碱式硫酸镁水泥混凝土基本力学性能研究

碱式硫酸镁水泥混凝土基本力学性能研究

陈文海;吴成友;张慧芳;郑树海;陈方宇

【摘要】为了研究碱式硫酸镁水泥混凝土的基本力学性能,利用普通混凝土力学性能试验方法,研究了混凝土立方体抗压强度(fcu)、轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fsp)以及弹性模量(Ec)等基本力学参数.结果表明:(1)在一定范围内,碱式硫酸镁水泥混凝土立方体抗压强度随水灰比的降低而提高.(2)碱式硫酸镁水泥混凝土立方体抗压和劈裂抗拉强度、轴心抗压强度存在着线性关系.(3)碱式硫酸镁水泥混凝土具有更高的劈裂抗拉强度和轴心抗压强度,抗裂性能优异.(4)在C30～C60,碱式硫酸镁水泥混凝土的弹性模量随着抗压强度的增长而增长.高强时,弹性模量明显高于普通硅酸盐混凝土.碱式硫酸镁水泥混凝土在结构设计方面优于普通硅酸盐混凝土.

【期刊名称】《青海大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(035)002

【总页数】7页(P48-54)

【关键词】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;弹性模量

【作者】陈文海;吴成友;张慧芳;郑树海;陈方宇

【作者单位】青海大学土木工程学院,青海西宁810016;青海大学土木工程学院,青海西宁810016;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁810008;青海大学土木工程学院,青海西宁810016;青海大学土木工程学院,青海西宁810016

【正文语种】中文

【中图分类】TU528

传统的硫氧镁水泥是由活性MgO与一定浓度的MgSO4溶液组成的MgO-MgSO4-H2O三元体系气硬性胶凝材料[1]，克服了氯氧镁水泥的吸潮反卤、对钢筋锈蚀严重等缺点，但仍然存在易变性、开裂、耐水性和抗盐腐蚀性能差等问题。为了发挥传统硫氧镁水泥的优点，克服水化不充分的缺点。学术界经过大量的研究，通过外加剂技术，最终研制出具有高强、抗水、抗盐等优异性能的碱式硫酸镁水泥[2-6] 。有研究[1，7]发现此种胶凝材料的主要水化产物为碱式硫酸镁晶须，化学

式为5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O，相比硅酸盐水泥(PO.C)，此种水泥具有质轻、

凝结快、早强、高强、耐磨等优点[5]，显现了独特的性能。余红发等[8]参照硅酸

盐水泥标准，利用碱式硫酸镁水泥初步制备出了强度等级为52.5 ～60R的混凝，并成功研制出了发泡混凝土砌块与保温板。何梁[9]对碱式硫酸镁水泥混凝土的制

备方法做了系统的研究，但目前，学术界缺少对碱式硫酸镁水泥混凝土的抗盐腐蚀性能的研究。本文以碱式硫酸镁水泥(Basic Magnesium Sulphate

Cement ,BMSC)为原料，掺加适当的骨料制备新型碱式硫酸镁水泥混凝土，研究

碱镁水泥混凝土立方体抗压强度与水灰比、龄期以及一些基本力学性能，如立方体抗压强度(fcu)、轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fsp)和弹性模量(Ec)等的关系，

为碱式硫酸镁水泥混凝土在结构设计方面提供理论基础。

(1)自制碱式硫酸镁水泥。主要组成成份包括轻烧氧化镁粉、粉煤灰、

MgSO4 ·7H2O 和自制S外加剂，水泥品种是BMSC52.5。力学性能见表1。(2)砂。青海产河砂。表观密度2 650 kg/m3 ，含泥量2%细度模数2.5，属于II

区级配，中砂。

(3)石。青海产玄武岩碎石。最大粒径为 20 mm，针片颗粒含量 22%。压碎性指

标 23% ，表观密度2 700 kg /m3 ，堆积密度 1 650 kg / m3 ，基本属于 5～20 mm 连续级配。

(4)水。自来水。

参照碱式硫酸镁水泥混凝土配合比设计[9]，主要通过调整水泥用量和水胶比，设

计了C30 ～C60共7个强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土的配合比，见表2。

将水泥、石，砂等原材料加入搅拌机，干拌3 min后，加水搅拌5 min。出料后

迅速将其浇注、振动成型100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100

mm×300 mm的混凝土试件。24 h后拆模，放入室内自然养护。

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》[8]测量碱式硫酸镁水泥混凝土fcu 、 fc 、 fsp和Ec。fcu ， fsp测试采用100 mm × 100 mm

× 100 mm 立方体试件， fc和Ec 测试采用100 mm × 100 mm × 300 mm 棱柱体试件。

fcu 、 fc 、 fsp和Ec是混凝土配合比设计中的重要参数。其中， fcu是混凝土最基本、最重要的力学强度，是衡量混凝土强度的基本指标，也是工程中混凝土选材的重要依据。本次试验用C30，C40，C50对fcu 与养护龄期的关系进行了试验

分析，结果见表3。

图1为碱式硫酸镁水泥立方体抗压强度与龄期的关系，BMSC和PO.C分别指的

是碱式硫酸镁水泥混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土。可以看出混凝土强度随着养护龄期的增长而增加，在同等强度等级的情况下，相比普通硅酸盐水泥混凝土，碱式硫酸镁水泥混凝土早期强度增长较快。3 d强度可达到28 d的64%～83%；7 d

可达到80%以上，而普通硅酸盐水泥混凝土7 d强度只有28 d强度的60%。碱

式硫酸镁水泥混凝土的早强优势比较明显。

水灰比的大小直接影响到混凝土的强度、耐久性能、流变性能和其他物理力学性能，是混凝土结构设计中重要参数之一。表4给出了不同水灰比下碱式硫酸镁水泥混

凝土立方体抗压强度值。

图2所示为碱式硫酸镁水泥水灰比与抗压强度的关系。可以看出碱式硫酸镁水泥

混凝土抗压强度在一定范围内，随水灰比的增加，强度降低。当灰水比在2.0～4.0时，混凝土的抗压强度和灰水比存在着线性关系。水灰比过高，例如

C/W=5.0时，混凝土的强度降低。这主要是因为，水灰比过大，水泥早期水化程度较低，未水化的水泥胶凝材继续水化，导致混凝土内应力增加，破坏内部结构，对强度产生不利影响[10]。

按照鲍罗米公式的形式进行回归分析，碱式硫酸镁水泥混凝土的鲍罗米方程为：其中A=0.314 ，B=-0.06 ， fcu，0为立方体抗压强度， fce为碱式硫酸镁水泥的28 d实测抗压强度(58 MPa)。

fc是采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱体作为标准试件所测得的轴心抗压强度，因为棱柱体的受压状态和构件实际受压状态相近，所以轴心抗压强度更能反映混凝土的实际抗压能力。

表5列出了碱式硫酸镁水泥混凝土与普通混凝土立方体抗压[11]和轴心抗压强度数据，通过对数据的回归分析得出fc和fcu的线性关系。

由图3可以看出，相同强度等级时，碱式硫酸镁水泥混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土相比具有更高的轴心抗压强度，且轴压比要高于硅酸盐混凝土。碱式硫酸镁水泥混凝土强度等级越高，轴心抗压强度越接近立方体抗压强度。因为轴心抗压强度是结构设计中的重要依据，因此碱式硫酸镁水泥混凝土比普通硅酸盐混凝土设计强度上更有优势。

表6给出了普通硅酸盐混凝土和式硫酸镁水泥混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度。

混凝土属于脆性材料，受到拉力后容易产生结构开裂、发生脆性破坏(如剪切破坏)[12]，因此抗拉强度是混凝土结构设计中的重要参数之一。由于直接测量轴心抗拉强度比较困难，试验因此大多采用劈裂抗拉强度表征混凝土的抗拉性能。

对碱式硫酸镁水泥立方体抗压强度和劈裂强度关系进行了拟合，线性关系如下