高贝利特水泥及混凝土耐久性的研究

　　一、前言

　　高贝利特水泥（简称HBC）是中国建筑材料科学研究院开发出的一种新型低热硅酸盐水泥。该水泥与通用硅酸盐水泥同属硅酸盐水泥体系，即熟料矿物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF组成，两者不同之处主要是高贝利特水泥是以贝利特矿物（C2S）为主，其含量在50%左右，为此赋予高贝利特水泥及混凝土具有水化热低、最终强度高、耐久性好等一系列优异性能。

　　二、试验用原材料

　　1. 水泥  高贝利特水泥（HBC），对比试验采用硅酸盐水泥（PC）和通用硅酸盐水泥（OPC）。

表1  试验用原材料的化学组成

　　2. 粉煤灰  选用内蒙元宝山一级粉煤灰FA, 其性能指标如下：细度为9%；烧失量为0.5%；SO3含量为0.35%；需水量比为86%。

　　3. 高效减水剂  
　　⑴ FDN-Ⅱ高效减水剂，北京市化工建材厂，萘磺酸钠甲醛缩合物；
　　⑵ BW高效减水剂，萘系；
　　⑶ 三聚氰胺(SM)高效减水剂。

　　4. 粗骨料  碎石，粒径5mm~20mm。

　　5. 细骨料  河砂，细度模数2.7，级配合格。

　　6. 水  自来水。

　　三、高贝利特水泥的物理性能

　　1. 常规性能

　　从表2可明显看出，通用硅酸盐水泥早期水化速度快，7d强度即能达到其28d强度的60～80%，而高贝利特水泥由于以贝利特矿物为主，早期水化活性相对较低，7d强度约为其28d强度的40～60%，7d以后的强度增进率明显高于通用硅酸盐水泥，至28d龄期时强度与通用硅酸盐水泥相当，3m～6m龄期时，高贝利特水泥强度超出硅酸盐水泥约5～10.0MPa，表现出良好的长期强度性能。

表2  高贝利特水泥强度试验结果

　　2. 水泥特性

　　2.1不同养护温度下高贝利特水泥的强度发展规律

　　从表3和图1可以看出，通用硅酸盐水泥在养护温度从20℃提高到70℃时，1d强度增加1倍以上，3d强度略有增加，7d强度变化不大，而28d强度呈下降趋势。而高贝利特水泥的强度发展规律则不同，各龄期强度随养护温度的增加呈提高。70℃养护与20℃养护相比，高贝利特水泥3d强度由20.6MPa提高至54.5MPa，7d由27.9MPa提高至67.5MPa，28d强度也相应提高10MPa以上；50℃养护与20℃养护相比，高贝利特水泥3d强度提高87.9%，7d提高96%，28d提高约20%。

　　与通用硅酸盐水泥相比，高贝利特水泥具有更为优越的高温强度稳定性能。如在50℃养护条件下，高贝利特水泥3d强度与通用硅酸盐水泥基本相当，28d强度比通用硅酸盐水泥提高约30%；在70℃水浴养护下，高贝利特水泥3d强度比通用硅酸盐水泥提高20～30%，28d强度提高约40～50%。

表3  不同养护温度条件下的水泥强度(MPa)

　　2.2水化热

　　试验结果见表4，高贝利特水泥在不同水化龄期的水化放热比中热硅酸盐水泥（MHC） 低约15%，比PC水化热低20～25%，是一种低热、高强的高性能水泥。

表4  不同龄期的水化放热实测值

　　2.3耐侵蚀性能

　　试验按GB749-65《水泥抗硫酸盐试验方法》进行，试验结果见表5。从耐蚀性能看，在不同试验龄期、不同侵蚀介质中，高贝利特水泥的耐蚀系数均高于通用硅酸盐水泥，特别是高贝利特水泥的抗硫酸盐侵蚀系数比硅酸盐水泥高近一倍，这说明高贝利特水泥与通用硅酸盐水泥相比，具有良好的耐蚀性能，尤以抗硫酸盐侵蚀为佳。

表5  耐蚀试验结果(抗折强度MPa/耐蚀系数)

　　2.4干缩性能

　　试验方法按GB751-81《水泥胶砂干缩试验方法》进行，试验结果见表6。高贝利特水泥的干缩率低于通用硅酸盐水泥，各龄期的干缩率为通用硅酸盐水泥的50%～70%。而且高贝利特水泥的干缩稳定期较短，28d后的干缩率基本无变化。这表明高贝利特水泥具有优于通用硅酸盐水泥的抗干缩性能。

表6  水泥胶砂干缩率试验结果

　　2.5耐磨性能

　　耐磨性是道路水泥的重要性能指标，《道路水泥》国家标准规定以磨损量表示要求道路水泥不得大于3.60kg/m2。高贝利特水泥的耐磨试验按JC/T421-91《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行。经测定高贝利特水泥的磨损量仅为1.33kg/m2，具有良好的耐磨性能。

　　四、高贝利特水泥混凝土的性能

　　1. 高贝利特水泥混凝土的力学性能

图1HBC和PC28d强度随养护温度的变化规律

　　图2是C50～C80不同等级的HBC混凝土和OPC混凝土的强度对比，各强度等级下，HBC混凝土3d、7d强度低于OPC混凝土，但28d强度基本与OPC混凝土持平，90d则超过OPC混凝土近10MPa，说明HBC混凝土具有优异的后期强度增进率。

图2不同等级的HBC混凝土和OPC混凝土各龄期的强度对比

　　2. 高贝利特水泥混凝土的耐久性能

　　2.1 抗冻性能

　　试验方法采用“水工混凝土试验规程SD105-82”快冻法，试验结果见表7。HBC和OPC混凝土其相对耐久性指数DF均大于90%，重量损失率几乎为0，且抗冻标号远大于D300，能很好地满足高抗冻要求。HBC混凝土的抗冻性能稍优于OPC混凝土。随着混凝土强度等级的提高，混凝土的抗冻性能还可以进一步提高和改善。

表7  HBC和OPC混凝土的抗冻融性能

注：Pn—相对动弹性模量；Wn—质量损失率；“-”表示质量增加。

　　2.2 抗渗性能

　　试验采用顶面直径为175mm，底面直径为185mm，高度为150mm的圆台体抗渗试件，标养28d进行试验。试验从水压0.1MPa开始，以后每隔8小时增加水压0.1MPa，加压至2.8MPa并保持8小时后，试件均无透水现象，劈开试件测量渗透高度。试验结果见表8。HBC混凝土和OPC混凝土抗渗等级均大于P25，表现出优异的抗渗性能。从6个试件加压至2.8MPa并保持8小时后的平均渗水高度来看，HBC混凝土为19.1mm，而OPC混凝土为27.7mm，这说明HBC混凝土的抗渗性能优于OPC混凝土。

表8  国标抗渗试验结果 

　　2.3 碳化性能

　　采用100mm×100mm×100mm的立方体试件进行试验，每组15块。标准养护至26d取出，然后在60℃温度下烘干48h。碳化箱内CO2浓度为（20±3）%，湿度为（70±5）%，温度为（20±5）%。试验结果见表9，和OPC混凝土相比，HBC混凝土的平均碳化深度略大一些，28d平均碳化强度稍低一些，但两者碳化系数都较高，均为0.96。这说明HBC和OPC混凝土均具有优良的抗碳化性能，且两者抗碳化性能总体上大致相当。

表9  混凝土碳化试验结果

　　2.4 干缩性能

　　本试验采用100mm×100mm×515mm的棱柱体标准试件。试件在3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）从标准养护室取出并立即移入恒温室（温度20±2℃，相对湿度60±2%）测定初始长度，然后测量其各龄期的变形读数，试验结果见表10。HBC混凝土其各龄期收缩值均明显小于OPC混凝土，这说明HBC混凝土具有较好的体积稳定性。

表10  HBC混凝土干缩试验结果

　　五、 结论

　　1. 与通用硅酸盐水泥相比，高贝利特水泥具有标准稠度需水量低，工作性、流动性好的特点，其早期强度(3d、7d)偏低，但28d强度与之相当，后期强度增进率高，3m～6m龄期时高贝利特水泥强度超出PC约5～10MPa，表现出良好的长期强度性能。

　　2. 随养护温度的提高，高贝利特水泥早期强度明显提高，其1d强度提高200～500%，3d强度提高50～250%，7d强度提高50～150%，28d强度仍呈增长趋势，而通用硅酸盐水泥除1d强度大幅度提高外，3d、7d强度增长不明显，28d强度呈下降趋势。

　　3. 与通用硅酸盐水泥相比，高贝利特水泥水化热低，不同龄期时的水化热比通用硅酸盐水泥低20～25%，比中热硅酸盐水泥低15%左右。

　　4. 与通用硅酸盐水泥相比，高贝利特水泥具有优异的抗侵蚀性能，并且具有干缩小，耐磨性好等特点。

　　5. 和通用硅酸盐水泥混凝土相比，HBC混凝土早期抗压、抗折和劈拉强度偏低，但28天基本与之持平，90天则超过通用硅酸盐水泥混凝土，表现出较好的后期强度增进率和优异的抗折、抗拉性能。

　　6. HBC混凝土具有良好的抗渗、抗冻、抗碳化性能，且干缩较小，表现出优异的耐久性能。

参考文献：
　　[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，刘克忠，王晶等，高性能新型胶凝材料——高贝利特水泥的性能研究，中国硅酸盐学报，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]  文寨军、隋同波、范磊等，高贝利特水泥高性能混凝土力学性能的研究，《混凝土》，2002年第12期