水灰比对硫铝酸盐水泥砂浆力学及收缩性能的影响

李 馨，黄 乐，姚传勤

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

硫铝酸盐水泥(SAC)主要由硅酸二钙和无水硫铝酸钙两种矿物组成[1]，具有快硬早强、优良的抗渗和抗冻性能，以及煅烧温度低和CO2排放少等优点[2]。与普通硅酸盐水泥相比，SAC是一种绿色水泥基替代材料，符合当前国家环保需求。然而，硫铝酸盐水泥基材料尚存在一些问题，包括凝结快速，碱度低，后期强度倒缩[3]和早期收缩开裂问题[4]。

郭俊萍等[5]研究证实低碱度硫铝酸盐水泥的干缩主要是由毛细孔和AFt共同失水引起的,且AFt的形成数量决定其干缩率大小。结果显示：同一石灰石掺量下，当CaSO4/3CaO·3Al2O3·CaSO4比值改变时，56d干缩率最小为5.3×10-4，最大可达8.2×10-4。马保国等[6]研究证实加入矿物掺合料后，有效地调节了胶凝体系的孔结构，从而有效抑制了硫铝酸盐水泥试块的干缩。结果显示：对照组35d干缩率近似为0.03%，加入矿物掺合料后，35d干缩率最小近似为0.02%。侯文萍等[7]研究发现烧石膏和明矾石掺入硫铝酸盐水泥中会促进钙矾石的形成，产生体积收缩。结果显示：当烧石膏掺量改变时，水泥28d收缩率最小为5.8×10-4，最大可达17.8×10-4。Wojciech Piasta等[8]研究了以水灰比为变量，对高性能混凝土的收缩应变、抗压强度和吸水性能进行了高精度的估算。Sun Keke等[9]制备了3种不同浆料厚度的含骨料硫铝酸盐水泥混凝土混合物，水胶比分别为0.25、0.30、0.35。试验结果表明，浆料厚度对涂层骨料的力学性能和耐久性有显著影响。

为进一步研究SAC基材料收缩特性，本文以水灰比为变量，研究不同水灰比条件下SAC砂浆物理性质、自收缩、干缩以及抗压强度的发展。

1 试验部分

1.1 试验材料

硫铝酸盐水泥：河南登电集团水泥有限公司所制造的R·SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥，化学成分如表1所示。

表1 硫铝酸盐水泥化学成分(%)

细骨料：淮河河砂，细度模数为2.6，粒径<5mm。

水：城市自来水。

水泥砂浆100g配比如表2所示。

表2 水泥砂浆100g配比

1.2 试块的物理性质

根据ASTM C20[10]，每个试块养护28d后的物理性质，包括试块的孔隙率、吸水率、真密度，每组测量三个，结果取其平均值。具体测试步骤如下：

(1)测干重量A，悬挂重量B，饱和重量C

将试块在105℃烘箱中干燥至其恒重，测其干重量，记为A；将干燥后的样品煮沸2h后通过细线将试块悬浮于水中，即悬挂重量为B；最后将试块表面擦干测量其饱和重量C。

(2)计算方法：

1)孔隙率

S=(C-A)/(C-B)×100%

2)吸水率

X=(C-A)/A×100%

3)真密度

Z=A/(A-B)×100%

1.3 抗压强度

根据ASTM C348[11]，制备50mm×50mm×50mm立方体试块。在温度为23℃，相对湿度>95%条件下养护至3d，7d，28d。在指定龄期，测其抗压强度，其中4个试块为一组，结果取其平均值。

1.4 自收缩

根据ASTM C1698[12]，采用波纹管法测试砂浆的自收缩。待其终凝时测其首次长度与质量，规范养护并测试至7d，3个试件为一组，结果取其平均值。

自收缩应变值公式为：

β1=(YT-Y0)/Y0×106

(1)

其中Yt为测量时刻试件长度值，Y0为终凝时刻试件长度值。

1.5 干燥收缩

根据ASTM C596[13]，制作尺寸为40mm×40mm×280mm的干缩试件。规范养护并测试至28d，3个试样为一组，结果取其平均值。

干缩应变值公式为：

β2=(KT-K0)/K0×106

(2)

其中Kt为测量时刻试件长度值，K0为首次测试时试件长度值。

质量损失率应变值公式为：

β3=(PT-P0)/M0×104

(3)

其中Pt为测量时刻试件质量值，P0为首次测试时试件质量值。

2 结果和分析

2.1 物理性质

表3 28d试块物理性质

由表3可知，随着水灰比的增大，试块的孔隙率不断增加。例如，以WC35为基准，WC40，WC45，WC50的孔隙率分别增长了6.74%，28.18%，39.02%。这是因为水灰比越大时，试块中反应残留的水分越多，密实性越差，孔隙率也就越高。同时，水灰比越大试样的吸水率也就越高，其中WC35吸水率为10.46%，而WC50吸水率增大到了14.25%，增幅为36.23%。这是因为试块的孔隙率越大，试块中的自由水越多，吸水率也就越大。试块的真密度同样随着水灰比的增大而增加，以WC35为基准，WC40，WC45，WC50的真密度分别增长了3.39%，7.72%，11.16%。

2.2 抗压强度

图1 各配合比3d，7d，28d抗压强度Fig.1 Compressive Strength of each mix ratio 3d, 7d, 28d

图1为四种配合比3d、7d和28d抗压强度数据。可以看出，水灰比越大，砂浆抗压强度越低。WC35组28d抗压强度最大，达到44.02MP；WC50组28d抗压强度最小，仅为22.25MP。28d龄期时，以WC50组为基准，WC45，WC40，WC35抗压强度依次增大32.67%，58.25%，97.84%。这一现象主要因为水灰比较大，水分较多，导致砂浆孔隙率高，试块截面有效传递应力面积较小，因而抗压强度较小。

由图1可知，不同水灰比砂浆3d抗压强度与7d抗压强度相近，并可达到28d抗压强度的80%以上，例如：当水灰比为0.35，0.40，0.50的条件下，7d抗压强度相对于3d分别略微提高了4.30%，0.53%，9.31%。当水灰比为0.45时，抗压强度略微降低，仅降低了2.21%。同时当水灰比为0.35，0.40，0.45，0.50时，3d抗压强度分别是其28d抗压强度的86.12%，86.23%，87.47%，89.80%。这是硫铝酸盐水泥快硬早强的典型表现。

2.3 自收缩

减小水灰比，提高胶凝材料含量是有效提高水泥基材料的途径，然而，在提高强度的同时，往往会引起收缩增大的负面效应。图2给出了水灰比对砂浆自收缩的影响曲线。

图2 各配合比7d自收缩Fig.2 Self-shrinkage of each mix ratio 7d

由图2可知，WC35组的收缩量最为显著，达到141.3×10-6，WC50组的收缩量最小，仅为83.3×10-6。以WC50组为基准，WC45，WC40，WC35三组总自收缩依次增大35.29%，59.06%，69.63%。自收缩主要是在保持恒温和与外界无物质交换的条件下，因水泥持续水化，水分损失，在毛细管应力作用下导致的变形。水灰比越小,砂浆内部的可用自由水含量越少，水泥水化引起的内部相对湿度下降越多，同时孔隙的细化程度也越高，毛细管应力越大，从而自收缩越大。

由图2还可以看出其早期收缩量比较明显，占总自收缩量的主要趋势，后期发展速率趋于平缓。例如：WC35，WC40，WC45，WC50各组前4d龄期的收缩量分别近似占龄期内总自收缩量的96.07%，96.41%，95.78%，87.62%。因此控制砂浆的自收缩要从早期开始，而且水灰比越小，开裂风险越大。

结合图1和图2，可计算出7d龄期时WC45，WC40，WC35三组相对于WC50组抗压强度提高率与自收缩增长率比值分别为0.44，0.67，1.16。随着水灰比的减少，其比值在增加。这从侧面说明了相对于自收缩增长率，浆体抗压强度增长率对水灰比表现得更为敏感。

2.4 干缩

水泥基材料的干缩是指水泥浆体在不饱和湿空气中失去水份而引起的体积宏观变形[14]图3，图4分别为干缩曲线和质量损失率曲线。

图3 各配合比28d干缩Fig.3 Each mix ratio 28d Shrinks

图4 各配合比28d质量损失率Fig.4 Each mix ratio 28d Mass Loss Rate

由图3可知，干缩随水灰比的增大而减小。例如：WC35组28d收缩量最显著，为380.4×10-4，与WC40，WC45，WC50三组相比，分别一定程度上提高了3.09%，5.46%，6.13%。收缩趋势与图2中的试验结果有一定的联系。

根据图4，水灰比越大，质量损失率越大。例如：WC50组28d质量损失率最大，达到了736.4×10-4，与WC35，WC40，WC45三组相比，分别提高了55.26%，20.09%，4.16%。水泥水化消耗水分属于化学反应，必然遵循质量守恒定律。因此质量的减少主要是基底材料中的水分向外蒸发导致的。而水灰比的增加增加了总空隙率[15]，使得空隙中的水分越多，所以由内向外蒸发的水分越多，进而质量损失越大。

图3与图4对比可知，早期干缩受水灰比影响较大，质量变化也很大。之后质量损失很小而干缩持续增大。这是因为早期干缩主要的水分流失，是由于基底材料中的水分向外蒸发和水泥水化消耗其水分而引起的自收缩两部分的共同作用[16]，而后期其驱动力可能是毛细孔隙的毛细应力导致，也就是自收缩。

3 结论

本文以水灰比为变量，以抗压强度，自收缩，干缩为因变量，发现其之间的定性关系，研究其过程与结果的意义。分析获得了以下一些结论：

(1)水灰比是影响抗压强度的重要因素，抗压强度随着水灰比的减少而增大。以WC50组为基准，WC45，WC40，WC35三组28d抗压强度依次增大32.67%，58.25%，97.84%。且3d抗压强度即可与7d相近，并达到28d抗压强度80%以上。同时孔隙率随水灰比的增大而增大。

(2)水灰比越小，硫铝酸盐水泥砂浆的自收缩量越大，提高胶凝材料可有效地提高力学性能，然而会显著地提高收缩，特别是早龄期自收缩(4d)。以WC50组为基准，WC45，WC40，WC35三组7d自收缩依次增大35.29%，59.06%，69.63%。7d龄期时，WC45，WC40，WC35三组相对于WC50组抗压强度提高率与自收缩增长率比值分别为0.44，0.67，1.16。其比值随着水灰比的减少而增加，相对于自收缩增长率，浆体抗压强度增长率对水灰比表现得更为敏感。

(3)水灰比同时影响硫铝酸盐水泥干缩和质量损失率。水灰比越大，干缩越小，而质量损失率越大。水灰比较大导致孔隙率高，使得水分更容易逃逸出构件，产生较大质量损失率。