碱式硫酸镁水泥混凝土力学性能试验研究

杨三强，麻海燕，余红发，张 娜,，杨栎珩，朱海威，何 梁，李 舜

(1.南京航空航天大学 土木工程系，南京 210016；2.沈阳金辉篮鼎建材科技有限公司,沈阳 110020)



碱式硫酸镁水泥混凝土力学性能试验研究

杨三强1，麻海燕1，余红发1，张 娜1,2，杨栎珩1，朱海威1，何 梁1，李 舜2

(1.南京航空航天大学 土木工程系，南京 210016；2.沈阳金辉篮鼎建材科技有限公司,沈阳 110020)

为了研究碱式硫酸镁水泥混凝土的基本力学性能，通过实验系统测定了强度等级C20～C60的碱式硫酸镁水泥混凝土的基本力学性能，建立了其轴心抗压强度(fc,m)、劈裂抗拉强度(fsp,m)、抗折强度(ft,m)与立方体抗压强度(fcu,m)之间的线性关系，弹性模量(Ec)与立方体抗压强度(fcu,m)之间的双曲线关系及其回归计算公式，比较其与普通混凝土的差异。结果表明：在强度等级C20～C60的范围内，碱式硫酸镁水泥混凝土的fc,m和fsp,m值分别比普通混凝土相应强度高出22%～27%和27%～66%；在较低强度等级C20与C30，碱式硫酸镁水泥混凝土的Ec值比普通混凝土分别降低了17%和3%，当强度等级为C40～C60时其Ec值反而比普通混凝土高出9%～27%，而且随着强度等级的提高，两种混凝土之间的差距在扩大；碱式硫酸镁水泥混凝土与普通混凝土的ft,m值之间的差异规律与强度等级有关，在强度等级C20～C50的范围内其ft,m值比普通混凝土高出38%～1%，且随着强度等级的提高，提高的幅度在减小，对于高强度等级C60的碱式硫酸镁水泥混凝土，其ft,m值比普通混凝土反而降低了5%。

碱式硫酸镁水泥混凝土； 立方体抗压强度； 轴心抗压强度； 劈裂抗拉强度； 抗折强度； 弹性模量

1 引 言

普通混凝土是现代土木工程的重要结构材料，但是其主要缺陷之一就是抗拉强度偏低，容易开裂，提高混凝土抗拉强度的方法通常有：提高混凝土的强度等级，但是容易变得更脆；或者掺加纤维[1]，或者掺加有机聚合物[2]等。如果能够提高胶凝材料的抗拉强度，必将显著提高混凝土的抗拉强度与抗裂性。余红发等[3-7]经过多年的研究和探索，借助现代外加剂技术，发明了一种新型胶凝材料-碱式硫酸镁胶凝材料，主要水化产物为新发现的碱式硫酸镁晶须，其化学式5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O(5·1·7)，该水泥具有快凝、早强、高强、尤其是高抗拉强度与抗折强度等优点。何梁等[8]系统研究了碱式硫酸镁水泥混凝土的配合比设计方法与立方体抗压强度规律。但是目前为止，学术界尚缺少对碱式硫酸镁水泥混凝土基本力学性能的系统研究。

本文系统测定了碱式硫酸镁水泥混凝土的各项基本力学性能，研究了其轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量与立方体抗压强度之间的关系，并对比了普通混凝土的规律。对充分了解其在力学性能方面的优越性，拓展其在土木工程行业中的应用领域具有实际意义，并为未来开发碱式硫酸镁水泥钢筋混凝土结构积累基础。

2 实 验

2.1 原材料

(1) 水泥(Cement)：采用沈阳金辉篮鼎建材科技有限公司生产的碱式硫酸镁水泥，其主要组成包括轻烧氧化镁、磨细矿渣、MgSO4·7H2O和核心料，其强度等级分别为32.5、42.5和52.5，基本物理力学性能见表1。

(2)砂：沈阳浑河产河砂，表观密度2620 kg/m3，含泥量2.08%，细度模数2.58，属于Ⅱ区级配，中砂。

(3)石：沈阳产玄武岩碎石，最大粒径20 mm，针片颗粒含量21%，压碎性指标22%，表观密度2815 kg/m3，堆积密度1620 kg/m3，基本属于5～20 mm连续级配。

(4)水：沈阳自来水，符合国家标准。

(5)电阻应变片: 采用河北邢台金立传感元件厂生产的JZ-120-20AA胶基式应变计，敏感栅尺寸：50 mm×3 mm。

(6)其它材料：木模板、AB胶、电工胶布、502胶水、直径1 mm细导线。

表1 碱式硫酸镁水泥的物理力学性能Tab.1 Basic physical property of basic magnesium sulfate cement

2.2 混凝土配合比

参照何梁等[8]设计了C20～C60等8个强度等级共10个系列碱式硫酸镁水泥混凝土的配合比，详见表2。实验过程中，主要通过调碱式硫酸镁水泥用量、砂率和水胶比。

表2 碱式硫酸镁水泥混凝土的配合比Tab.2 Mixture proportion of basic magnesium sulfate concrete

2.3 试件制备

将水泥、石与砂等原材料在搅拌机中干拌1 min，再加水湿拌3 min。出料后测定混凝土拌合物的坍落度，之后迅速将其浇注、振动成型100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件。成型后带模养护24 h，之后拆模，然后移入(20±3) ℃、相对湿度(60%±5%)的养护室中养护。

2.4 实验方法

碱式硫酸镁水泥混凝土的立方体抗压强度(fcu,m)、轴心抗压强度(fc,m)、劈裂抗拉强度(fsp,m)、抗折强度(ft,m)与静弹性模量(Ec)试验按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]进行，其中，fcu,m测试龄期为28 d、60 d和90 d，fsp,m测试龄期为60 d，其余测试龄期为90 d。其中，fcu,m测试采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，fc,m和Ec测试采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件，ft,m测试采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，fsp,m测试采用经过抗折强度测试之后的截面100 mm×100 mm的半截试件。所得强度试验结果均按照文献[9]的相关系数换算为标准试件结果。泊松比采用应变增量法测试与计算。

3 结果与讨论

3.1 立方体抗压强度及发展规律

在混凝土配合比设计、质量检验评定和施工控制中，混凝土强度的主要技术指标主要分为：fcu,m、fc,m、ft,m、抗拉强度(ft,k)、Ec和泊松比(μ)。其中，抗压强度fcu,m值是最基本、最主要的强度指标，因此在实际工程应用中，以立方体抗压试验确定的混凝土强度等级作为混凝土材料选用的依据。表3为不同龄期碱式硫酸镁水泥混凝土的立方体抗压强度。

表3 碱式硫酸镁水泥混凝土不同龄期的立方体抗压强度Tab.3 Compressive strength of BMSC concrete in standard curing different time

注：试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，数据已经按0.95折减系数换算

图1 碱式硫酸镁水泥混凝土立方体抗压强度发展规律Fig.1 Compressive strength's development law of BMSC concrete

图1为碱式硫酸镁水泥混凝土的立方体抗压强度发展规律。由图可见，碱式硫酸镁水泥混凝土的立方体抗压强度随着养护时间的增长而增长，尤其是在浇筑后的前期发展速度较快，28 d立方体抗压强度可以达到其90 d强度的83%左右，60 d立方体抗压强度可以达到其90 d强度的89%左右。因此，碱式硫酸镁水泥混凝土的抗压强度在28 d之后能够保持稳定的增长。

3.2 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

实际混凝土结构通常采用棱柱体抗压强度、即轴心抗压强度进行结构设计。表4是碱式硫酸镁水泥混凝土的fc,m与fcu,m值测试结果，同时还列出了GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[10]的普通混凝土fc,m与fcu,m值的成对数据。对表中数据进行回归分析，得出了普通混凝土fc,m与fcu,m值的线性关系：

fc,m=0.6163fcu,m+1.4468

(1)

式中，n=14，R2=0.9991，其适用强度范围为C15～C80。

回归分析同样表明，碱式硫酸镁水泥混凝土的fc,m与fcu,m值也存在显著的线性关系：

fc,m=0.8053fcu,m+0.4141

(2)

式中，n=10，R2=0.9803，其适用强度范围为C20～C60。

表4 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度数据Tab.4 Datas between axial compressive strength and compressive strength of different concrete

图2 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝 土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系Fig.2 Relations between axial compressive strength and compressive strength of different concrete

图2为碱式硫酸镁水泥混凝土与普通混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的回归线性关系。由图可见，碱式硫酸镁水泥混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度成线性关系，碱镁混凝土的轴压比(轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值)较高，本次试验轴压比在0.75～0.85之间；在同等立方体抗压强度等级的条件下，C20、C30、C40、C50和C60碱式硫酸镁水泥混凝土的fc,m值比普通混凝土fc,m值依次提高了23%、22%、22%、26%和27%。由于结构设计是以轴心抗压强度作为设计依据，因此，碱式硫酸镁水泥混凝土的设计强度更高，明显优于普通混凝土。

3.3 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系

混凝土的轴心抗拉强度和轴心抗压强度一样都是混凝土的重要基本力学指标，但是混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，由于轴心抗拉强度测试方法要求比较高，难以测准，因此常用劈裂抗拉强度fsp,m来表征混凝土的抗拉性能。叶列平[11]列出了普通混凝土的fsp,m与fcu,m值之间的关系：

fsp,m=0.19fcu,m3/4

(3)

混凝土的fsp,m值很大程度上反映了混凝土的抗裂性，既是抵抗因收缩和温度变形而导致开裂的主要指标，也是结构设计中裂缝宽度和裂缝间距计算控制的主要指标。表5中GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[10]列出了强度等级C15～C80普通混凝土的ft,k与fcu,m值的数据对应表格。《钢筋混凝土结构研究报告选集》[12]建立了普通混凝土fsp,m与ft,k值的换算关系：

ft,k=1.24fsp,m

(4)

如表5所示，由公式(4)将GB50010-2010[10]的普通混凝土ft,k值换算得出fsp,m值。经过回归分析，得出了普通混凝土fsp,m与fcu,m值的线性回归关系：

fsp,m=0.0221fcu,m+0.9084

(5)

式中，n=14，R2= 0.9423。 碱式硫酸镁水泥混凝土fsp,m与fcu,m值的数据对应表格见表5。经过对本文数据进行回归分析，得到了碱式硫酸镁水泥混凝土fsp,m与fcu,m值的线性关系：

fsp,m=0.0697fcu,m+0.5599

(6)

式中，n=10，R2=0.9185，其适用强度范围为C20～C60。

表5 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度数据Tab.5 Datas between tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

图3 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系Fig.3 Relations between tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

图3为碱镁混凝土和普通混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系对比。由图可见，在相同立方体抗压强度等级的条件下，C20、C30、C40、C50和C60碱式硫酸镁水泥混凝土的fsp,m值分别比普通混凝土fsp,m值提高了27%、32%、40%、53%和66%，这充分说明碱式硫酸镁水泥混凝土的劈裂抗拉强度远高于普通混凝土，因此，碱式硫酸镁水泥混凝土的抗裂性能显著优于普通混凝土。对表5的数据进行回归分析，同样可以得到碱式硫酸镁水泥混凝土的fsp,m与fcu,m值之间的3/4幂函数关系：

fsp,m=0.23fcu,m3/4

(7)

式中，n=10，R2=0.8322，其相关系数比线性关系式(6)略低，但是仍然是显著的。

3.4 抗折强度与立方体抗压强度的关系

抗折强度ft,m是混凝土用于道路工程的一项重要控制指标，其大小是否满足设计要求，将直接影响到道路路面工程的整体质量及使用寿命。刘卫中等[13]通过研究得出了普通混凝土ft,m与fcu,m值之间的关系：

ft,m=0.1097fcu,m+0.4235

(8)

式中，n=324，R2= 0.8261，其适应的强度范围为C25～C60。

表6为碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度结果。由表可知，10组碱式硫酸镁水泥混凝土的ft,m与fcu,m值的比值范围为：0.102～0.175。经过对本文数据的回归分析, 得出了碱式硫酸镁水泥混凝ft,m与fcu,m值之间的线性关系公式(9)。

表6 碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度与立方体抗压强度数据Tab.6 Datas between rupture strength and compressive strength of BMSC concrete

ft,m=0.0727fcu,m+2.3036

(9)

图4 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混 凝土抗折强度与立方体抗压强度的关系Fig.4 Relations between rupture strength and compressive strength of different concrete

式中，n=10，R2= 0.8284，其适应的强度范围为C20～C60。 图4比较了碱镁混凝土和普通混凝土的抗折强度与立方体抗压强度的关系。由图可见，在相同立方体抗压强度等级的条件下，C20、C25、C30、C35、C40、C45和C50碱式硫酸镁水泥混凝土的ft,m值分别比普通混凝土ft,m值提高了38%、30%、25%、14%、8%、4%和1%，C60碱式硫酸镁水泥混凝土ft,m值比普通混凝土ft,m值降低了5%，说明当强度等级低于C55时, 碱式硫酸镁水泥混凝土ft,m值明显高于普通混凝土，当强度等级达到C60时其ft,m值比普通混凝土略低。

3.5 弹性模量与立方体抗压强度的关系

表7为碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土的弹性模量和立方体抗压强度数据。结果表明，碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量是随着立方体抗压强度的增长而增长。碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量与立方体抗压强度之间具有双曲线的回归关系。

表7 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝土弹性模量与立方体抗压强度数据Tab.7 Datas between tensile elasticity modulus and compressive strength of different concrete

(10)

式中，n=10，R2=0.8787，其适用强度范围：C20～C60。

图5比较了碱式硫酸镁水泥混凝土与普通混凝土的弹性模量。由图可见，在相同立方体抗压强度等级的条件下， C40、C50与C60碱式硫酸镁水泥混凝土Ec值比普通混凝土Ec值依次提高了9%、19%和27%，而C20与C30碱式硫酸镁水泥混凝土的Ec值比普通混凝土降低了17%和3%。因此，低强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土韧性很好，适用于非承重结构的墙体材料，而高强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土更加适合于结构材料，并比普通混凝土更有结构优势。

图5 碱式硫酸镁水泥混凝土和普通混凝 土弹性模量与立方体抗压强度的关系Fig.5 Relations between tensile elasticity modulus and compressive strength of different concrete

图6 碱式硫酸镁水泥混凝土的泊松比Fig.6 Poisson ratioof BMSC concrete

3.6 泊松比

图6为不同强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土的泊松比。结果表明，硫酸镁水泥混凝土的泊松比有随着立方体抗压强度的增长而增大的趋势，但是因实验数据比较分散，一般可以取平均值0.25作为其计算泊松比。普通混凝土的泊松比为0.2，相比而言，碱式硫酸镁水泥混凝土的泊松比略大一些。

4 结 论

(1)碱式硫酸镁水泥混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间存在着较强的线性关系。碱式硫酸镁水泥混凝土的轴压比较高，本次试验轴压比范围在0.75～0.85之间；在同等立方体抗压强度等级的条件下，C20、C30、C40、C50和C60碱式硫酸镁水泥混凝土的轴心抗压强度比普通混凝土依次提高了23%、22%、22%、26%和27%，由于结构设计是以轴心抗压强度作为设计依据，因此，碱式硫酸镁水泥混凝土的设计强度更高，明显优于普通混凝土;

(2)碱式硫酸镁水泥混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间存在着线性关系。在相同立方体抗压强度等级的条件下，C20、C30、C40、C50和C60碱式硫酸镁水泥混凝土的劈裂抗拉强度比普通混凝土依次提高了27%、32%、40%、53%和66%，说明碱式硫酸镁水泥混凝土的抗拉强度显著优于普通混凝土;

(3)碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度与立方体抗压强度之间存在着线性关系。在相同立方体抗压强度等级的条件下，C20、C25、C30、C35、C40、C45和C50碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度比普通混凝土分别提高了38%、30%、25%、14%、8%、4%和1%，C60碱式硫酸镁水泥混凝土ft,m值比普通混凝土略低5%，说明当强度等级低于C55时, 碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度明显高于普通混凝土；当强度等级高于C55时, 碱式硫酸镁水泥混凝土的抗折强度比普通混凝土略低;

(4)碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量与立方体抗压强度之间存在着双曲线关系。在相同立方体抗压强度等级的条件下， C20和C30碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量比普通混凝土分别降低了17%和3%，当强度等级为C40～C60时碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量比普通混凝土提高了9%～27%，因此，低强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土韧性很好，适用于非承重结构的墙体材料，而高强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土更加适合于结构材料，并比普通混凝土更有结构优势;

(5)碱式硫酸镁水泥混凝土的平均泊松比可取0.25。

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Mechanical Property of the Basic Magnesium Sulfate Cement Concrete

YANGSan-qiang1,MAHai-yan1,YUHong-fa1,ZHANGNa1,2,YANGLi-heng1,ZHUHai-wei1,HELiang1,LIShun2

(1.Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Shenyang Jinhuilanding Building Materials Technology LTD,Shenyang 110020,China)

To investigate the mechanical property of the basic magnesium sulfate cement (BMSC) concrete and compare it with ordinary concrete,the mechanical property between C20～C60 were measured through the experiment.The linear relationship and calculation formulas between cube compressive strength(fcu,m) and axial compressive strength (fc,m),tensile splitting strength(fsp,m),rupture strength(ft,m) were built. The hyperbolic relationship and calculation formulas between cube compressive strength(fcu,m)and elasticity modulus(Ec) were built.The results showed that: Between the strength grade of C20-C60,thefc,mandfsp,mof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 22%-27% and 27%-66%, between the strength grade of C20-C30,theEcof the BMSC concrete is lower than that of ordinary concrete,which is 3%-17%.between the strength grade of C40-C60,theEcof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 9%-27%.With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is increasing.The difference between theft,mof BMSC concrete with theft,mof ordinary concrete and the strength grade have a relationship.Theft,mof BMSC concrete, between the strength grade of C20-C50, theft,mof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 38%-1%. With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is reducing.Theft,mof BMSC concrete,which is C60 of high strength grade, is lower than that of ordinary concrete,which is 5%.

BMSC concrete;compressive strength;axial compressive strength;tensile splitting strength;rupture strength;elasticity modulus

国家自然科学基金项目(21276264，51508272)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

杨三强(1992-)，男，硕士研究生.主要从事新型结构材料方面的研究.

麻海燕，博士，硕导.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2548-08