高贝利特水泥混凝土的抗拉性能

李红东

摘要：轴心抗拉试验和劈裂抗拉试验结果表明，不同龄期和不同水灰比的硅酸盐混凝土与高贝利特水泥混凝土的极限拉伸值和抗拉强度各不相同。同时通过采用界面过渡区显微硬度试验、X射线能谱分析和垫资扫描电镜，硅酸盐水泥混凝土和高贝利特水泥混凝土的界面过渡区也呈现不同的表征。本文还分析了高贝利特水泥抗拉性能对于开裂所带来的影响。

关键词：高贝利特水泥混凝土；抗拉性能

作为一种典型脆性材料，混凝土抗拉性能远小于抗压强度。大体积混凝土在内外温差较大和有基础约束情况下容易产生裂缝，是建筑物的运行产生安全隐患。在工程设计中，经常会采用优化配合比、降低水泥水化热、温控等措施避免混凝土产生裂缝。不过实践当中即便是采取了上述抗裂措施，混凝土后期还是经常会出现裂缝。分析表明，混凝土的极限拉伸值低和抗拉强度低是影响开裂的主要因素，因此应当提高混凝土后期的抗拉性能。混凝土的抗拉性能与其界面过渡区结构有很大关系，骨料与水泥基体结合力大、界面结构密实混凝土的极限拉伸值就大，抗拉强度就高。水泥矿物组成的水化物结构和水化程度决定了混凝土界面过渡区的结构，水泥由不同矿物组成则其界面结构会不同，同时抗拉性能也不同。分析高贝利特水泥矿物组成和过渡区结构，有助于提高其抗拉性能。

一、实验

1、原材料

本实验采用的原料如下。硅酸盐水泥为P•I42.5水泥，山东青州中联水泥有限公司生产。细集料为中粗砂，细度模数2.6，山东青州产。粗集料为5.0-31.5mm碎石，山东青州产。高贝利特水泥为四川嘉华水泥有限公司产。外加剂为减水剂（粉体），济南德利泰建材科技有限公司生产。

2、制备

轴心强度、劈裂抗拉强度和极限拉伸测试所用材料采取水灰比为0.34、0.43、0.53制备试剂，标准养护至28.90、180d。用于测试混凝土极限拉伸测试和轴心抗拉强度的试体为100mmX300mm圆柱体，用语测试混凝土劈裂抗拉强度的试件尺寸则为150mmX150mmX150mm。制备水泥净浆分别采用高贝利特水泥和硅酸盐水泥按照水灰比为0.5来制备，与粗骨料混合24h后脱模，标准养护到试验龄期，试件尺寸为100mmX100mmX100mm，并且截取试件中部加工成约1cmX1cmX1cm的试样。

3、方法

轴向拉伸试验当中，试件偏心会对试验结果造成严重影响，应当将4个圆环串联并固定到万能试验机上在连接试件上的圆环。劈裂拉升试验过程要求平直，需用刚度大的垫条。极限拉伸值的确定方式为：先用丙酮清洗干净圆柱试体，然后将电阻应变片贴在圆柱体试体表面，焊接咋电阻应变仪导线上，加载并将相应的应变做好记录。X-Y记录仪会自动给出荷载-应变曲线。试件的极限拉伸值就是破坏荷载所对应的应变。高贝利特水泥与硅酸盐水泥混凝土的劈裂抗拉强度、极限拉伸值和轴心抗拉强度均用试件的平均值大小来表示；碎石与水泥石之间按过渡区的厚度和显微硬度则采用数字式MC010-HV-1000型显微硬度计测试分析。骨料与水泥石之间界面过渡区内水化产物的微观形貌则可以采用JSM-6390/LV型扫描电镜观察，并且采用与该仪器匹配的美国EDXA公司生产的X射线能溥仪定量分析微区元素。

二、结果与讨论

1.混凝土强度

1.1混凝土劈裂抗拉性能

试验表明所得，相同水灰比和龄期下，硅酸盐水泥混凝土的劈裂抗拉强度均低于高贝利特水90d泥混凝土；180d龄期硅酸盐水泥混凝土抗拉强度与28d龄期的高贝利特水泥混凝土相当。同时可以得出，高贝利特水泥混您土28d强度比低约0.65-0.85MPa，90d的抗拉强度比180d低约0.50MPa。硅酸盐水泥混凝土28d强度比90d低约0.50-0.60MPa，90d的抗拉强度比180d低约0.30MPa。龄期相同的情况下，高贝利特水泥混凝土拥有更好的劈裂抗拉性能，其抗拉强度增长会略大一些。

1.2混凝土轴心抗拉性能

通过实验观察到，硅酸盐水泥混凝土和高贝利特水泥混凝土的轴心抗拉强度都会随着水灰比的增大而减小；水灰比相同时，两种水泥混凝体的轴心抗拉强度都会随着龄期增加而增大；但是抗拉强度的增长率会随着龄期的增长而减小。相同龄期下，硅酸盐水泥混凝土的轴心抗拉强度都会小于高贝利特水泥混凝土。高贝利特水泥混凝土28d的轴心抗拉强度大于硅酸盐水泥混凝土90d的抗拉强度，具其抗拉性能更好。相同水灰比的两种水泥混凝土，龄期增加，极限拉伸值就增大；龄期长，极限拉伸值增成长率会减小。各龄期的两种水泥混凝土水灰比增大，极限拉伸值就会增大，同龄期情况下，硅酸盐水泥混凝土的极限拉伸值会小于高贝利特水泥混凝土。

由于混凝土性能受到水泥中矿物组成的影响较大，因此抗拉性能方面高贝利特水泥混凝土会优于硅酸盐水泥混凝土。C3A、C3S、C4AF、C2S等是水泥的主要矿物组成，C3S水化块，水化时放热较高，微裂缝较多，因此虽然能够提供较高的早期强度，后期强度却很低。C2S水化慢，水化热低，可以让混凝土后期强度有很好的保证，而且28d后其强度还会呈现明显增长。高贝利特水泥C3S含量是硅酸盐水泥的1/2，C2S含量则是硅酸盐水泥的2倍，因此后期强度高贝利特水泥会更高。混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度与其抗压强度成正比，所以后期的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度，高贝利特水泥混凝土明显高于硅酸盐水泥混凝土。因为混凝土骨料附近有水囊和较多的Ca（OH）2晶体，所以混凝土最薄弱的环节就是骨料-水泥石基体的界面过渡区，直接影响到混凝土的抗拉性能，C2S含量高的水泥界面过渡区界面结构好，Ca（OH）2富集数量少，其粘结强度就高。由于硅酸盐水泥混凝土和高贝利特水泥混凝土的C2S和C3S矿物组成不同，相同的龄期界面过渡区内富集的Ca（OH）2就会不同，高贝利特水泥中Ca（OH）2会较少，粘结强度更高，均质性更好，因此其极限拉伸值、轴心抗拉轻度和劈裂抗拉强度都要高于硅酸盐水泥混凝土。

2.高贝利特水泥混凝土界面过渡区分析

2.1过渡区形貌

采用SEM观察28d硅酸盐水泥混凝土和高贝利特水泥混凝土粗集料—水泥石接线过渡区的微观形貌，对典型微区进行放大500倍观察，可以看到硅酸盐水泥混凝土粗骨料—水泥石界面结构疏松，发现定向排列有大量的Ca（OH）2完整晶体，并存在明显裂缝。高贝利特水泥混凝土则没有发现完整的Ca（OH）2，界面清晰度较小，并且网络状均匀分布着水化硅酸钙，与粗骨料粘结性好，结构紧密，抗拉强度大。

2.2、高贝利特水泥混凝土界面过渡区钙硅比

通过分析不同水泥混凝土硅钙比波动变化可以推断出界面过渡区内的厚度和结构。以28d龄期水泥混凝土为分析对象，粗骨料—高贝利特水泥石界面过渡区在0-60μｍ时硅钙比小于3.7，硅钙比会随着距离界面越远而呈现逐渐减少趋势，到达60μｍ的时候硅钙比稳定在1.25-1.32，也就是说高贝利特水泥混凝土的界面过渡区厚度为60μｍ。粗骨料—硅酸盐水泥石界面过渡区的硅钙比变化相对较大，0-40μｍ区间内硅钙比大于4.0，85μｍ区间时硅钙比稳定为1.34-1.40，因此得出85μｍ是硅酸盐水泥石界面过渡区厚度。粗骨料界面相同区间内的硅钙比，高贝利特水泥石明显小于硅酸盐水泥石，也就是前者Ca（OH）2晶体含量明显低于后者。水泥水化产物中含过高的Ca（OH）2晶体，容易降低凝胶物与粗骨料间的粘结强度，增加界面过渡区厚度，影响混凝土抗拉性能。

2.3界面过渡区显微硬度

通过观察和分析，粗骨料—高贝利特水泥石界面过渡区为60μｍ左右，过渡区最小硬度为31.3MPa；粗骨料—硅酸盐水泥石界面过渡区则为85μｍ左右，过渡区最小硬度为22.4MPa；相比较而言，高贝利特水泥石比硅酸盐水泥石的过渡区范围小25μｍ，最小硬度则大8.9MPa。因此，高贝利特水泥基体与粗骨料界面结合性强于硅酸盐水泥基体其抗拉强度明显提高。该分析结果与之前的硅钙比分析结果完全一致。

结语相比较而言，高贝利特水泥混凝土界面结构比硅酸盐水泥混凝土更具优势。在相同龄期和水灰比的基础上，高贝利特水泥混凝土的抗拉性能比硅酸盐水泥混凝土要优越不少。