硫铝酸盐水泥后期强度的改进研究.

研究与探讨
广东建材２００９年第４期
硫铝酸盐水泥后期强度的改进研究
丁益
（先进建筑材料安徽省重点实验室）（安徽建筑工业学院材化学院）（先进建筑材料安徽省重点实验室）（安徽建筑工业学院材化学院）（南京工业大学材料与化学学院）
王爱国
张伟
摘
（南京工业大学材料与化学学院）
要：为了解决硫铝酸盐水泥后期强度问题，使其满足工程和建筑强度的要求，需要系统的研究
解决硫铝酸盐水泥后期强度倒缩的问题。

采用抗压，抗折测试手段，通过测量物理力学性能变化，研究不同掺和料不同含量对硫铝酸盐强度的影响，从中找出规律，在此基础上进行研究分析。

关键词：矿物掺和料；硫铝酸盐水泥；力学性能
２０世纪７０年代，我国科研人员自主研制开发了硫
表１硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成
熟料名称
Ｓｉ０２
铝酸盐系列水泥，其熟料的矿物组成以Ｃ４。

ｓ钙凝胶等。

硫铝酸盐水泥熟料在化学组成上，与硅酸盐水泥熟料有
ＡＬ２０３
Ｆｅ２０３
ＣａＯ
Ｓ０３
很大的不同，属ｃａ０＿＿ＡＬ２０厂Ｓｉ０厂Ｆｅ２０３＿Ｓ０３五元系统；在矿物组成上也有显著区别，主要为无水硫铝酸钙（Ｃ４。

Ｓ—．）、硅酸二钙（Ｃ２Ｓ）、铁铝酸四钙（Ｃ４ＡＦ）。

其主要矿物无水硫铝酸钙（Ｃ４。

ｓ一）在１３５０℃形成，在熟料组成中占５５％～７５％。

无水硫铝酸钙（Ｃ４３Ｓ一）的水化特性及
Ｉ
１
ＣａＯ０．３４
表２硅灰的主要化学成分与含量（％）
Ｓｉ０２９１－０８
Ａｌ疵ｌ
０．８６
Ｆｅ２０３１．３４
ＭｇＯ０．２７
Ｌｏｓｓ
ｌ
３．０９
粉状胶结材料，石灰，一种以氧化钙为主要成分的气硬
性无机胶凝材料，硅灰：硅灰的主要化学成分为非晶态的无定型二氧化硅，产自淮南，硅灰的主要化学成分与含量如表２。

水化产物与形成温度、水化条件等因素有关Ｃａ卜
ＡＬ２０３－～ｓｉ０２－＿Ｆｅ２０广ｓ０３五元系统中形成的与无水硫铝
酸钙（Ｃ４。

Ｓ一）共存的硅酸二钙（Ｃ：Ｓ），水化性能与在硅
酸盐水泥熟料中不同，水化硬速度都发展较快［¨。

该系列水泥以其早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀等优良性能，
１．２试验准备及方法
利用球磨机将水泥熟料、建筑石膏、石灰等磨细至Ｂｌａｉｎｅ比表面积４００ｋｇ／ｍ２左右，测得筛余量为０．８％。

试验中水灰比０．４，水泥净浆试验参照ＧＢ／Ｔ１７６７１—１９９９ＩＳ０法进行，净浆试件尺寸为４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ，标准试验条件养护，分别测试ｌｄ、３ｄ、７ｄ、２８ｄ的抗压和抗折强度。

首先采用在硫铝酸盐水泥中添加石膏（Ｏ．５％，１％，１．５％，３％，６％），石灰（０．５％，１％，１．５％，３％，６％）和硅灰（０．５％，１％，１．５％，３％，６％）的单因素实验。

通过单因素试验的分析比较然后进行正交试验，确定最在本试验条件下的最佳配比。

应用于低温、地下、快速抢修工程及水泥制品等行业。

与
铝酸盐系列水泥相比，硫铝酸盐系列水泥水化产物的稳定性大大提高，力学性能的稳定性也有了很大改善，但
是不可忽略的是硫铝酸盐水泥仍然存在后期强度尤其是后期抗折强度倒缩的缺点，需要不断地改进和完善腿３】。

１试验及试验方法
１．１原材料
本论文实验过程中采用的原材料主要有硫铝酸盐
水泥、石灰、石膏和硅灰。

（１）水泥：山东生产的硫铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥主要是以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的水泥，熟料的矿物组成（％）如表１。

２试验结果及分析
２．１单因素试验
石膏和空白组的力学测试结果如图ｌ，实验编号１
（２）石膏：建筑石膏粉以Ｂ半水石膏为主要成份的
一８一
万方数据
广东建材２００９年第４期研究与探讨
图１添加石膏的水泥净浆强度随添加量不同的变化图
图２添加石灰的水泥净浆强度随添加量不同的变化图
代表空白组强度其它依次分别为石膏含量为０．５％、１％、１．５％、３％、６％组号。

在石膏的单因素实验中，综合抗折和抗压强度（与空白组相比），我们可以看出第四组的２８ｄ强度提高相对较多，可以解决一定的强度倒缩问题，抗压有所损失，抗折强度则有所增大，我们认为添加石膏的最佳量为１．５％，在加入３％的石膏中，其７ｄ的抗压值最大，２８ｄ强度出现倒缩，加入石膏的实验中可以看出，对解决硫铝酸盐水泥的抗折强度倒缩帮助很大，对抗压强度则影响不大，从图中还可以看出在硫铝酸盐水泥强度发展过程中，从一个龄期出现抗折强度倒缩。

添加石灰和空白组的力学测试结果如图２，实验编号１代表空白组强度其它依次分别为石灰含量为Ｏ．５％、１％、１．５％、３％，６％组号。

在石灰的单因素实验中综合抗折和抗压强度（与空白组相比），我们可以看出第五组的２８ｄ强度提高相对较多，可以解决一定的强度倒缩问题，抗压有小量损失，抗折强度则有所增大，我们认为添加石灰的最佳量为３％，在加入６％的石灰的硫铝酸盐水泥中，其２８ｄ抗折强度最大，用于对抗折有特殊要求的工程中，其７天的抗压强度值也最大，但２８ｄ后的强度出现倒缩。

加入石灰的实验中我们可以看出，对解决硫铝酸盐水泥的抗折强度倒缩有帮助，特别是抑制后期的抗折强度倒缩。

添加硅灰和空白组的力学测试结果如图３，实验编号１代表空白组强度其它依次分别为硅灰量为１％，５％，１０％组号。

在硅灰的单因素实验中综合抗折和抗压强度（与空白组相比），我们可以看出第３组的２８Ｄ强度提高相对较多，可以解决一定的强度倒缩问题，抗压增加很
大，抗折强度则增大较明显，我们认为添加硅灰的最佳量为５％，在硅灰的量增加到ｌＯ％，抗压和抗折强度都下降，加
入硅灰的实验中我们可以看出，对解决硫铝酸盐水泥的
强度倒缩有帮助，后期强度提高较大。

２．２正交实验与简单分析
从上面的单因素实验可以确定为三因素四水平正交实验，石膏、石灰、硅灰的变量为：ｏ．５％、１％、５％、ｌＯ％。

测
得的抗折和抗压结果如图４（编号ｌ为空白组）。

在硫铝酸盐水泥的三因素交叉组实验中，我们从图
中可以看出，实验编号７的２８ｄ抗折强度值最大，也就
是在硫铝酸盐水泥中加入１０％石膏、１５％石灰和１０％的硅灰能更好的提高硫铝酸盐水泥的抗折性能：实验编号１０的２８ｄ的抗压强度值最大，也就是在硫铝酸盐水泥中加入１５％石膏、１０％石灰和１％的硅灰能更好的提高硫铝酸盐水泥的抗压性能。

２．３机理分析
一９一
万方数据
研究与探讨广东建材２００９年第４期
图３添加硅灰的水泥净浆强度随添加量不同的变化图
图４正交实验抗折和抗压强度随添加量的不同变化图
（１）石膏的机理分析：一方面，石膏缓凝，抑制水化进
行，硫硫酸盐熟料中Ｃ４Ａ３Ｓ为主要相，在石膏存在的情况下发生如下反应：Ｃ４３Ｓ＋２ＣＡＳ０４２Ｈ２０＋３４Ｈ２０一Ｃ４ＣＡＳ０４３２Ｈ２０＋２ＡＬ２０３＋２ＡＬ２０３３Ｈ２０
使水泥的水化速率加剧，强度则快速发展．而过多的石灰加入，主要是大量石灰的参入会导致水泥的界面过度区增大，空隙率加大，ＣＨ的集体结晶和取向性生长会给强度的发展带来破坏慨６ｌ。

（３）硅灰的机理分析：由于硅粉的粒径小，比表面积大，所以水泥浆体和混凝土掺入硅粉后，随着硅粉掺量的增加，需水量增大，自收缩也增大。

硅灰对硬化硫铝酸盐水泥浆体微结构的影响机理主要体现在以下几个方
另一方面，石膏对水化的促进作用。

石膏对Ｃ４Ａ３ｓ水
化具有促进作用，以及Ｃ４。

Ｓ、Ｂ－Ｃ：Ｓ和２ＣＡＳＯ。

２Ｈ。

０之间的相互促进作用，适当的石膏掺量可以提高在硫铝酸
盐水泥的强度，这是由于石膏的加入在硫铝酸盐水泥其水化产物的生产速率和扩散速率匹配得很好，随着龄期的增长，可以通过反应进一步填充空间，结构更致密，提
高其强度．石膏的掺量过大时，由于石膏的量加大，膨胀也随着增大，使自由状态下的水泥石的空隙率增加，结构变的松弛，强度则下降［４】。

面：①提高水泥水化度，并与Ｃａ（０Ｈ）。

发生二次水化反
应，增加硬化水泥浆体中的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶体的数量，且改善了传统Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶体的性能，从而提高硬化水泥浆体的性能。

②硅粉及其二次水化产物填充硬化水泥浆体中的有害孔，水泥石中宏观大孔和毛细孔孔隙率降低，同时增加了凝胶孔和过渡孔，使孔径分布发生很大变化，大孔减少，小孔增多，且分布均匀，从而改变硬化水泥浆
（２）石灰的机理分析：石灰对水泥强度的影响和石灰
的量有密切的关系，当石灰加入硫铝酸盐水泥时，Ｃ。

Ｓ等的矿物组分在溶解的同时，溶液中液相ＣＨ的浓度已经达到饱和，所以刚刚开始水化时，由于液相中饱和ＣＭ＋
体的孔结构。

③硅粉的掺入可以消耗水泥浆体中的
Ｃａ（０Ｈ）：，改善混凝土中硬化水泥浆体与骨料的界面性能。

硅灰接触拌合水后首先形成富硅的凝胶，并吸收水分；凝胶在未水化水泥颗粒之间聚集，逐渐
包裹水泥颗粒；Ｃａ（ＯＨ）：与该富硅凝胶的表面反应产生Ｃ—ｓ—Ｈ凝胶，这些来源于硅灰和Ｃａ（ｏＨ）。

的Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶多生成于水泥水化的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶孔隙之中，大大提高了结构密实
度。

由于以上原因，使得硫铝酸盐水泥浆体中掺入硅粉
存在，而ＣＡ２＋的同位效应必然阻止Ｃ３Ｓ的早期水化，使水化热降低很多，这样，Ｃ。

Ｓ的溶解会进一步减慢，其凝
结时间会有不同程度的延长，当ＣＨ相饱和之后，会很快析晶，ＣＨ的晶核会快速增加，新形成的液ＣＳＨ会附着在
晶核的周围形成框架结构，由于液相的ＣＨ和ＣＳＨ减少，
一１０一
万方数据
广东建材２００９年第４期
研究与探讨
水平地震激励对结构体系竖向地震响应影响分析
黄昱华
摘
（广州地铁设计研究院有限公司）
要：１９９９年日本阪神大地震后，人们发现结构产生了如建筑中间某层被挤压破坏且未整体倒
塌、房屋楼层整体错位等震害现象。

一直以来这些现象都被认为是竖向地震力作用的结果，但都没有得到很好的解释，本文对结构体系进行竖向地震响应分析时，在竖向激励不同时刻输入水平地震激励，以期通过耦合的地震作用来解释这些破坏现象，为结构体系抗震设计做出一些贞献。

关键词：框架结构，水平地震作用，竖向地震作用，耦合作用，动力弹塑性时程分析
地震中，建筑的倒塌以及墙体的４５。

斜裂缝，可以归结为水平地震力的作用；高耸建筑的水平环缝和竖向裂缝、钢筋混凝土柱的水平裂缝以及压溃破坏等等震害现象，可以归结为竖向地震力的作用。

１９９９年日本阪神大地震后，人们发现结构的某些地震破坏现象（如建筑中间某层被挤压破坏且未整体倒塌、房屋楼层整体错位等），一直以来这些现象都被认为是竖向地震力作用的结果，但都没有得到很好的解释，本文试图通过水平和竖向地震的耦合作用来解释这些破坏现象，为结构体系抗竖向地震的设计做出一些贡献。

本文对平面框架结构进行水平和竖向地震耦合激
励响应分析，选用平面杆系模型，如图ｌ所示。

１．２运动微分方程
结构平面内的运动微分方程总可写成如下形式：
［Ｍ］Ｘ｛廿）＋【ｃ１ｘ｛ｏ）＋［Ｋ】×｛ｕ）一［Ｍ】ＩＩⅢｇ）ｏ式中，｛Ｕ）为结构节点相对地面的位移向量，｛Ｕ．｝为地面
运动加速度，【Ｍ】、［ｃ】、［Ｋ】分别为结构的总质量矩阵、
总阻尼矩阵和总刚度矩阵，｛Ｉ｝为全１列阵。

１．３单元刚度阵和质量阵
如图１所示框架结构，结构单元刚度矩阵通过建立Ｈｅｒｍｉｔｅ变形插值函数建立，结构单元质量矩阵采用一
１计算模型及运动微分方程
１．１力学模型
３结论
水泥中加入不同掺和料，摸索研究了建筑石膏、石灰、硅
［３］唐晓娟，芦令超．阿利特一硫铝酸盐水泥水化硬化研究进展
姿萎登篓蓑璧兰銮篓零罂兰臻篓妻銎翟黧觜纂罴，腻２００３，石２．灰的掺入对水泥砂浆凝结行为及套竺矍雩誓查塑！垫会÷『ｃ！兰夏亨、。

・跫夏灰
竺：！兰堂譬李芸莘蔷；磊薪磊：；蚤篙磊簇三；孬萎羞主蒜［”Ｊ］。

“，２—００“７“一
能更好的提高硫铝酸盐水泥的抗折性能；在硫铝酸盐水泥中加入１５％石膏、１０％石灰和１％的硅灰能更好的提高
泥系统中的作用，济南大学学报（自然科学版）［Ｊ］，２００２．３
［４］侯文萍，付兴华，张华杰等。

外加剂对硫铝酸盐水泥性能影响
；ｊ＾夏蓦ｌ衬箕菇；蔷莲蕃＿强焘蔷磊一苏加剂在硫铝酸盐水
【参考文献】
［１］王燕谋，苏慕珍，张量中．硫铝酸盐水泥的分类及其各品种问的区别［Ｊ］，中国水泥，２００７，２
—１１—
万方数据
硫铝酸盐水泥后期强度的改进研究
作者：
作者单位：丁益，王爱国，张伟丁益(先进建筑材料安徽省重点实验室;安徽建筑工业学院材化学院)，王爱国(先进建筑材
料安徽省重点实验室;安徽建筑工业学院材化学院;南京工业大学材料与化学学院)，张伟
(南京工业大学材料与化学学院)
广东建材
GUANGDONG BUILDING MATERIALS
2009，(4)
0次刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
参考文献(7条)
1.王燕谋.苏慕珍.张量硫铝酸盐水泥的分类及其各品种间的区别[期刊论文]-中国水泥 2007(2)
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3.唐晓娟.芦令超阿利特-硫铝酸盐水泥水化硬化研究进展[期刊论文]-济南大学学报（自然科学版） 2006(3)
4.侯文萍.付兴华.张华杰.黄世峰.吕小平.孟宪春外加剂对硫铝酸盐水泥性能影响的研究[期刊论文]-硅酸盐通报2003(2)
5.荣辉.高礼雄.李静.周泉石灰的掺入对水泥砂浆凝结行为及力学性能的研究 2007
6.侯文萍.付兴华.黄世峰强度倒缩一外加剂在硫铝酸盐水泥系统中的作用 2002(3)
7.杨玉喜.刘学全硅灰在混凝土中的作用[期刊论文]-黑龙江交通科技 2007(6)
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