C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究.pdf

17Vol.32No.3Jun.,2023中 国 建 材 科 技China Building Materials Science&Technology第 32 卷第 3 期2023 年 6 月DOI:10.12164/j.issn.1003-8965.2023.03.005C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究Investigation on preparation and properties of C45 ferroaluminate cement concrete池闯正1，杨行建2，李长成3*，刘立3，王敬宇3（1.中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300；2.华北电力大学，北京 102206；3.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024）CHI Chuangzheng1,YANG Xingjian2,LI Changcheng3*,LIU Li3,WANG Jingyu3(1.CNNP Guodian Zhangzhou Engery Co.,Ltd.,Zhangzhou 363300;2.North China Electric Power University,Beijing 102206;3.China Building Materials Academy Co.,Ltd.,Beijing 100024)摘要：针对铁铝酸盐水泥快硬、低收缩与高耐蚀特性，结合结构工程对铁铝酸盐水泥混凝土的需求，采用缓凝型聚羧酸减水剂制备C45铁铝酸盐水泥混凝土，并探索其力学性能与耐久性能。结果表明，C45铁铝酸盐水泥混凝土拌合物性能良好，出机坍落度215mm，90min损失仅为10mm，凝结时间可保证施工。28d抗压强度达到C50强度等级，84d电通量低至169C，28d开裂指数35%，耐久性能优于普通硅酸盐水泥混凝土。关键词：铁铝酸盐水泥混凝土；缓凝型聚羧酸减水剂；绝热温升；电通量；开裂指数Abstract:Aiming at the characteristics of rapid hardening,low shrinkage and high corrosion resistance of ferroaluminate cement,combined with the demand of structural engineering for ferroaluminate cement concrete,C45 ferroaluminate cement concrete is prepared by using set-retarding polycarboxylate superplasticizer,and its mechanical properties and durability are explored.The results show that the performance of C45 ferroaluminate cement concrete mixture is good,the slump is 215mm,the slump loss of 90min is only 10mm,and the setting time can ensure the construction.The 28-day compressive strength reaches C50 strength grade,the 84-day electric flux is as low as 169C,the 28-day cracking index is 35%,and the durability is better than that of ordinary Portland cement concrete.Key words:ferroaluminate cement concrete;set-retarding polycarboxylate superplasticizer;adiabatic temperature rise;electric flux;crack index中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1003-8965（2023）03-0017-050 前言铁铝酸盐水泥（FAC）由中国建筑材料科学研究总院于20世纪80年代开发，是我国具有独立自主知识产权的“第三系列水泥”1，是水泥品种发展的一次重大创新。铁铝酸盐水泥由矾土、石膏和石灰石高温煅烧制得，主要矿物组成为硫铝酸钙（43C A S）、硅酸二钙（C2S）和铁相固溶体（C4AF-C6AF2）2-3。与传统硅酸盐水泥相比，铁铝酸盐水泥具有快硬、早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀、耐磨、体积稳定等特点4-5，已应用于福建东山岛海堤、南极考察站等需要特殊性能胶凝材料领域6-7。但是结构工程上铁铝酸盐水泥混凝土的规模化应用却鲜有报道，一方面，铁铝酸盐水泥混凝土由于水化迅速、水化放热集中导致温度开裂风险较大8，另一方面，铁铝酸盐水泥混凝土施工性能、力学性能与耐久性能尚缺乏系统研究。本文针对上述问题，以硅酸盐水泥混凝土为参比样，采用铁铝酸盐水泥专用缓凝型聚羧酸减水剂制备C45混凝土，系统研究拌合物性能、硬化混凝土的抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、绝热温升、干缩、电通量与开裂指数等，为工程化应用提供参数与设计依据。1 试验1.1 原材料铁铝酸盐水泥，广西云燕特种水泥建材有限公司生产的42.5级铁铝酸盐水泥，比表面积356m2/kg，化学组成与物理性能分别见表1、表2。普通硅酸盐水泥（OPC），唐山冀东水泥股份有限公司生产的P O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积380m2/kg，化学组成与物理性能分别见表1、表2。表1 水泥化学组成/%Tab.1 Chemical composition of cement/%水泥SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3铁铝酸盐水泥9.5624.4811.0543.061.797.70硅酸盐水泥22.757.123.5660.152.301.80基金项目：国家重大专项（2021TLSF001）第一作者：池闯正（1972-），高级工程师，主要从事工程建设管理工作。通讯作者：李长成，教授级高工。18水泥与混凝土C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究粉煤灰，F类II级灰，45m方孔筛筛余15.5%，需水量比101%，烧失量5.0%，强度活性指数78%。砂，河砂，中砂，细度模数2.5，含泥量0.8%。石，石灰岩碎石，525mm连续级配。减水剂，普通硅酸盐水泥用聚羧酸减水剂（简称减水剂1#），铁铝酸盐水泥专用缓凝型聚羧酸减水剂（简称减水剂2#）。水，自来水。1.2 试验方法1.2.1 混凝土配合比混凝土坍落度设计（20030）mm，1.5h坍落度损失控制小于30mm，含气量控制在3.0%左右。普通硅酸盐水泥与铁铝酸盐水泥C45混凝土配合比见表3。表3 混凝土配合比/（kg/m3）Tab.3 Concrete mix proportion/(kg/m3)编号硅酸盐水泥铁铝酸盐水泥粉煤灰砂石水减水剂 1#减水剂 2#1339/8471510721653.55/2/339847151072165/5.081.2.2 试验方法1）混凝土拌合物含气量、坍落度、扩展度、坍落度经时损失、凝结时间、绝热温升按GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准 测试。2）混凝土抗压强度、弹性模量、劈裂抗压强度按GB/T 50081-2019混凝土物理性能试验方法标准 测试。4）混凝土电通量按GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 测试。5）混凝土开裂性能及干燥收缩应力按GB/T 29417-2012水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法 测试。2 结果与分析2.1 混凝土拌合物性能铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土拌合物性能见表4。表4 混凝土拌合性能 Tab.4 Performance of fresh concrete编号 含气量/%坍落度/扩展度/mm凝结时间/h初始1.5h初凝终凝13.9225/635220/6005:1512:3522.8215/650205/5605:0611:15由表4可以看出，铁铝酸盐水泥与硅酸盐水泥混凝土的初始状态相当，坍落度为215225mm、扩展度在635650mm，1.5h坍落度损失仅为10mm，表明这两种混凝土均有较好的流动性与填充性。但与硅酸盐水泥相比，铁铝酸盐水泥混凝土的扩展度损失略大，达到90mm，这与铁铝酸盐水泥快凝快硬特性吻合。硅酸盐水泥与铁铝酸盐水泥混凝土的含气量分别为2.8%和3.9%，均在设计范围内。此外，在铁铝酸盐水泥专用缓凝型外加剂的调节作用下，铁铝酸盐水泥混凝土的初凝时间与普通硅酸盐水泥混凝土无明显差别，终凝时间较普通硅酸盐水泥混凝土提前1h20min。因此，从含气量、坍落度及经时损失、凝结时间结果来看，铁铝酸盐水泥混凝土拌合物满足结构工程混凝土施工要求。2.2 抗压强度铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土的抗压强度测试结果见图1。0102030405060708090203040506070龄期/d抗压强度/MPa 硅酸盐水泥混凝土 铁铝酸盐水泥混凝土图1 混凝土抗压强度 Fig.1 Compressive strength of concrete由图1可知，铁铝酸盐水泥混凝土早期强度增长迅速，1d、3d与7d分别达到27.4MPa、49.8MPa与56.1MPa，其3d强度与硅酸盐水泥混凝土7d强度相当。随着龄期的增长，铁铝酸盐水泥混凝土强度增长减缓，硅酸盐水泥混凝土强度增长加大，28d抗压强度分别为58.8MPa与60.5MPa。按照JGJ 55-2011普通混凝土配合比设计规程，混凝土设计强度等级达到C50。2890d时，铁铝酸盐水泥混凝土与硅酸盐水泥混凝土强度均随龄期增长而增长，未出现倒缩现象。28d后硅酸盐水泥混凝土强度反超铁铝酸盐水泥混凝土。混凝土强度增长趋势与水泥水化产物有关，铁铝酸盐水泥混凝土早期生成大量钙矾石9，从而赋予其早强快硬特性，短期内可达到设计强度，有助于加快结构建筑速度。与铁铝酸盐水泥混凝土相比，普通硅酸盐水泥混凝土表2 水泥物理性能 Tab.2 Physical properties of cement水泥凝结时间/min安定性抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝1d3d28d1d3d28d铁铝酸盐水泥63104合格7.07.68.750.755.468.8硅酸盐水泥125195合格/6.39.2/28.552.819水泥与混凝土C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究生成的可激发粉煤灰活性SiO2、Al2O3的Ca（OH）2更多，形成的二次水化硅酸钙10更多，可进一步填充基体的孔隙，增加密实性，提高混凝土强度。因此，在相同水胶比条件下，硅酸盐水泥混凝土后期抗压强度增长优于铁铝酸盐水泥混凝土。2.3 劈裂抗拉强度铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土的劈裂抗拉强度测试结果见图2。图2 混凝土劈裂抗拉强度 Fig.2 Split tensile strength of concrete由图2可知，铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土的劈裂抗拉强度同样持续增长，未出现倒缩现象。铁铝酸盐水泥混凝土劈裂抗拉强度同样增长迅速，3d强度达到3.9MPa，7d强度4.3MPa，较硅酸盐水泥混凝土分别提高了18%与16%。与抗压强度演变规律一样，铁铝酸盐水泥混凝土后期劈裂抗拉强度增长幅度较小，普通硅酸盐水泥混凝土28d、60d劈裂抗拉强度反超铁铝酸盐混凝土，分别高出0.1MPa与0.6MPa。2.4 弹性模量铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土的弹性模量测试结果见图3。0510152025303.03.54.04.55.0弹性模量/(104MPa)龄期/d 硅酸盐水泥混凝土 铁铝酸盐水泥混凝土图3 混凝土弹性模量 Fig.3 Elastic modulus of concrete材料在弹性变形阶段应力和应变成正比例关系，该比例系数称为弹性模量。它反映了材料产生弹性变形难易程度，该值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大11。由图3可知，铁铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥混凝土弹性模量随着时间延长而增长，且铁铝酸盐水泥混凝土各龄期弹性模量均高于硅酸盐水泥混凝土，28d弹性模量分别为4.46104MPa、3.97104MPa。这是由二种混凝土的水化产物特性所决定的，铁铝酸盐水泥混凝土水化产物以钙矾石为主、C-S-H凝胶为辅，整体表现为刚性较大，产生弹性变形所需应力也就较大。而硅酸盐水泥混凝土水化产物以C-S-H凝胶、氢氧化钙为主，钙矾石较少，相对而言刚性偏低，弹性模量自然低于铁铝酸盐水泥混凝土。2.5 绝热温升铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土绝热温升测试结果见图4。020406080100120203040506070时间/h温度/C 铁铝酸盐水泥混凝土 硅酸盐水泥混凝土中心温度66.52C68.00Ca)Center maximum temperature0204060801001200102030405040.28C绝热温升时间/h温度/C 铁铝酸盐水泥混凝土 硅酸盐水泥混凝土43.75Cb)Adiabatic temperature rise图4 混凝土绝热温升 Fig.4 Adiabatic temperature rise of concrete由图4可知，铁铝酸盐水泥混凝土水化温升迅速，19h中心最高温度达到63.55，绝热温升为37.31。硅酸盐水泥混凝土水化温升较缓，19h中心最高温度仅为49.87，绝热温升为25.62，较铁铝酸盐水泥混凝土低了11.69，且其绝热温升达到37.31需时33h，推迟了14h。随着水化过20水泥与混凝土C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究程的进行，铁铝酸盐水泥混凝土水化温升增长变缓，硅酸盐水泥混凝土水化温升增长变大，后期硅酸盐水泥混凝土绝热温升与中心最高温度反超铁铝酸盐水泥混凝土，绝热温升分别为43.75与40.28。结果说明，铁铝酸盐水泥混凝土早期温升速率高于硅酸盐水泥，但从最终放热来看，铁铝酸盐水泥混凝土低于硅酸盐水泥混凝土。绝热温升演变规律与混凝土力学性能随龄期发展差距逐渐缩小规律一致，也间接印证了铁铝酸盐水泥混凝土1d强度显著高于硅酸盐水泥混凝土的特征。2.6 干燥收缩应力铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土收缩应力测试结果见图5。01020304050600.51.01.52.02.5干缩应力/MPa龄期/d 硅酸盐水泥混凝土 铁铝酸盐水泥混凝土2.261.552.341.85(a)Drying shrinkage stress59.152.748.447.149.75460.768.772.379.10102030405060708090100603528211411753干缩应力比值/%龄期/d1(b)Drying shrinkage stress ratio of ferroaluminate cement/Portland cement concrete图5 混凝土干燥收缩应力 Fig.5 Drying shrinkage stress of concrete由图5(a)可以看出，两种混凝土收缩应力随着龄期增长而增长，但铁铝酸盐水泥混凝土各龄期的收缩应力均低于普通硅酸盐水泥混凝土。与力学性能、绝热温升演变规律相反，早期硅酸盐水泥混凝土干缩应收增长速率大，从21d开始增长变缓，2860d趋于稳定，干缩应力由2.26MPa增长至2.34MPa。铁铝酸盐水泥混凝土干缩应力增长速率较小，2860d继续增长，干缩应力由1.55MPa增长至1.85MPa，增长了20%。由图5(b)可以看出，铁铝酸盐水泥与硅酸盐水泥混凝土干缩应力比值呈先降低后增长趋势，7d达到最低值47.1%，60d达到79.1%。结果表明，与硅酸盐水泥相比，铁铝酸盐水泥混凝土具有良好的抗收缩性能。硫铝酸盐类混凝土膨胀剂的主要膨胀源是钙矾石12，而钙矾石是铁铝酸盐水泥混凝土的主要水化产物，其减少了铁铝酸盐水泥混凝土基体的干燥收缩，从而赋予铁铝酸盐水泥混凝土低收缩特性。2.7 混凝土开裂指数铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土开裂指数测试结果见图6。30394913163501020304050287开裂指数/%龄期/d 硅酸盐水泥混凝土 铁铝酸盐水泥混凝土3图6 混凝土开裂指数 Fig.6 Crack index of concrete由图6可知，铁铝酸盐水泥混凝土各龄期的开裂指数均于低于硅酸盐水泥混凝土，只是随着龄期的发展，二者的差距逐渐缩小。铁铝酸盐水泥混凝土早期37d开裂指数低于20%，28d开裂指数增长至35%，依据RISN-TG002-2006补偿收缩混凝土应用技术导则 规定，属于低开裂风险。硅酸盐水泥混凝土28d开裂指数达到49%，属于中等开裂风险。开裂风险试验结果与劈裂抗拉强度、干缩应力演变规律吻合，与硅酸盐水泥相比，铁铝酸盐水泥混凝土早期劈裂抗拉强度较高、干缩应力较低，导致开裂风险较低；随着龄期增长，劈裂抗裂强度增长变缓，干缩应力增长逐渐增大，开裂风险增大。抗开裂是保证混凝土耐久性的前提，一旦开裂，外界水分、有害侵蚀介质会由裂缝进入混凝土内部，诱发各种腐蚀破坏。因此，铁铝酸盐水泥较好的抗开裂能力赋予其在耐侵蚀方面的优势。2.8 电通量铁铝酸盐水泥、硅酸盐水泥混凝土电通量测试结果见图7。与氯离子扩散系数一样，电通量是表征混凝土密实度与抗渗性的重要指标。由图7可以看出，铁铝酸盐水泥混凝土的电通量明显低于普通硅酸盐水泥混凝土。360d硅酸盐水泥混凝土电通量高达3660C，而铁铝酸盐水泥混凝土电通量仅为229C。随着龄期增长，水化持续进行，水化产物不断填充密实混凝土，电通量降低。28d二者电通量分21水泥与混凝土C45铁铝酸盐水泥混凝土制备与性能研究别降至1495C与201C，按ASTM C1202-2012划分，二者基于电通量的氯离子渗透性评价为“低”与“很低”。5684d硅酸盐水泥混凝土电通量降至1000C以下，氯离子渗透性达到“很低”水平。铁铝酸盐水泥混凝土电通量降至200C以下，渗透性依然低于硅酸盐水泥。结果表明，铁铝酸盐水泥混凝土相较于硅酸盐水泥混凝土具有良好的抗侵蚀性13。3 结论1）采用缓凝型专用聚羧酸减水剂制备了C45铁铝酸盐水泥混凝土，拌合物性能良好，出机坍落度215mm，90min损失仅为10mm，凝结时间可保证施工，28d抗压强度达到C50强度等级。2）与硅酸盐水泥相比，铁铝酸盐水泥混凝土早期3d强度、水化速率增长较快，随着龄期增长增速变缓，28d抗压强度、28d劈裂抗拉强度以及绝热温升反而低于硅酸盐水泥混凝土。3）铁铝酸盐水泥混凝土各龄期的干缩应力、开裂指数与电通量均低于硅酸盐水泥混凝土。铁铝酸盐水泥混凝土早期生成大量水化产物钙矾石，相当于在基体内部引入大量膨胀源，抵消水泥水化、干燥引起的收缩，从而赋予铁铝酸盐水泥混凝土优异的低收缩、抗开裂与高耐久特性。参考文献1王燕谋,苏慕珍.第三系列水泥-硫(铁)铝酸盐水泥系列介绍J.混凝土,1994(01):21-25.2汪智勇,吴升国,齐冬有,等铁相对铁铝酸盐水泥熟料形成影响J/OL.硅酸盐通报,https:/doi.org/10.16552/ki.issn1001-1625.20230324.002.3卢 晓 磊,张 响,郑 国 法,等.含 游 离 石 膏 高 铁 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