技术丨缓凝剂少石膏水泥配制混凝土性能研究

引言

硅酸盐水泥中掺入石膏是调控水泥凝结时间的重要措施，但是在有的地区，石膏储量低或者品质差(如脱硫石膏中氯离子含量过高)，制约了硅酸盐水泥的生产。采用其他材料替代石膏调控硅酸盐水泥的凝结时间，制备无石膏硅酸盐水泥是解决此类问题的途径之一。无石膏水泥具有独特的性质，也可做特殊用途，如用木质素磺酸钙-碳酸氢钠混合物替代石膏制备的硅酸盐水泥，可以降低水泥标稠需水量，并有利于提高与萘系外加剂的适应性。无石膏水泥还可用于固化处理Pb2+、Cr⁴、CI等有害离子。但采用其他化学组分完全取代石膏制备的无石膏水泥，存在水化产物与普通硅酸盐水泥差异大，质量不稳定，成本过高等弊端，在 生产中无法推广应用，其研究目前较少。而除了无石膏水泥，采用少加石膏，利用缓凝剂调节缓凝效果，制备缓凝剂少石膏水泥(retarder low gypsum cement，RLGC)，可以在不改变水泥水化产物种类的基础上，对其性能进行调节，以满足缺石膏或石膏品质差地区水泥生产的需要，但目前有关此 方面的研究还鲜有报道。

通过试验制备了性能满足GB 175-2007标准要求的缓凝剂少石膏硅酸盐水泥，采用缓凝剂少石膏水泥和P·O 42.5R水泥分别配制C40混凝土，对其流动性、强度和耐久性进行了对比分析，为缓凝剂少石膏水泥的应用提供借鉴。

1.1 原材料及配合比

所用水泥为自制缓凝剂少石膏水泥(RLGC)和冀东海德堡(泾阳)水泥有限公司生产的P·O 42.5R水泥，其化学组成和性能分别见表1和表2。

混凝土所用石子为1~3碎石，砂为Ⅱ区中砂，减水剂为陕西科之杰新材料有限公司生产的聚羧酸减水剂。

为对比两种水泥对混凝土性能的影响，分别拌制C40混凝土，配合比见表3。

1.2 试验方法

混凝土坍落度和扩展度按GB/T50080-2016测试，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度按GB/T50081-2002测试，混凝土碳化和电通量实验按GB/T50082-2009测试。

采用日立SU8010型扫描电镜(SEM)观察不同龄期试样的微观形貌。

2.1 水泥性能

缓凝剂少石膏水泥(RLCC)与P·O 42.5R水泥性能的比较在表2中列出。从表2可以看出，RLGC水泥的初凝时间和终凝时间略有提前，与P·O 42.5R水泥非常接近。

而RLGC水泥的3d和28d抗折强度和抗压强度均比P·O 42.5R水泥低，但两者相差不大。同时，两种水泥的标准稠度需水量基本相同，安定性均合格。由此可以看出，所配制的RLGC水泥各项性能指标均符合GB 175-2007标准的要求，可以用于混凝土的配制。

2.2 混凝土拌合物流动性

采用RLGC水泥和P·O 42.5R水泥分别拌制混凝土，测定混凝土拌合物的初始和60min的坍落度和扩展度，试验结果见图1和图2。

从图1可以看出，RLGC水泥配制的混凝土初始坍落度比P·O 42.5R水泥配制的混凝土略低，但是60min时，其坍落度保留值高于P·O 42.5R水泥拌制的混凝土。从图2中也可看出，RLGC水泥配制的混凝土初始扩展度与P·O 42.5R配制的混凝土基本相同，但是60min时，其扩展度保留值高于P·O 42.5R水泥拌制的混凝土。这说明RLGC水泥具有更好的流动性保持能力。分析其原因，可能是由于RLGC水泥石膏含量较低，因此早期生成的钙矾石数量少，而生成钙矾石时需要结合大量的结晶水(每个分子含有32个结晶水71)；另一方面，RLGC水泥中本身含有缓凝成分，可以延缓初期水泥的水化，也具有提高流动度保持能力的作用。

2.3 混凝土强度

用RLGC水泥和P·O 42.5R水泥配制混凝土，成型立方体混凝土试件，标准养护7d、28d和60d后，分别测试抗压强度，试验结果见图3。

从图3可以看出，RLGC水泥配制的混凝土7d、28d和60d抗压强度均低于P·O 42.5R水泥配制的混凝土。7d抗压强度偏低8.9%，但28d和60d两种水泥配制混凝土的抗压强度差距逐渐缩小。这是由于RLGC水泥中含有一定的缓凝组分，与减水剂存在协同效应，会延缓水泥的早期水化，使混凝土的早期强度降低，而后期随着水化程度的不断发展，新形成的水化硅酸钙凝胶数量不断增多，两者的强度逐渐接近。

2.4 混凝土耐久性

渗透性和抗冻性是反映混凝土耐久性能的重要指标。分别测试RLGC水泥和P·O 42.5R水泥配制混凝土的电通量和130次冻融循环质量损失率，试验结果见表4。

从表4可以看出，与P·O 42.5R水泥相比，RLGC水泥配制混凝土的电通量至稍有增大，但均加幅度为16%，说明其抗离子渗透性略差。从表4还可以看出，与P·O 42.5R水泥相比，RLGC水泥配制混凝土130次冻融循环质量损失率略有稍大，说明其抗冻性也略差。因此，RLGC水泥在用于有抗离子渗透性要求和抗冻性要求的工程时应谨慎使用。

对RLGC水泥和P·O 42.5R水泥配制的混凝土，标准养护28d后，分别测定不同碳化时间的碳化深度，试验结果见图4。

从图4可以看出，碳化时间7d时，RLGC水泥配制的混凝土碳化深度明显高于P·O 42.5R水泥配制的混凝土。但碳化时间为14d和28d时，两者的碳化深度差异显著缩小，最终趋于相同。说明RLGC水泥配制的混凝土早期抗碳化能力较差。

孔结构是影响混凝土耐久性的重要因素，测定水化RLGC水泥和P·O 42.5R水泥制备水泥净浆试件7d和60d的扫描电镜照片，试验结果见图5。

从图5可以看出， RLGC水泥石7d时孔隙数量明显多于P·O 42.5R水泥石，而到60d时两者密实度差异不大。这是因为RLGC水泥中的缓凝组分使混凝土早期水化延缓，因此早期结构中孔隙增多，使环境中的二氧化碳和水分更容易渗入混凝土内部较深的地方，因此导致混凝土早期碳化值显著增大。而随着水泥矿物成分的不断水化，新生成的水化硅酸钙等水化产物不断堵塞毛细孔隙，同时，已经碳化部分形成的碳酸钙也会堵塞混凝土中未完全充满水的毛细孔隙，这两方面的原因使碳化速度减慢，最终与对比混凝土试件的碳化速度趋于相同。

通过对比试验研究了RLGC水泥与P·O 42.5R水泥对混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性影响的差异，从研究中可以得到以下结论：

(1)RLGC水泥对混凝土拌合物初始流动性影响不大，但60min时具有更高的坍落度和扩展度保留值；

(2)与P·O 42.5R水泥混凝土相比，RLGC水泥配制的混凝土7d抗压强度偏低，但不到10%，随着龄期发展，两者抗压强度差距逐渐缩小，60d时RLGC水泥混凝土的抗压强度已经接近P·O 42.5R水泥混凝土；

(3)RLGC水泥配制的混凝土渗透性和抗冻性与P·O 42.5R水泥混凝土差异不大，碳化7d时碳化深度显著高于P·O 42.5R水泥混凝土，但碳化时间超过14d后，两者碳化深度趋于相同。

作者：杨勇1，张林1，伍勇华2，齐昭栋2，姜春英1

所属：1冀东海德堡(泾阳)水泥有限公司；2西安建筑科技大学材料科学与工程学院

来源：《中国水泥》

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