【技术】水泥品种对水泥胶砂性能的影响研究
水泥品种对水泥胶砂性能的影响研究
郭旭 李晶艳
云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明 650000
摘要：为了抗裂水泥对水泥胶砂性能的性能，本文主要围绕胶砂的和易性、各龄期的抗压、抗折强度、收缩和抗裂性能来评价抗裂水泥和普通水泥之间的区别。试验结果：抗裂水泥与普通水泥相比，与减水剂的相容性更好；具有较低的开裂敏感性；抗裂水泥在胶砂中的抗裂性能更好，首次出现裂缝的时间更慢，裂缝最大宽度更小。
关键词：水泥胶砂；抗裂水泥；强度；收缩性；抗裂性
对于现代混凝土来说，大量使用矿物掺合料是客观现状和发展趋势，尽管水泥在混凝土中用量趋于降低，但仍旧对混凝土和易性、强度以及各项性能起到不可替代的重要作用，水泥依旧在现代混凝土中扮演着重要角色，仍然是现代混凝土的“重要基因”。目前水泥存在着细度过细、早期强度高和水化放热量偏大、混合材料品种和含量混乱、熟料中C3A 含量偏高、碱度偏高等问题。抗裂水泥通过控制细度和改变矿物组成达到对现代混凝土体积稳定性的优化，减少开裂现象的发生，对混凝土结构耐久性有很大帮助，进而解决水泥在实际应用中存在的问题。本文选择普通水泥与抗裂水泥，对比研究其对水泥胶砂的强度、收缩性能和抗裂性能的影响，为工程施工提高参考。
1 试验原材料
1.1水泥
根据试验和大量经验确定胶砂的水胶比采用0.43，选用三种配合比，为比较不同掺合料对胶砂强度的影响，选择P·O 42.5的普通硅酸盐水泥(记作PO)和抗裂水泥(记作KL)，两种水泥的化学成分见表1所示，其他相关性能指标见表2。
表1 水泥的化学成分
|
材料 |
Na2O |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
SO3 |
K2O |
CaO |
Fe2O3 |
烧失量 |
|
抗裂水泥 |
0.23 |
4.16 |
4.68 |
20.67 |
2.54 |
0.65 |
61.61 |
4.91 |
3.94 |
|
普通水泥 |
0.44 |
3.78 |
7.90 |
21.05 |
3.53 |
0.85 |
58.51 |
2.97 |
1.77 |
表2 水泥的技术指标
|
品种 |
标准稠度用水/% |
密度/（g/cm3） |
比表面积/（m2/kg） |
凝结时间/min |
抗折强度/Mpa |
抗压强度/Mp |
|||||
|
初凝 |
终凝 |
3d |
28d |
60d |
3d |
28d |
60d |
||||
|
PO |
26.9 |
2.94 |
315 |
160 |
245 |
5.2 |
9.0 |
8.8 |
25.4 |
50.2 |
55.2 |
|
KL |
26.7 |
3.17 |
287 |
260 |
295 |
4.7 |
9.0 |
9.0 |
22.5 |
47.1 |
52.4 |
1.2 粉煤灰
粉煤灰已经成为了现代混凝土中必不可少的一种掺合料，粉煤灰的三大效应，即活性效应、形态效应、微集料填充效应使得粉煤灰能在水泥基材料中发生二次水化、节省单位用水量、填充浆体中的空隙，配制更加密实的混凝土。本文采用的粉煤灰的技术性能见表3所示，由表 3可知，该粉煤灰符合Ⅰ级粉煤灰的要求。
表3 粉煤灰的基本性能
|
密度/（g/cm3） |
需水量/% |
28d活性指数/% |
烧失量/% |
|
2.24 |
91 |
80 |
3.1 |
1.3 高炉矿渣粉
高炉矿渣是高炉炼铁得到的熔融物，能显著改善混凝土的工作性能，也能使混凝土的抗压强度有一定的保证，使混凝土后期强度更高，其主要技术指标见表3。
表4 高炉矿渣的基本性能
|
密度/（g/cm3） |
流动度比/% |
28d活性指数/% |
|
2.87 |
91 |
80 |
由表4可知，该高炉矿渣属于S95高炉矿渣。
2 抗裂水泥对水泥胶砂性能的影响
2.1 抗裂水泥对水泥胶砂强度的影响
（1）抗折强度
水泥胶砂的水胶比设定为0.43，PO代表普通水泥组，KL代表抗裂水泥组；一组配合比 PO1组和KL1组胶砂中胶凝材料只有水泥；二组配合比即PO2组和KL2组中胶凝材料由55%的水泥、30%粉煤灰和15%矿渣组成；三组配合比即PO3组和KL3组中胶凝材料由70%的水泥和30%粉煤灰组成，胶砂中其他组分完全一致。胶砂试验的各组配合比以及对应的扩展度见表5。
表5 胶砂强度试验配合比
|
编号 |
水泥/g |
粉煤灰/g |
矿渣/g |
标准砂/g |
水/g |
水胶比 |
减水剂/g |
扩展度/mm |
|
PO1 |
450.0 |
0.0 |
0.0 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
2.0 |
185 |
|
PO2 |
247.5 |
135.0 |
67.5 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
1.0 |
200 |
|
PO3 |
315.0 |
135.0 |
0.0 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
1.0 |
180 |
|
KL1 |
450.0 |
0.0 |
0.0 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
2.0 |
195 |
|
KL2 |
247.5 |
135.0 |
67.5 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
1.0 |
210 |
|
KL3 |
315.0 |
135.0 |
0.0 |
1350 |
193.5 |
0.43 |
1.0 |
200 |
不同配比下的普通水泥胶砂抗折强度见图1所示，不同配比下的抗裂水泥胶砂抗折强度见图 2所示。
图1 普通水泥胶砂抗折强度
图2抗裂水泥胶砂抗折强度
图 1和图2 可知，普通水泥胶砂的抗折强度中，PO1 组的配比的抗折强度最高，这是因为胶凝材料组成全部是水泥，早期强度明显高于另外两组，PO2 组和PO3 组由于掺入矿物掺合料，早期抗折强度较低，28d 龄期时与纯水泥的 PO1 组较为接近，相差不大，这是因为矿物掺合料在后期发生二次水化，内部结构更加密实，使强度逐步增高，且PO2 组抗折强度在 28d 龄期超过了PO3 组。抗裂水泥组强度发展规律与普通水泥组基本一致，二、三组配比抗折强度较接近，且均低于 KL1 组。
在普通水泥和抗裂水泥制备的胶砂抗折强度横向对比中，抗裂水泥的抗折强度在各龄期均不同程度地低于普通水泥，这是因为抗裂水泥细度较普通水泥更粗，水化进程较慢，各龄期抗折强度均较低，但可以看出，在28d龄期时，抗裂水泥的抗折强度逐渐接近普通水泥的抗折强度，由于普通水泥早期尤其是3d 强度较高，导致后期强度发展较缓慢。
（2）抗压强度
不同配比下的普通水泥胶砂抗压强度见图3，不同配比下的抗裂水泥胶砂抗压强度见图。
由图3、图4可知，普通水泥组胶砂早期呈现较高的抗压强度，3d 龄期纯水泥的一组配比中抗压强度超过了30MPa，双掺组胶砂抗压强度早期最低，但在28d 龄期能超过单掺的PO3 组，强度增长趋势较好；28d 龄期时，二、三组配比胶砂抗压强度与PO1组差别不大，抗压强度基本相同。抗裂水泥抗压强度与普通水泥基本相同，与抗折强度的对比也有相同的强度增长趋势。可以看出，双掺组抗压强度由早期较低发展到28d 龄期时已经在普通水泥组反超，双掺组与单掺组相差不大，但可以更节省水泥用量。
横向对比三组配合比下两种水泥的抗压强度，抗裂水泥的胶砂抗压强度均低于普通水泥。分析可能是因为抗裂水泥中水化速率较慢，放热也不高，早期水化进程较普通水泥而言不完整，导致在第一组配比中即纯水泥的胶凝材料组成的情况下，抗压强度虽高于另外两组，但是抗裂水泥强度依然较低，普通水泥则过高。在掺合料的加入后，28d 龄期用于二次水化的氢氧化钙不足，抗裂水泥胶砂中表现为强度依然发展缓慢，在掺有接近50%矿物掺合料的二组抗压强度最低，有必要进一步观察长龄期的强度发展规律，从目前来看，抗裂水泥胶砂的抗压强度发展较为缓慢，普通水泥胶砂抗压强度增长过快。
2.2抗裂水泥对水泥胶砂收缩性能的影响
胶砂收缩试验与强度试验所用配合比相同，胶砂收缩试验采用的三组胶凝材料体系组成和水胶比与胶砂强度试验相同。制备收缩试验用胶砂，先将与千分表相连接的预埋件放入模具的孔位中，将搅拌好的胶砂倒入到试验模具中，放入标准养护室中带模养护3d 后取出拆模，并将胶砂试件安装到收缩支架上，放入收缩室中观察并记录数据，不同两期下各试件的收缩率如图5和图6所示。
由图5和图6可知，两种水泥胶砂均在双掺的第二组配比中收缩最小，既能控制早期水化进程，又可以使胶砂更密实，颗粒分布更加合理，所以收缩控制的较好。对于普通水泥中单掺粉煤灰组胶砂收缩较大的原因，可能是因为粉煤灰需要更低的水胶比下才能发挥出其特性，控制水化热和收缩，本次收缩试验的水胶比偏高，使早期单掺粉煤灰组胶砂强度较低，内部结构不密实，这种不够致密的胶砂在干燥条件下会更容易失去表面以及毛细孔中的水，发生干燥收缩。而抗裂水泥在早期养护3d 龄期的情况下，以干燥收缩为主要收缩，但也会存在一部分自收缩，此部分要低于普通水泥组，所以收缩率整体低于普通水泥组。
2.3抗裂水泥对水泥胶砂抗裂性能的影响
为使胶砂的强度试验、收缩试验与抗裂试验能对比参考，故本试验采用的三组胶凝材料体系和水胶比与胶砂强度试验、收缩试验相同。胶砂抗裂试验将新拌的胶砂装入胶砂专用抗裂模具中，1d 龄期后拆掉四周的挡板，各组模具和试块放在同一环境下，每隔1d 观察四周和表面的开裂情况,记录的数据见表6所示。
|
组别 |
首条裂缝出现时间/d |
最大裂缝宽度/mm |
裂缝总数量 |
|
PO1 |
27 |
0.20 |
1 |
|
PO2 |
29 |
0.15 |
1 |
|
PO3 |
30 |
0.20 |
1 |
|
KL1 |
30 |
0.10 |
1 |
|
KL2 |
30 |
0.05 |
1 |
|
KL3 |
32 |
0.10 |
1 |
由表6可知，在每组抗裂试验中，抗裂水泥配制的胶砂抗裂性均比普通水泥更好，裂缝宽度低于普通水泥组。在胶砂抗裂试验中，由于有骨料的存在，使得开裂现象没有净浆抗裂试验明显，裂缝总数量也均只有一条。总的来看，各个组别中，抗裂水泥的首次开裂时间均比普通水泥更久，裂缝宽度小，在相同配比的胶砂中抗裂水泥能够在一定程度上抑制裂缝的出现，抗裂性能较普通水泥更加优异。
3 小结
（1）28d 龄期内，抗裂水泥的抗折、抗压强度均低于普通水泥，抗裂水泥强度增长速率较慢。各龄期强度发展趋势上，纯水泥组二者相比，抗裂水泥呈现不断上升的趋势，普通水泥强度增长趋势趋于降低；其他强度发展趋势基本一致。
（2）矿物掺合料的加入会降低胶砂的抗压强度，双掺组强度降低最多，单掺粉煤灰组次之，且在28d龄期抗压强度有接近的趋势。
（3）单掺粉煤灰组胶砂干燥收缩在56d 龄期内均最大，抗裂水泥胶砂收缩率低于普通水泥，且随细度更细，普通水泥收缩更高。双掺粉煤灰和矿渣组胶砂收缩相对较低，可以在混凝土试验中采用此种胶凝材料体系组成。
（4）胶砂抗裂试验中，抗裂水泥抗裂性能优于普通水泥，裂缝宽度也是抗裂水泥的
更细小，抗裂水泥组首次出现裂缝时间要晚于普通水泥，产生延缓开裂的效果。
参考文献：
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[3] 李林香,谢永江,冯仲伟,等.混凝土的收缩及防裂措施概述[J].混凝土,2011(04):113-117.
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