矿物掺合料对水泥强度及水化热的影响分析

2022-08-23戴雨欣周灏川

四川水泥 2022年8期

戴雨欣周灏川

（1.四川省交通建设集团股份有限公司，四川成都 610000；2.济南市人防建筑设计研究院有限责任公司，山东济南 250000）

0 引言

在水泥生产中我们常常因水泥品种差异添加粒化高炉矿渣（以下简称矿渣）、火山灰质混合材料、粉煤灰等，这些添加物各自具有不同的特性，将它们掺入水泥中对水泥强度及水化过程的水化热都会造成影响。水泥与水进行拌合后，水泥中各组分会立即发生一系列的物理、化学反应并伴随着热量的产生，发生放热反应[1]。由于水泥是由多种矿物成分组成的聚集体，故其放热量不仅取决于水泥的细度、硅酸盐水泥熟料矿物的组成，还与水泥中各种矿物添加剂的类型和含量有关。在相同破碎程度下，添加矿物的混合水泥的水化热比硅酸盐水泥要低得多[2]。

目前，矿渣水泥和粉煤灰水泥在工程中的应用最为广泛，国内众多学者对掺入矿渣和粉煤灰的水泥的性能进行了较多研究，应用也很成熟。本文在此基础上，通过在水泥中掺入不同比例的矿渣、粉煤灰，研究其对水泥强度及水化热特性所造成的的影响。

1 试验研究

1.1 原材料

水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，矿渣采用市场上销售的S95级产品，结构主要以玻璃相为主。粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，原材料的物理指标见表1，化学组成见表2。

表1 原材料的物理指标

表2 原材料的化学组成 %

1.2 试验方法

为研究不同矿物掺合料对水泥胶砂强度及水化热的影响程度，本文按照质量百分比在水泥中掺入不同比例的矿物掺合料。在选定砂率和水灰比的前提下，分别称取矿渣和粉煤灰与水泥进行配制，三者的掺配比例及水灰比见表3。

表3 不同矿物掺合料的掺配比例

1.3 试验仪器

XY 系列精密电子天平、胶砂搅拌机、振实台、水泥净浆40mm×40mm×160mm三联模、压力试验机、抗压夹具、抗折夹具以及恒温恒湿标准养护箱、水化热测量装置等。

2 试验结果与分析

2.1 强度试验

在JTG E30-2005试验规程中，水泥胶砂的抗压和抗折强度是水泥强度的常用检验指标。先提前称取好试验材料并按顺序依次倒入胶砂搅拌机，搅拌后将胶砂装入振动台上的模具中进行成型。成型后用刮刀一次性将超出模具的胶砂刮去并保持试件表面的平整，再将试模放入养护箱内（T=20±1℃、RH＞90%）进行养护，等到20～24h后进行脱模，然后依次测定其抗压、抗折强度。试验结果见表4。

表4 抗压、抗折强度试验结果

（1）单掺矿渣

根据表4的试验结果将强度作为纵坐标，绘制出水泥胶砂强度与矿渣掺配比例的关系图，如图1所示。

由表4和图1可知，当水泥中只掺入矿渣时，水泥胶砂3d龄期的抗压强度与矿渣掺量呈负相关，并且降低幅度与其掺量成正比，掺量越多，降低幅度越大，这表明水泥的早期抗压强度（3d）会因为掺入矿渣而显著降低。到28d龄期时，当矿渣少于水泥用量时，其胶砂的抗压强度随着矿渣掺量的增加而增加，但当矿渣掺量达到55%时，胶砂强度又会出现下降趋势。但无论矿渣的掺量多少（本试验最多60%），其水泥胶砂的28d抗压强度均大于纯水泥胶砂（不掺矿渣的水泥胶砂）。由试验结果可知，水泥胶砂的3d、28d抗折强度随矿渣掺量的变化规律与其抗压强度的变化规律基本相同，在此不再赘述。

图1 矿渣掺量与水泥强度关系图

由于矿渣的矿物成分特殊，其水化活性较小，水化反应较慢，其水化3d后生成水化产物（如水化Ca3Al2O6、水化CaSiO3、Ca（OH）2等）的数量较纯水泥要少，因此早期未形成较好的胶凝强度，从而造成水泥胶砂的3d强度降低。矿渣水泥28d强度普遍较高，这是由于矿渣的水化作用得到了充分发挥，生成了大量水化CaSiO3、水化CaFe2O4等水化产物。通常这些水化产物的结构更加致密，从而使水泥浆体更加密实，进而增加了水泥胶砂的强度。但当矿渣掺量过大时，水泥含量就会相应减少，而矿渣水化需要依靠水泥的水化产物Ca（OH）2作为激发剂，所以矿渣水化反应所生成的产物数量就会减少，进而胶砂的强度降低。

（2）单掺粉煤灰

将水泥胶砂的强度与粉煤灰掺量的关系绘制成图2。

由图2可以清楚地看出，在水泥中掺入粉煤灰后，随着粉煤灰所占比重的增多，水泥用量的减少，水泥胶砂的抗压、抗折强度（3d、28d）也逐渐减小。这是由于粉煤灰自身的基本效应所导致的，在粉煤灰的主要矿物成分中，铝硅玻璃体在其水化过程中起着极其关键的作用，与其水化反应息息相关。又因为粉煤灰水泥水化过程的复杂性，造成它的早期强度较低，但后期强度（90d）可赶上甚至超过纯水泥。

图2 粉煤灰掺量与水泥强度关系图

（3）复掺矿渣、粉煤灰。

将水泥胶砂的强度和复掺矿渣和粉煤灰的关系绘制成图，如图3所示。

由表4和图3可知，当将两种矿物掺合料同时掺入水泥中时，水泥胶砂的早期强度（3d龄期的抗压、抗折强度）较不掺矿物掺合料的水泥有所降低，并且降低幅度与两者的总掺量成正相关。等到28d后，同时掺入矿渣和粉煤灰的胶砂的抗压、抗折强度基本与不掺矿物掺合料的纯水泥胶砂的强度一致。当矿渣掺量不变时，水泥胶砂的3d和28d抗压、抗折强度与粉煤灰的掺量成负相关；在粉煤灰掺量不变时情况较为复杂，随着矿渣掺量的增加，其3d龄期的强度降低，28d龄期的强度提高。

图3 矿渣、粉煤灰复掺与水泥强度关系图

2.2 水化热试验

国内测定水泥水化热的方法主要有量热仪测试法、溶解热法、直接法三种。其中直接法由于操作简单、采集数据较多等优点，使其在国内应用最多，本文采用直接法。先制备水泥胶砂，然后利用热量计直接测定试件1d、3d、5d、7d龄期的温度值。将测定结果进行汇总，见表5。

表5 水泥各龄期水化热

由表5可以看出，水泥的水化热随着龄期的增长而增加，说明水化过程是一个持续放热过程。当水泥中只掺入矿渣时，水泥1～7d的水化热出现了不同程度的降低，并且降低量随着矿渣掺量的增多而增加。当矿渣掺量为60%时，水泥1d、3d、5d、7d龄期的水化热降低量依次为47.2%、32.5%、30.6%、28.0%。当只掺入粉煤灰时，水泥水化热与粉煤灰的掺量成负相关。当两者同时掺入水泥中时，水泥1～7d的水化热都在逐渐降低，随着矿渣和粉煤灰所占比重的增加，水泥用量的减少，水化热的降低量也随之增加。当矿渣掺量不变时，随着粉煤灰用量的增加，水泥水化热呈减小趋势；当粉煤灰掺量不变时，随着矿渣掺量的增加，水泥水化热也呈减小趋势。