的水化进程，未水化的颗粒能填充水泥颗粒之间的空隙，减少体系孔隙率，提高混凝土硬化体强度[16-17]。双掺的方式让混凝土强度综合了GBFS和FA的优势，对于大体积混凝土提高早期和后期强度有帮助，有利于提高大体积混凝土抗裂性能。

图7 不同矿物掺和料对S-SAC混凝土抗压强度的影响

FA掺量对S-SAC混凝土强度的影响见图8。可见：混凝土的抗压强度总体趋势随着FA等量取代水泥质量的增加而降低；掺入FA后混凝土早期抗压强度下降较为明显，但对后期的混凝土抗压强度影响不大，第7、28天强度增长率随着掺量增加而增加。原因是随着FA取代率的增加，FA水化生成的水化硅酸钙凝胶体减少，故而抗压强度随着FA取代率的增加而逐渐减少[18]。

图8 FA掺量对S-SAC混凝土强度的影响

3 讨 论

OPC和S-SAC水泥7 d累计水化放热量与第7天和第28天混凝土强度的线性拟合式见图9。S-SAC混凝土表示水化热-强度关系的数据点分布总体位于OPC数据点的左侧，表示S-SAC水泥放热低于OPC水泥。S-SAC趋势线的斜率代表强度与第7天水化放热总量的比值，图9中S-SAC趋势线斜率均高于OPC，说明当累计水化放热量发生相同变化时，S-SAC混凝土强度增长幅度要高于OPC混凝土。S-SAC混凝土第7天强度的趋势线起点略低于OPC混凝土趋势线，到第28天时S-SAC混凝土强度趋势线起点与OPC混凝土的近乎持平。上述结论说明与OPC混凝土相比，S-SAC混凝土具有低热高强度增长率的特点。

a—7 d强度；b—28 d强度。S-SAC;OPC。

水泥品种和入模温度一定的情况下，绝热温升与混凝土比热、密度、水泥用量和胶凝材料放热量有关，同一配合比的混凝土胶凝材料水化放热越多温升值越高[19]。S-SAC混凝土较同配合比OPC混凝土水化热低，绝热温升也低于OPC混凝土。S-SAC混凝土可以有效降低结构的内外温差，利于大体积混凝土减小温度应力，提高结构的抗裂性能，同时后期强度增长率高，符合大体积混凝土设计龄期长的特点，在大体积混凝土工程应用中具有广泛前景。

4 结束语

1)S-SAC混凝土放热速率低于OPC混凝土，且达到峰值的时间比OPC提前、持续时间短，7 d累计放热总量低于OPC混凝土。S-SAC抗压强度在第3天早龄期时强度略低于OPC混凝土外，其他龄期均高于OPC。

2)不同水胶比的S-SAC混凝土均比同配比的OPC混凝土放热低、放热速率慢，且水胶比越高，S-SAC混凝土胶凝材料放热越低。同配比的S-SAC混凝土绝热温升低于OPC混凝土，而后期强度增长率高于OPC混凝土。

3)S-SAC混凝土掺入GBFS后放热总量高于掺入等量FA，放热速率峰值高于单掺FA。GBFS对S-SAC混凝土的早期强度有利，FA对提高其后期强度增长率有利，两者双掺优势互补。

4)FA掺量越高，水化放热峰值下降幅度越大，水化热总量越低，S-SAC混凝土的绝热温升值越低，升温速率越缓慢。S-SAC混凝土早期强度的损失随着FA增加而增加，但对后期的混凝土抗压强度影响不大，并且随着龄期的增长，混凝土的抗压强度增长幅度较高。

5)与OPC混凝土相比，S-SAC混凝土具有低水化热、高后期强度增长率的优势，更利于提高大体积混凝土的抗裂性能。