改性超硫酸盐水泥在大体积混凝土中的应用研究.pdf

2 0 1 5年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 0 1 5 No 7 J u l y 改性超硫酸盐水泥在大体积混凝土中的应用研究 高育欣， 王 淑， 吴 雄， 余保英 ( 中建商品混凝土有限公司， 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 本研 究着力于超硫 酸盐水泥在 大体积 混凝 土中的应用 ， 通 过研 究其物理性 能、 力学性 能 ， 分析在 混凝土 中应用的可行性 ； 通过 测试水化温升 ， 分析在 大体积混凝土 中的应 用优 势； 通过扫描 电镜 ( S E M ) 分析水化产物形貌 。 试验结果表明 超 硫酸盐水泥混凝土流动性能较好 ， 且其工作性能优 于普硅水泥 配制的混凝土 。对 于超硫 酸盐水泥 体 系的混凝土 强度 标准养护条件下稍 高于在 常温条件 下养护的试块。 随着龄期增长 ， 混凝 土抗 压强度都在增 长 ， 且 增长速率逐渐降低 。超硫酸 盐水 泥体 系的强度低 于普硅 水泥体 系， 但是后 期强度增长速率 明显高于普硅水泥体 系。 超硫 酸盐水泥体 系的水化 温升低 于普硅 水泥。超硫 酸盐水泥体 系的主要水化产物 为“ 鱼鳞 片” 状 的水化硅 酸钙和钙 矾 石 。 关键词 ： 超硫酸 盐水泥； 大体 积混凝土 ； 水化 温升 ； 水化产物 A b s t r a c t ： T h e u s e o f s u p e r s u l f a t e d c e me n t ( S S C ) i n ma s s c o n c r e t e w a s s t u d i e d T h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d m e c h a n i c a l p r o p e rt y we r e t e s t e d Co n t r a s t i n g wi t h t h e c o mmo n c e me n t ， t h e t e mp e r a t u r e ris e o f h y d r a t i o n a n d t h e h e a t o f h y d r a t i o n t o o b t a i n t h e a d v a n t a g e of S CC we r e a n a l y z e d ， w h i c h c o u l d p r o v i d e t h e b a s i s f o r t h e u s e o f S CC i n ma s s c o n c r e t e T h e mi C li o p r o p e r t i e s w e r e t e s t e d t h r o u g h s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e f S E M ) I h e t e s t s h o w s t h a t t h e S S C s h o w s b e t t e r w o r k i n g p e r f o r ma n c e t h a n o r d i n a r y c e me n t T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f S S C u n d e r s t a n d a r d c u ri n g c o n d i t i o n i s h i g h e r tha n t h a t u n d e r r o o m c u rin g c o n d i t i o n n1 e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f S S C i s i n c r e a s i n g wi t h t i me a n d t h e r a t e of i n c r e a s i n g i s d e c r e a s i n g e t e mp e r a t u r e r i s e o f h y d r a t i o n o f S S C i s l o w e r t h a n t h a t o f o rdi n a r y c e me n t Di ff e r e n t wi t h t h e o rdi n a r y c e - me n t ， t h e ma i n h y d r a t e d p r o d u c t s o f S S C a r e e t t r i n g i t e a n d s c a l y c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e Ke y wo r d s ：S S C ； Ma s s c o n c r e t e ； T e mp e r a t u r e r i s e of h y d r a t i o n ； Hy d r a t i o n p r o d u c t s 中图分 类号 ： T U 5 2 8 O 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 0 7 1 1 0 4 0前 言 改性超硫酸盐水 泥是一种 以粒化 高炉矿渣为 主要原料 ， 以石膏为硫酸盐激发剂和以熟料或石灰 为碱性激发剂的少熟料或者无熟料水泥。其各组分 比例通 常为 7 5 8 5 的矿渣 、 1 O 2 0 的硫酸盐 类 ( 如二水石膏、 无水石膏等) 和 1 一 5 的碱性成分 ( 如熟料、 氢氧化钙等) ” 。由于改性超硫酸盐水泥以 硫酸盐激发为主 ， 也被称 为石膏矿渣水泥或硫酸盐 矿渣水泥。该水泥具有 良好的使用性能 ， 且生产工 艺简单 ， 成本低 ， 能充分利用工业矿渣 ， 属于节能环 保型水泥 。 随着超硫酸盐水泥的应用在欧洲各 国盛行 ， 全 球 范围 内对超 硫酸盐水泥 的认识 和研究 兴趣愈来 越 浓 。 目前 ， 超 硫酸 盐水 泥 已经 应 用到 多个 领域 ， 如 污水 处理厂 、 沼气池 、 清水混凝土 、 工业 厂房地 坪、 混凝土桩及其它大体积混凝土方面 ， 具备很好 的销 基 金项 目： 中国建筑股 份有 限公司 资助课题 ( C S C E C 一 2 0 1 4 一 Z - 3 4 ) 。 售市场 。我 国一些学者也开展了超硫酸盐水泥方面 的研究 ， 2 O世纪 9 0年代武汉理工大学周明凯 1 - 2 等 人研究 了硫酸盐激活和碱性激活原理 利用工业废 石膏 、 矿渣和少量碱性激活剂研制出路面基层专用 水泥 。目前 ， 该专用水泥在多条高速公路的建设 中 得到实践性 的使用并获得 良好的效果。 然而 ， 对超硫酸盐水泥的应用仍处于研究阶段 很多方面还很不完善。本文通过超硫酸盐水泥在大 体积混凝土 中的应用 ， 开展 了超硫酸盐水泥基本物 理力学性能的研究 ， 探究其在混凝土中应用的可行 性 。大体积混凝土体积 比较大 。 混凝 土的表面系数 比较小 ， 水泥水化 比较集 中 ， 导致 内部温度迅速增 加 ， 增加 了混凝土 内外温差 ， 当温差超过一定 限度 时 ， 混 凝 土 就会 产 生 温度 裂 缝 ， 导 致 混凝 土 开 裂 ， 从 而影响正常使用 。通过研究超硫酸盐水泥在混凝土 中 应用时的水化温升以及水化放热情况， 并与普通 硅酸盐水泥体系进行对比 ， 分析其在大体积混凝土 中应用 的优势 ， 为其在大体积混凝土 中的应用提供 依据。结合微观测试 ， 对其水化产物进行分型 进一 一 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 7期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 3 1 期 步深入揭示其水化机理。 1 原材 料与 试验 设计 1 1 原材料 复合激发剂 ：自制超硫酸盐水泥复合激发剂 ， 可充分激发矿渣粉潜在活性。 矿粉 ：亚东 $ 9 5矿粉 ，矿粉 的化学成分如表 1 所示 ， 矿粉性能指标符合 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 ( 用于 水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣 要求 。 水泥 ： 采用 P 0 4 2 5级水泥 其化学成分含量 如表 1 所示。 粉煤灰 ： 采用 I级粉煤灰 ， 其化学成分含量如 表 1 所 示 。 碎石 ： 针片状含量 3 6 ， 压碎指标 7 5 ， 含泥 量 0 5 ， 泥块含量为 0 ， 级 配合格 ， 符合 5 - 2 0 m m碎 石标准要求。 砂子： 细度模数 2 5 9 ， 含泥量 2 9 。 泥块含量为 0， 级配合格 ， 符合 级中砂标准要求 。有机物含量 少、 无碱活性。 减水剂 ： 西卡 P C 一 5减水剂。 拌合水 ： 采用符合 J G J T 6 3 - - ： 2 0 0 6 ( 混凝土用水 标准 要求 的拌和用水。 1 2 试 验 过程 按照表 2列出的试验配合 比进行试验 ， 配合 比 设 计 符合 J G J 5 5 2 0 1 1 普 通 混凝 土 配 合 比设 计 规 程 。其中主要对超硫酸盐水泥体系 ( 复合激发剂+ 矿粉 ) 以及普硅水泥体系( 普硅水泥+ 粉煤灰+ 矿粉 ) 进行对 比研 究 ， 同时对不同强度 等级 ( C 3 0和 c 5 o ) 的超硫酸盐水泥体系进行了对比研究 。 试验温度为 3 8 ， 湿度为 3 5 ， 试验过程 中首 先对 其 工作性 能进 行测 试 。 成 型 l mx l m l m 的混 凝 土块 在混凝 土的不 同部位预埋金属探头 ， 用于测 试 混 凝 土 的水 化 温 升 。同 时成 型 1 0 0 m mx 1 0 0 mm 1 0 0 mm混凝土试块 。 在标准养护条件下养护 2 4 h ， 脱 模。将脱模后的试块放置常温和标准养护两种养护 条件下养护至 3 d 、 2 8 d 、 5 6 d 、 1年龄期 ，分别测试其 抗 压 强 度 ： 用 小 锤 子 将 破 坏 后 的试 块 敲 碎 ， 选 取 试 块 中间黄豆粒大小的碎块 ，浸泡于无水 乙醇中 以 终止其水化 ， 以便 X R D和 S E M测试 。X R D测试前 。 将碎块置于 6 0 下干燥 2 3 h ， 将各龄期停止水化后 的试块用玛瑙碾钵碾磨成粉末 再将此粉末经过真 空过筛 ， 干燥后再次粉磨后进行 X R D测试。S E M测 试前 ， 将试块放在 8 0 烘箱 中干燥 2 3 h后 ， 放置于 真空镀膜机 中进行抽湿和镀金处理 ，最后再进 行 S E M测 试 。 2 试 验 结果与 讨论 2 1 超硫酸盐水泥制备大体积混凝土物理性能 表 3是三种混凝土的物理性能测试结果。三种 混凝土 配合 比的实测表观密度均未超出理论表观 密度的 2 ， 可以用作施工配合比。三种混凝土的坍 落度和扩展度都符合设计要求 ， 流动性能较好 。超 表 1 原 材料 的化 学成 分 表 3 超硫酸盐水泥制备大体积混凝土物理性能 一 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高育欣 ， 王淑 ， 吴雄 ， 等改性超硫酸盐水泥在大体积混凝土中的应用研究 硫酸盐水泥配制的低强度等级混凝土 L S S C的坍落 度和扩展度 比高强度等级的混凝土 H S S C的大 ， 流 动性能更好 说明低强度等级 的超硫酸盐水泥混凝 土易于配制 ， 工作性能较好。同一强度等级的超硫 酸盐水泥 H S S C和普通水 泥 HC E M 配制 的混凝土 对 比发现 H S S C比 HC E M的工作性 能优异。因此 ， 超硫酸盐水泥 配制的低 强度等级混凝土具有最好 的流动性能 。将 拌制后的混凝土静置 2 h再次测试 三个体系的坍落度和扩展度。发现静置 2 h后 ， 三种 混凝 土体系的流动性能都有一定的损失 ， 但是损失 率不尽相 同。三种体系 2 h流动度 的损失率基本维 持在 1 0 一 2 0 之间 。最低的为 1 1 9 ，最高 达到 2 1 5 ， 损失率不是很大 ， 说明三种体系都可以较好 地保证混凝土流动性能不损失。超硫酸盐水泥配制 的混凝土 H S S C与 L S S C之间的损失相差不大 ， 基本 上是 2 左右。而普通硅酸盐水泥体系 HC E M 配制 的损失最小 ， 坍落度损失只有 1 1 9 。 这说明虽然超 硫酸盐水泥体系有较好 的流动度 。但是 2 h的流动 度损失相较普通硅酸盐水泥体系偏大一些。 2 2 超硫酸盐水泥制备大体积混凝土力学性能 图 1为不 同养护条件下 不 同体系在不 同龄期 抗压强度的测试结果 。首先 ， 三种体系的抗压强度 都达到了设计要求。另外 ， 两种不同的养护条件对 三种体 系抗压强度 的影响不是很大 。 在标准养护条 件下 ， 严格控制温度 ， 保证混凝 土体 系水化所需要 的温度和湿度 。避免混凝土内部较多裂缝的产生 。 因此 ， 标准养护条件下 ， 三种体 系的强度 稍高于在 常温条件下养护的试块 。这说明充分的湿度和温度 同样也是保证超硫酸盐水泥强度发展的重要 因素 。 随着龄期 的增长 。三种体系的抗压强度都在增长 。 图 1给 出了三 种体系抗压强度随龄期增长 的折线 图， 发现随着龄期 的增加 ， 折线 的斜率逐渐 降低 ， 即 混凝土抗压强度的增长速率逐渐降低 因为随着水 O 5 O 1 0 o 1 5 0 2 0 o 25 0 3 0 0 3 5 0 4 o o 龄期， d 图 1 不同养护条件下不 同体系不 同龄期 的抗 压强度 泥 水 化 的深 入 水 化 产 物 增 加 ， 从 而 降 低 了水 化 的 进一步发展 ， 这符合一般 的化学反应规律【 3 】 。对 比 HS S C与 H C E M两种体系发现 ，超硫酸盐水泥体系 的强度低 于普通硅酸盐水 泥体系 ， 但是超硫酸盐水 泥体 系的后期 强度 增长速率明显高于普通硅酸盐 水泥体系。 3 6 5 d的抗压强度与普通硅酸盐水泥体系 仅仅相差了 3 - 4 MP a 。这是 因为超硫酸盐水泥体系 以矿粉为主要材料 ，而矿粉有较高的火 山灰活性 ， 其火 山灰活性会在后期发挥很大的作用 ， 提高体系 的强度4 1 。 2 3 超硫 酸盐水泥制备大体积混凝 土的早期水化 温升 采 用 钻 心 取 样 的 方 法 ，分 别 在 H S S C、 L S S C、 HC E M三种体 系中分别在 l m立方体试块 中心 A1 、 距离上边面四分之一位置 B 1以及距离下表面 四分 之一位置 C 1处预埋温度测定的金属探头 ，每隔 2 h 读取一次温度数据 ， 接近峰值时 ， 每隔 1 h读取温度 数据一次 ， 最后将所测数据取平均值 。 图 2 、 图 3 、 图 4是 L S S C、 H S S C、 H C E M 三种体 系三个试验点 的水化温升曲线 ， 从曲线 的发展趋势 可以看 出 三个体系在早期 的水化温升发展 比较类 似 ， 随着时间的推移 ， 水泥水化的深化 ， 混凝土内部 的水化温升迅速增加达到一个 峰值 ， 然后有降低的 趋势 ， 这是大体积混凝土容易产生温度裂缝的关键 阶段嘲 。图 5为三种体系测定平均值 的水化温升情 况。由图 5可知 ， 对于 C 5 0强度等级的混凝土 ， 超硫 酸盐水泥体系 的水化温升远远低于普通硅酸盐水 泥 体 系 ， HC E M 体 系 达 到 了 7 8 ， HS S C 体 系 为 5 2 5 c I = ， 峰值相差 2 5 5 o C； 升温过程相对平稳 ， 总放 热量也大大降低 。这主要是 因为相对于普硅水泥体 系而言。超硫酸盐水泥体系的水化相对 比较慢 。 从 而弱化 了整个体系的水化温升 ， 使温升 曲线趋于平 缓。因此 ， 超硫酸盐水泥体 系在大体积混凝土应用 时具有相当明显 的优势 ， 对 于防止大体积混凝土中 产生温度裂缝 的作用很大 。而对于不 同强度等级的 超硫酸 盐体 系 ，低强度 等级 L S S C比高 强度等级 H S S C的水化温升更加平稳 ， 总放热量更低 。 这是 因 为低强度等级 的超硫酸盐水泥体系 的胶凝材料含 量比较少 ， 其水化放热量和放热速率 自然会降低。 2 4 超硫酸盐水泥体系的水化产物微观形貌 由图 6中 H S S C的 2 8 d S E M 测试结果可知 ， 超 硫 酸盐水泥体系的水化产物主要有片状或者少量 纤维状的水化硅酸钙 、 短柱状或者细针棒状钙矾石 等组成 。体系 中的水化硅酸钙为片状结构 ， 呈现为 “ 鱼鳞” 片形貌 6 1 。“ 鱼鳞” 片相互交错搭接 。 每片之间 一 1 3一 蚰 加 加 加 m O B d W， 越骥趟辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m