水灰比和偏高岭土掺量对硫铝酸盐水泥基材料性能的影响

何　凯，严绍军，赵　莽，窦　彦，翟国林

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉　430074；2.广州市地下铁道总公司，广州　510000)



水灰比和偏高岭土掺量对硫铝酸盐水泥基材料性能的影响

何凯1，严绍军1，赵莽1，窦彦1，翟国林2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉430074；2.广州市地下铁道总公司，广州510000)

为了研究水灰比和偏高岭土掺量对硫酸铝盐水泥的流动度、收缩率和力学性能的影响，以龙门石窟裂隙防渗的灌浆工程为例，开展流动性试验、力学性能试验及干缩性能试验。结果表明：硫铝酸盐水泥初始流动度大小与水灰比、偏高岭土掺量均成正比；水灰比越高，微膨胀率越低，甚至出现一定收缩，整体上膨胀率随偏高岭土掺量增大而变大；抗压强度大小与水灰比、偏高岭土掺量均成反比；7d的抗折强度随偏高岭土掺量增大而减小，养护28d的抗折强度恰恰相反；抗折强度随水灰比的增大而减小，且回落幅度相对较大；黏结强度随水灰比先增大后减小，随偏高岭土掺量增加，黏结强度整体上有所增加，在水灰比为0.5时，出现1个峰值。 试验结果可为龙门石窟的现场灌浆试验提供理论依据，也可为同类石质文物的灌浆修复研究提供参考。

硫铝酸盐水泥；水灰比；偏高岭土掺量；流动度；力学性能

1　研究背景

硫铝酸盐水泥属于第三水泥系列，其水化产物主要是水化硫铝酸钙和水化硅酸钙，因此具有凝结快、早期强度高、低碱含量、微膨胀性、抗侵蚀力强、耐久性和抗渗性好等特点，在负温下可进行水化，可应用于冬季施工、防碱集反应、防化学腐蚀等特殊工程[1-5]。作为一种水硬性胶凝材料，其性能受组份材料、水灰比(W/C)、养护条件等多种因素综合影响[5]，其中，水灰比对水泥工作性能及力学性能起到重要作用；采用适量的偏高岭土(metakaolin，简称MK)部分取代水泥，可以降低体系碱度，并改善水泥石的内部结构，提高强度与耐久性。韩建国等[4]研究了水灰比对硫铝酸盐水泥水化历程的影响，结果显示随着水灰比的增大，硫铝酸盐水泥的水化放热速率增大，水化放热量提高；S.Kadlecek等[6]发现随着试样龄期增大，硅酸盐水泥内部胶体数量增加，水泥石结构趋于密实，不同水灰比体系的收缩值均有所减小；A.A.Ramezanianpour等[7]研究了偏高岭土作为胶凝材料和填充材料对混凝土耐久性和强度的影响，结果显示添加一定量的偏高岭土有利于提高混凝土强度和改善混凝土的耐久性；R.Siddique等[8]通过研究表明偏高岭土部分替代水泥，可以降低混凝土毛细渗水作用，并可增强水泥或混凝土的早期强度和长期的力学强度，同时可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性、减少有害离子的析出。

本次研究的硫铝酸盐水泥主要应用于龙门石窟裂隙防渗的灌浆工程中，此类水泥应用于裂隙灌浆中的研究较少，因灌注本体的特殊性，要求灌浆料具有良好的流动性、较高的强度、低碱度、低干缩率等特点，试验中综合考虑了水灰比和偏高岭土掺量对硫铝酸盐水泥的流动性、干缩率、抗压抗折强度等性能的影响，分析其变化规律。试验结果对龙门石窟的现场试验具有一定的指导意义，同时也为同类石质文物的灌浆修复研究提供了一定的参考依据。

2　试　验

试验采用无机多元材料复合，以低碱硫铝酸盐水泥为主剂，粉煤灰、偏高岭土和硅粉为辅剂，并添加一定量的减水剂和消泡剂。

2.1原材料

2.1.1硫铝酸盐水泥

选取湖北孝感安达特种水泥厂生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥作为试验材料，其主要矿物成分是Ca4Al6O2SO4和C2S。

2.1.2偏高岭土

采用湖北银河有限公司生产的过2 000目筛(筛网孔径为6.5μm)的偏高岭土，其主要矿物成分为Al4.52Si1.48O9.74和SiO2，能提高水泥的强度和耐久性。硫铝酸盐水泥和偏高岭土的XRD图谱分析如图1所示。

图1　硫铝酸盐水泥和偏高岭土XRD图谱分析Fig.1　Analysis of XRD profiles of sulphoaluminate cement and metakaolin表1　原材料化学组分Table 1　Chemical compositions of raw materials

原材料化学组分/%Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5SO3K2OCaOTiO2Fe2O3SrOZrO2ZnOBaOCl烧失量/%硅粉0.120.150.3196.440.040.290.340.10——————0.092.07偏高岭土0.240.0844.5053.190.030.010.150.290.580.360.010.03———0.53粉煤灰1.001.1524.6050.650.942.040.906.791.177.360.210.040.020.080.072.98硫铝酸盐水泥0.190.8019.517.380.0816.220.1345.351.562.850.160.07—0.03—5.68

2.1.3其他添加剂

试验中还选取了能显著提高水泥抗压、抗折、抗渗、抗腐蚀、抗冲击及耐磨等性能的硅粉；能减少水泥需水量、增加流动性的粉煤灰；进一步改善浆体流动性的高效减水剂及一定量的消泡剂，各种原材料的化学成分如表1所示。

2.2水泥细度和灌浆料配合比

2.2.1细水泥基材

本次试验的硫铝酸盐水泥主要应用于灌浆工程，其颗粒细度至少要达细水泥级别，最大粒径应<40μm，平均粒径应<10μm，比表面积则应在6 000cm2/g左右，但普通水泥的粒径范围较大，粗颗粒多，最大粒径可达90～100μm，不满足试验需求，故用SMφ500×500mm水泥标准试验球磨机将水泥进行二次粉磨，使其满足粒径要求。

2.2.2灌浆料配合比

将各组分原料按配合比(表2)进行配合，先以人工预混，再用混料机进行混合均化，混料时间为10min，因不涉及对外加剂影响的探讨，每组配料掺加的聚羧酸高效减水剂和消泡剂均为0.3%。

表2　各组分原料配合比Table 2　Raw materials proportions

2.3试验方法

2.3.1流动性试验

采用水泥净浆流动性测试方法，将制备的浆液装入截锥圆模，刮平后立即将截锥圆模垂直向上轻轻提起，测量浆体底面最大直径及与垂直直径，取其平均值。试验须在30s内完成，30min和1h后分别再次搅拌净浆，测其流动度。

2.3.2力学性能试验

抗压、抗折强度试验按《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671—1999)进行，将灌浆料倒入搅拌锅，然后拌合好并倒入试模，使净浆试块在温度20℃，相对湿度≥90%养护2d后拆模，然后放入标准养护室内的水池中进行水养7d和28d，水温控制在(20±1)℃，用WYA-300型全自动试验机做抗折、抗压强度试验。

黏结强度按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)中抗拉强度性能试验进行测定，将龙门石窟现场取回的灰岩，加工成70mm×70mm×25mm长方块，固定2个长方块，使其中间距离为20mm，对间隔处灌注浆液，在温度20 ℃，相对湿度≥90%养护2d后，放入标准养护室内的水池中进行水养，水温(20±1)℃，试验龄期28d。

2.3.3干缩性能试验

采用现行标准《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603—2004)中的三联试模，每联试模的内壁尺寸为25mm×25mm×280mm，将制备的净浆注入三联试模内，试体带膜放入温度(20±1)℃，相对湿度≥90%的养护箱中养护，24h后脱模，然后进行水养护，养护2d后取出，用比长仪测定初始读数(L0)。测完后将试体移入干缩养护箱中的蓖条上养护，测定不同龄期的试块的尺寸变化情况，计算其膨胀、收缩规律。试体膨胀率按式(1)计算，计算至0.001%。

(1)

式中：S为水泥试体干缩率 (%)；L0为初始测量读数(mm)；L为规定龄期的测量读数(mm)；250表示试体有效长度为250mm。

3　结果与分析

3.1灌浆料的流动性

当偏高岭土含量一定时，灌浆料的流动性测试结果随水灰比的变化如表3所示，水灰比和偏高岭土对流动性的影响见图2。

表3　硫铝酸盐水泥流动度Table 3　Fluidity of sulphoaluminate cement

注：30min时，A1凝固；1h时，A4凝固。

图2　初始流动度随水灰比和偏高岭土掺量的变化Fig.2　Changes of initial fluidity with water-cement ratio and metakaolin blending ratio

由图2和表3可知：

(1) 当偏高岭土掺量一定时，硫铝酸盐水泥的初始流动度随水灰比的增大而迅速变大，水灰比为0.3时，初始流动度较低，且30min和1h后流动度损失较大，甚至个别试样出现凝固；当水灰比增大至0.5和0.7时，试样的初始流动度明显增大，最高达到390mm，30min内流动性也较好，流动度损失很小，普遍<40mm，但1h后流动度损失明显增大，均超过50mm，原因是水灰比增大，使自由水增多，水泥颗粒很好地分散，发生物理凝聚的几率大大减小，而随着时间增长，颗粒间的化学结合力不断增加，导致流动度损失变大[9]。

(2) 当水灰比一定时，初始流动度随偏高岭土掺量的增加而增大，如水灰比为0.5，偏高岭土掺量由5%增大到7%时，初始流动度由255.5mm变为324.0mm，且水泥的流动性总体上都有一定提高。

3.2硬化浆体膨胀率

试样膨胀率测定结果见表4(表中“-”号表示干缩)，可知，不同水灰比和偏高岭土掺量的硫铝酸盐水泥试样的体积变化主要发生在水化龄期的前14d(图3和图4)，此后趋于稳定。总体上，硫铝酸盐水泥试样大都具有一定的微膨胀性，原因是硫铝酸盐水泥在水化硬化过程中会形成大量较为细小的钙矾石产物，其具有良好的微膨胀性，微膨胀会产生一定的压应力，有利于提高灌浆水泥与基体的紧密程度。

表4　硫铝酸盐水泥微膨胀(收缩)率Table 4　Microexpansion (shrinkage) rates ofsulphoaluminate cement

图3　不同偏高岭土掺量下膨胀率随水灰比的变化曲线Fig.3　Changes of expansion rate with water-cement ratio under different metakaolin blending ratios

图4　不同水灰比下膨胀率随偏高岭土掺量的变化曲线Fig.4　Changes of expansion rate with metakaolin blending ratio under different water-cement ratios

由图3和图4可知：

(1) 当偏高岭土掺量一定时，水灰比越高，试样的微膨胀率越低，甚至出现一定的收缩，如MK掺量5%时，A2试样7d的膨胀率为-0.109%，随着龄期的增长膨胀率的绝对值变小，14d时为-0.039%，14d后几乎不变，且当水灰比从0.3增加到0.5时，A3试样7d的膨胀率相对于A1降低了89.6%，原因可能是随着水泥试样水化程度的增强，水化产物量趋于稳定，以致后期的收缩率基本稳定，随着水灰比的增大，硫铝酸盐水泥内部水分增多，导致膨胀率大幅度下降[10]。

(2) 水灰比一定时，试样膨胀率随偏高岭土掺量增大，整体上会变大，如水灰比为0.7时，偏高岭土掺量从5%增加到7%，A6试样7d的膨胀率相对于A3试样提高了10.5%，说明偏高岭土部分取代水泥在一定程度上可提高试样的微膨胀性，原因是偏高岭土的微填充效应和晶核效应，降低了水泥初始孔隙率并加快了水化反应，降低了硫铝酸盐水泥浆体的总孔隙率并使孔径分布细化，以致于水泥浆体内部的水分不易流失，减少和减缓浆体的干燥收缩[11-12]。

(3) 符合灌浆料具有微膨胀性的配方是A7，即水灰比为0.3，偏高岭土掺量为9%。

3.3灌浆料抗折、抗压强度

不同配方灌浆料的抗折、抗压强度测试结果如表5所示，水灰比和偏高岭土掺量对试样抗折、抗压强度影响如图5所示。

表5　硫铝酸盐水泥抗压、抗折强度Table 5　Compressive and flexural strengths ofsulphoaluminate cement

图5　抗压强度和抗折强度随偏高岭土掺量的变化曲线Fig.5　Changes of compressive strength and flexural strength with metakaolin blending ratio

由图5和表5可知：

(1) 硫铝酸盐水泥的抗折、抗压强度增长速度较大，试样7d抗压强度基本上达到28d抗压强度的80%～95%，如A7试样的7d抗压强度为62.0MPa，达到28d抗压强度(68.4MPa)的90.6%，原因是硫铝酸盐水泥是一种快硬早强型水泥[1]。

(2) 当偏高岭土掺量一定时，试样抗压强度随水灰比增大而变小，且强度降幅较大，当水灰比分别为0.3,0.5和0.7时，以A1,A2和A3试样为例，其7d和28d的下降幅度较大，7d龄期下A2试件相对A1试件,A3试件相对A2试件分别下降了55.5%，73.9%，28d龄期下分别下降了61.3%，70.3%。分析其原因主要是因为水灰比增大，水泥试样中的水分含量变大，导致空隙变大、结构疏松。

(3) 当水灰比一定时，随着偏高岭土掺量增加，抗压强度降低并趋于稳定，但总体强度有所提高，且水灰比越小，强度降幅越小，在水灰比为0.3和偏高岭土为7%时，随着龄期增大，强度回落幅度最大，即A4试样相对于A1试样7d的下降幅度为24.6%，28d为7.5%。分析其原因可能是因为开始时偏高岭土颗粒被水泥水化产物包围，阻碍了水的迁移，导致火山灰反应速度较慢，以致于抗压强度有所减小，随着龄期的增长，偏高岭土水化产生大量硅酸钙，其中以C-S-H凝胶居多，使孔隙率降低，结构紧密，从而提高了水泥强度[10，13]。

(4) 水灰比一定时，试样7d的抗折强度随偏高岭土掺量增大而减小，而28d的抗折强度整体上随偏高岭土掺量增大而增大并趋于稳定，但个别试样有所增加或减小，最后趋于稳定，如水灰比0.3时，随MK掺量增加，A4试样相对于A1试样7d的抗折强度降低了20.9%，28d的抗折强度增加了16.5%， 28d强度比7d时明显增大，且强度的增大幅度随偏高岭土掺量增大而增大，如水灰比为0.3时，随MK掺量增大，强度增大幅度由4.9%增加到54.7%和49.3%。

(5) 当偏高岭土掺量一定时，试样的7d和28d的抗折强度随水灰比的增大而减小，回落幅度相对较大，且28d的下降幅度更大，如MK掺量5%时，当水灰比由0.3增大到0.7时，A2试件相对于A1试件、A3试件相对于A2试件的7d抗折强度下降幅度分别为34.6%和26.4%，28d的下降幅度分别为35.3%和36.4%。

3.4灌浆料黏结强度

灌浆料黏结强度通常用来表征灌浆料固结后与基体结合的牢固程度，是评价复合灌浆材料性能优劣的重要指标之一[14]。对各组试样养护28d后，进行黏结强度测试，其结果如表6所示，水灰比和偏高岭土对黏结强度的影响见图6。

表6　硫铝酸盐水泥黏结强度Table 6　Bonding strengths of sulphoaluminate cement

图6　黏结强度随水灰比和偏高岭土掺量的变化曲线Fig.6　Changes of bonding strength with water-cement ratio and metakaolin blending ratio

由表6、图6可以看出：

(1) 受水灰比、偏高岭土掺量等因素的影响，硫铝酸盐水泥的黏结强度有一定浮动，范围为7.80～28.83kPa。

(2) 当偏高岭土掺量一定时，黏结强度随水灰比先增大后减小，如A2试样相对于A1试样黏结强度增加7.64%，而A3试样相对于A2试样降低了35.8%，且黏结强度随偏高岭土掺量变大而升高，当水灰比为0.5时，黏结强度出现一个峰值，分别为A2试样的17.33kPa、A5试样的26.74kPa和A8试样的28.83kPa。

(3) 当水灰比一定时，随偏高岭土掺量增加，黏结强度整体上有所增加，且当水灰比为0.5时，黏结强度增幅较大，但当水灰比为0.7时，强度开始有所降低，然后逐渐增加。

(4)黏结强度越大，反映灌浆体与基体之间的紧密程度越高，灌浆性能越好，可见水灰比为0.5时是黏结强度的最佳配方。

(5) 与抗折、抗压强度相比，从数量级上来讲，黏结强度低得多，均为kPa量级，原因是浆体和模拟岩板的接触面比较光滑，界面间结合力很弱，易发生分离，与灌浆料使用的实际条件存在显著差异，不能够充分反映试样的黏结特性，应探索可反映材料黏结特性的科学检测方法。

4　结　论

(1) 硫铝酸盐水泥的初始流动度随水灰比的增大而变大，随偏高岭土掺量的增加而增大，试验中最高达390mm，且总体流动度随偏高岭土掺量的增加有所提高。

(2) 水灰比越高，硫铝酸盐水泥的微膨胀率越低，甚至出现一定的收缩，整体上膨胀率随偏高岭土掺量增加而变大，符合灌浆料具有微膨胀性的配方为试样A7。

(3) 硫铝酸盐水泥试样抗压强度随水灰比增大而变小，且强度变化较大，随着偏高岭土掺量增加抗压强度降低并趋于稳定，但总体稳定性有所提高，且水灰比越小，强度回落幅度越小。

(4) 硫铝酸盐水泥7d的抗折强度随偏高岭土掺量增大而减小，而28d的抗折强度整体上随偏高岭土掺量增大而增大并趋于稳定，且强度的增大幅度随偏高岭土掺量增大而增大；试样的抗折强度随水灰比的增大而减小，回落幅度相对较大。

(5) 硫铝酸盐水泥的黏结强度随水灰比先增大后减小，随偏高岭土掺量增加，黏结强度整体有所增加，且当水灰比为0.5时，黏结强度增加幅度较大，均出现一个峰值，分别为17.33, 26.74，28.83kPa，可见水灰比为0.5是确保黏结强度达标的最佳配方。

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(编辑：占学军)

Effects of Water-cement Ratio and Metakaolin Blending Ratio onthe Performance of Sulphoaluminate Cement-based Material

HE Kai1，YAN Shao-jun1，ZHAO Mang1，DOU Yan1，ZHAI Guo-lin2

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；2.GuangzhouMetroCorporation，Guangzhou510000,China)

Tostudytheinfluencesofwater-cementratioandmetakaolinblendingratioonthefluidity,shrinkageandmechanicalpropertiesofsulphoaluminatecement,wetakeLongmenGrottoesasanexample,andcarryouttestsonfluidity,mechanicalpropertiesanddryshrinkageproperty.Theresultsshowthat,firstly,theinitialfluidityofsulphoaluminatecementisproportionaltowater-cementratioandmetakaolinblendingratio;secondly,thehigherwater-cementratiois,thelowermicroexpansionrateis,evenwithalittlecontraction.Ingeneral,expansionrateincreaseswithmetakaolinblendingratio;compressivestrengthisinverselyproportionaltowater-cementratioandmetakaolinblendingratio;theflexuralstrengthofspecimenscuredfor7daysdecreaseswiththeincreasingmetakaolinblendingratio,whiletheflexuralstrengthofspecimenscuredfor28daysisonthecontrary;flexuralstrengthdecreaseswiththeincreasingwater-cementratio,andthedeclinerateisrelativelylarge;bondingstrengthincreasesfirstandthendecreaseswiththeincreasingwater-cementratio;whilewithincreasingmetakaolinblendingratio,bondingstrengthincreasesoverall,andinparticular,peakvalueoccursunderwater-cementratioof0.5.TheexperimentalresultsprovidetheoreticalbasisforthefieldgroutingtestinLongmenGrottoes,andalsoprovidereferenceforgroutingrepairinsimilarstoneculturalrelics.

sulphoaluminatecement;water-cementratio;metakaolinblendingratio;fluidity;mechanicalproperties

2015-06-15;

2015-08-14

国家文物局项目(40972183)

何凯(1991-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事地质工程和岩土文物保护工作研究,(电话)18140533542(电子信箱)18140533542@163.com。

严绍军(1973-)，男，四川绵竹人，副教授，博士，主要从事岩土文物保护和地质工程等方面的研究, (电话)18971675062(电子信箱)Shaojuncug@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150501

2016,33(09):143-148

TU328

A

1001-5485(2016)09-0143-06