高貝利特水泥及混凝土耐久性的研究

　　一、前言

　　高貝利特水泥（簡(jiǎn)稱HBC）是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院開發(fā)出的一種新型低熱硅酸鹽水泥。該水泥與通用硅酸鹽水泥同屬硅酸鹽水泥體系，即熟料礦物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF組成，兩者不同之處主要是高貝利特水泥是以貝利特礦物（C2S）為主，其含量在50%左右，為此賦予高貝利特水泥及混凝土具有水化熱低、最終強(qiáng)度高、耐久性好等一系列優(yōu)異性能。

　　二、試驗(yàn)用原材料

　　1. 水泥  高貝利特水泥（HBC），對(duì)比試驗(yàn)采用硅酸鹽水泥（PC）和通用硅酸鹽水泥（OPC）。

表1  試驗(yàn)用原材料的化學(xué)組成

　　2. 粉煤灰  選用內(nèi)蒙元寶山一級(jí)粉煤灰FA, 其性能指標(biāo)如下：細(xì)度為9%；燒失量為0.5%；SO3含量為0.35%；需水量比為86%。

　　3. 高效減水劑  
　?、?nbsp;FDN-Ⅱ高效減水劑，北京市化工建材廠，萘磺酸鈉甲醛縮合物；
　　⑵ BW高效減水劑，萘系；
　?、?nbsp;三聚氰胺(SM)高效減水劑。

　　4. 粗骨料  碎石，粒徑5mm~20mm。

　　5. 細(xì)骨料  河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，級(jí)配合格。

　　6. 水  自來水。

　　三、高貝利特水泥的物理性能

　　1. 常規(guī)性能

　　從表2可明顯看出，通用硅酸鹽水泥早期水化速度快，7d強(qiáng)度即能達(dá)到其28d強(qiáng)度的60～80%，而高貝利特水泥由于以貝利特礦物為主，早期水化活性相對(duì)較低，7d強(qiáng)度約為其28d強(qiáng)度的40～60%，7d以后的強(qiáng)度增進(jìn)率明顯高于通用硅酸鹽水泥，至28d齡期時(shí)強(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，3m～6m齡期時(shí)，高貝利特水泥強(qiáng)度超出硅酸鹽水泥約5～10.0MPa，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期強(qiáng)度性能。

表2  高貝利特水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　2. 水泥特性

　　2.1不同養(yǎng)護(hù)溫度下高貝利特水泥的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

　　從表3和圖1可以看出，通用硅酸鹽水泥在養(yǎng)護(hù)溫度從20℃提高到70℃時(shí)，1d強(qiáng)度增加1倍以上，3d強(qiáng)度略有增加，7d強(qiáng)度變化不大，而28d強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。而高貝利特水泥的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律則不同，各齡期強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的增加呈提高。70℃養(yǎng)護(hù)與20℃養(yǎng)護(hù)相比，高貝利特水泥3d強(qiáng)度由20.6MPa提高至54.5MPa，7d由27.9MPa提高至67.5MPa，28d強(qiáng)度也相應(yīng)提高10MPa以上；50℃養(yǎng)護(hù)與20℃養(yǎng)護(hù)相比，高貝利特水泥3d強(qiáng)度提高87.9%，7d提高96%，28d提高約20%。

　　與通用硅酸鹽水泥相比，高貝利特水泥具有更為優(yōu)越的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定性能。如在50℃養(yǎng)護(hù)條件下，高貝利特水泥3d強(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥基本相當(dāng)，28d強(qiáng)度比通用硅酸鹽水泥提高約30%；在70℃水浴養(yǎng)護(hù)下，高貝利特水泥3d強(qiáng)度比通用硅酸鹽水泥提高20～30%，28d強(qiáng)度提高約40～50%。

表3  不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的水泥強(qiáng)度(MPa)

　　2.2水化熱

　　試驗(yàn)結(jié)果見表4，高貝利特水泥在不同水化齡期的水化放熱比中熱硅酸鹽水泥（MHC） 低約15%，比PC水化熱低20～25%，是一種低熱、高強(qiáng)的高性能水泥。

表4  不同齡期的水化放熱實(shí)測(cè)值

　　2.3耐侵蝕性能

　　試驗(yàn)按GB749-65《水泥抗硫酸鹽試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從耐蝕性能看，在不同試驗(yàn)齡期、不同侵蝕介質(zhì)中，高貝利特水泥的耐蝕系數(shù)均高于通用硅酸鹽水泥，特別是高貝利特水泥的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)比硅酸鹽水泥高近一倍，這說明高貝利特水泥與通用硅酸鹽水泥相比，具有良好的耐蝕性能，尤以抗硫酸鹽侵蝕為佳。

表5  耐蝕試驗(yàn)結(jié)果(抗折強(qiáng)度MPa/耐蝕系數(shù))

　　2.4干縮性能

　　試驗(yàn)方法按GB751-81《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表6。高貝利特水泥的干縮率低于通用硅酸鹽水泥，各齡期的干縮率為通用硅酸鹽水泥的50%～70%。而且高貝利特水泥的干縮穩(wěn)定期較短，28d后的干縮率基本無變化。這表明高貝利特水泥具有優(yōu)于通用硅酸鹽水泥的抗干縮性能。

表6  水泥膠砂干縮率試驗(yàn)結(jié)果

　　2.5耐磨性能

　　耐磨性是道路水泥的重要性能指標(biāo)，《道路水泥》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以磨損量表示要求道路水泥不得大于3.60kg/m2。高貝利特水泥的耐磨試驗(yàn)按JC/T421-91《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。經(jīng)測(cè)定高貝利特水泥的磨損量?jī)H為1.33kg/m2，具有良好的耐磨性能。

　　四、高貝利特水泥混凝土的性能

　　1. 高貝利特水泥混凝土的力學(xué)性能

圖1HBC和PC28d強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的變化規(guī)律

　　圖2是C50～C80不同等級(jí)的HBC混凝土和OPC混凝土的強(qiáng)度對(duì)比，各強(qiáng)度等級(jí)下，HBC混凝土3d、7d強(qiáng)度低于OPC混凝土，但28d強(qiáng)度基本與OPC混凝土持平，90d則超過OPC混凝土近10MPa，說明HBC混凝土具有優(yōu)異的后期強(qiáng)度增進(jìn)率。

圖2不同等級(jí)的HBC混凝土和OPC混凝土各齡期的強(qiáng)度對(duì)比

　　2. 高貝利特水泥混凝土的耐久性能

　　2.1 抗凍性能

　　試驗(yàn)方法采用“水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程SD105-82”快凍法，試驗(yàn)結(jié)果見表7。HBC和OPC混凝土其相對(duì)耐久性指數(shù)DF均大于90%，重量損失率幾乎為0，且抗凍標(biāo)號(hào)遠(yuǎn)大于D300，能很好地滿足高抗凍要求。HBC混凝土的抗凍性能稍優(yōu)于OPC混凝土。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的抗凍性能還可以進(jìn)一步提高和改善。

表7  HBC和OPC混凝土的抗凍融性能

注：Pn—相對(duì)動(dòng)彈性模量；Wn—質(zhì)量損失率；“-”表示質(zhì)量增加。

　　2.2 抗?jié)B性能

　　試驗(yàn)采用頂面直徑為175mm，底面直徑為185mm，高度為150mm的圓臺(tái)體抗?jié)B試件，標(biāo)養(yǎng)28d進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)從水壓0.1MPa開始，以后每隔8小時(shí)增加水壓0.1MPa，加壓至2.8MPa并保持8小時(shí)后，試件均無透水現(xiàn)象，劈開試件測(cè)量滲透高度。試驗(yàn)結(jié)果見表8。HBC混凝土和OPC混凝土抗?jié)B等級(jí)均大于P25，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B性能。從6個(gè)試件加壓至2.8MPa并保持8小時(shí)后的平均滲水高度來看，HBC混凝土為19.1mm，而OPC混凝土為27.7mm，這說明HBC混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)于OPC混凝土。

表8  國(guó)標(biāo)抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果 

　　2.3 碳化性能

　　采用100mm×100mm×100mm的立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)，每組15塊。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至26d取出，然后在60℃溫度下烘干48h。碳化箱內(nèi)CO2濃度為（20±3）%，濕度為（70±5）%，溫度為（20±5）%。試驗(yàn)結(jié)果見表9，和OPC混凝土相比，HBC混凝土的平均碳化深度略大一些，28d平均碳化強(qiáng)度稍低一些，但兩者碳化系數(shù)都較高，均為0.96。這說明HBC和OPC混凝土均具有優(yōu)良的抗碳化性能，且兩者抗碳化性能總體上大致相當(dāng)。

表9  混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果

　　2.4 干縮性能

　　本試驗(yàn)采用100mm×100mm×515mm的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件。試件在3d齡期（從攪拌混凝土加水時(shí)算起）從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出并立即移入恒溫室（溫度20±2℃，相對(duì)濕度60±2%）測(cè)定初始長(zhǎng)度，然后測(cè)量其各齡期的變形讀數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。HBC混凝土其各齡期收縮值均明顯小于OPC混凝土，這說明HBC混凝土具有較好的體積穩(wěn)定性。

表10  HBC混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果

　　五、 結(jié)論

　　1. 與通用硅酸鹽水泥相比，高貝利特水泥具有標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量低，工作性、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，其早期強(qiáng)度(3d、7d)偏低，但28d強(qiáng)度與之相當(dāng)，后期強(qiáng)度增進(jìn)率高，3m～6m齡期時(shí)高貝利特水泥強(qiáng)度超出PC約5～10MPa，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期強(qiáng)度性能。

　　2. 隨養(yǎng)護(hù)溫度的提高，高貝利特水泥早期強(qiáng)度明顯提高，其1d強(qiáng)度提高200～500%，3d強(qiáng)度提高50～250%，7d強(qiáng)度提高50～150%，28d強(qiáng)度仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而通用硅酸鹽水泥除1d強(qiáng)度大幅度提高外，3d、7d強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，28d強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

　　3. 與通用硅酸鹽水泥相比，高貝利特水泥水化熱低，不同齡期時(shí)的水化熱比通用硅酸鹽水泥低20～25%，比中熱硅酸鹽水泥低15%左右。

　　4. 與通用硅酸鹽水泥相比，高貝利特水泥具有優(yōu)異的抗侵蝕性能，并且具有干縮小，耐磨性好等特點(diǎn)。

　　5. 和通用硅酸鹽水泥混凝土相比，HBC混凝土早期抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度偏低，但28天基本與之持平，90天則超過通用硅酸鹽水泥混凝土，表現(xiàn)出較好的后期強(qiáng)度增進(jìn)率和優(yōu)異的抗折、抗拉性能。

　　6. HBC混凝土具有良好的抗?jié)B、抗凍、抗碳化性能，且干縮較小，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性能。

參考文獻(xiàn)：
　　[1]  SUI Tongbo, GUO Suihua, LIU Kezhong, et al, Research on High Belite Cement, PartⅠ, 4th, Beijing International Symposium on Cement and Concrete, October26-29, 1998

　　[2]  SUI Tongbo, LIU Kezhong, WANG Jing, et al, Research on High Belite Cement, PartⅡ, ibid, October26-29, 1998

　　[3]  隋同波，劉克忠，王晶等，高性能新型膠凝材料——高貝利特水泥的性能研究，中國(guó)硅酸鹽學(xué)報(bào)，1999年第4期，488-492

　　[4]  SUI Tongbo, WEN Zhaijun，WANG Jing, et al, Strength and pore structure of high belite cement”，5th Shanghai International Symposium on Cement and Concrete   Shanghai Oct.2002

　　[5]  文寨軍、隋同波、范磊等，高貝利特水泥高性能混凝土力學(xué)性能的研究，《混凝土》，2002年第12期