刘斌清，徐国栋，叶超强，黄泽国

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

通用硅酸盐水泥常用于一般工程项目中，其凝结速度和早期强度发展慢，在道路抢修、抢险工程等情况中应用受到限制。20世纪70年代，硫铝酸盐水泥在中国研制成功，该水泥采用生料煅烧得到以无水硫铝酸钙(C4A3$)和硅酸二钙(C2S)为主要成分的熟料，再通过掺加石灰石和适量石膏磨细得到的胶凝材料[1]。因水泥熟料可以激发掺合料的活性，加入掺合料可提高硫铝酸盐水泥的性能，常用作掺合料的为粉煤灰。

硫铝酸盐水泥的生产和应用主要在国内，但因铝矾土资源相对较为稀缺，国内目前仅有约20多家硫铝酸盐水泥厂，2017年产量约在250万t左右。硫铝酸盐水泥煅烧稳定较硅酸盐水泥大约低了100 ℃～200 ℃，碳排量大约减少40%左右，热能消耗减少15%左右，研磨耗电量减少40%左右，各方面优势明显。硫铝酸盐水泥经过数十年的发展，形成了快硬型、低碱度型、自应力型、复合改性型四种类型。硫铝酸盐水泥具有快硬、早强、抗渗、抗冻、微收缩、更加环保等优点[2]，因此非常适合用作快速修复材料。

1 硫铝酸盐水泥水化特性

硫铝酸盐水泥在发生水化反应时，C4A3$、C2S与水生成钙矾石(AFt)、C-S-H凝胶、Al(OH)3凝胶，此外还会生成AFm[3]。石膏掺量直接影响了水化产物AFt和AFm之间含量的平衡，石膏掺量高时，平衡向生成足够Aft偏移；石膏掺量不足时，AFt会转化为AFm，致使水化产物中残留部分AFm，因此合理的矿物组成对于性能的保证起主导作用[4]。

快速修复技术一般需要有足够的初凝时间以满足施工要求，又需要过短的终凝时间以达到快速形成强度，原结构得以快速修复重新使用。硫铝酸盐水泥的水化速度过快，初凝时间过短，往往需要采用一定措施进行初凝时间调节，并且在延长初凝时间的同时应满足终凝时间不得过长，以及强度不损失，从而达到快速修复目的。除了凝结时间方面的要求外，修复材料与原界面之间的粘结问题、修复材料韧性改善问题、修复材料持续耐久问题等都对修复材料提出了要求。

2 国内外研究现状

2.1 硫铝酸盐水泥修补材料研究现状

Glasser等研究了采用不同组分、不同掺配比例掺合料的硫铝酸盐水泥的水化热和水化过程；Winnerfield等研究了该水泥的水化机理、反应过程等，发现其水化速度要远快于普硅水泥。

冯修吉等系统地研究了3CaO·2Al2O3·MSO4的晶体结构，并发明了早强性能好的含钡硫铝酸盐水泥，通过测试对比3 d抗压强度和28 d抗压强度，发现前者达到了后者的80%。P.Yan[5]研究了含Sr、Ba的硫铝酸钙的水化反应。以上研究表明，随着熟料中含钡量的增长，早强性能是不断提高的。

快速修复材料的变形量大小影响着快速修复成功与否，张君[6]发现硫铝酸盐水泥基自流平水泥砂浆的干缩很小，且低于同标号普硅水泥。除此以外，张君还建立了湿度-收缩预测模型，以及混凝土内部湿度场计算模型、混凝土机构收缩应力模型。

目前主流的方法是采用高吸水性树脂和预吸水轻骨料内养生技术进行快速复补材料收缩性能调控。Estevs等[7]研究高吸水树脂内养生对水泥浆收缩性能的影响，发现内养生可有效调控水泥浆的收缩性。Bentz等研究了采用预吸水轻骨料的水泥砂浆早期收缩性能，发现预吸水轻骨料可以调控水泥砂浆早期收缩性能。然而研究仅停留在高吸水树脂和预吸水轻骨料均对水泥浆和砂浆层收缩性能影响方面，对混凝土的收缩控制方面研究较少。

2.2 硫铝酸盐水泥复配硅酸盐水泥修补材料研究现状

J.Ambroise将硫铝酸盐水泥与适量普硅水泥复配研制了自流平砂浆。此外，J.Ambroise在普硅水泥中掺入15%～20%的C4A3$和游离CaO制备了微膨胀水泥；I.Janotka等人对复合水泥的微观结构进行了初步研究，研究包括水化相组成和孔隙结构等。

王复生等人通过加入适量的硅酸盐水泥和矿渣，降低了硫铝酸盐水泥的生产成本，并且对掺量进行了研究，发现在10%～15%的掺量时，两种水泥复合后水化反应加快，且早期强度较不掺硅酸盐水泥相差不大。兰明章[8]等研究发现掺入含适量石膏的粉煤灰硅酸盐水泥，早期强度得到提高，凝结时间缩短，究其原因认为钙矾石和铝胶对整个水化反应起到促进作用。

2.3 改性硫铝酸盐水泥修补材料研究现状

2.3.1 丁苯乳液改性硫铝酸盐水泥

李洪军[9]研究发现，硅酸盐水泥复合后再掺加适量丁苯乳液，有助于复合水泥结构网络的形成，整体变得更加致密，各龄期的抗压强度变化规律均为先增大后减小，说明存在最佳掺量使得复合材料抗压强度最高。此外，由于丁苯乳液含有的羧基能够延缓熟料中C2S、C3S、C3A的水化速度，从而延长复合材料的初凝时间，提供充足的施工操作时间。缓凝作用还可以减低复合水泥净浆的黏度，达到自流平的效果。黄从运[10]尝试将丁苯胶乳加入硫铝酸盐水泥中制备了改性修补材料，具有界面粘结强度高、抗渗能力强的优点，此外抵抗Na2SO4、MgSO4腐蚀方面的能力得到显著增强。

2.3.2 可分散乳胶粉改性硫铝酸盐水泥

陈娟等[11]发现在可再分散乳胶粉掺入硫铝酸盐水泥砂浆对于韧性和早期抗折强度改善作用明显。叶正茂等[12]认为掺入可再分散乳胶粉同样发现了其在改善砂浆柔韧性、增加抗折强度方面的显著作用。

3 目前存在问题

(1)硫铝酸盐水泥在使用聚合物改性方面研究需要深化，尤其是对改性后材料的微观水化机理、复合材料的耐久性、与待修复界面的粘结性能等方面的研究目前还很少。

(2)目前硫铝酸盐水泥基水泥修补材料的设计、改性的思路大都从改善凝结时间、早期强度、节约生产成本的角度进行，但通过上述方法得到的复合改性水泥并未得到生产应用，研究思路可能需要转变。

(3)外加剂种类多种多样，目前较多是采用丁苯乳液、可分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥改性研究，采用缓凝剂、减水剂等进行改性的研究还太少，国家标准对于这种水泥使用的改性剂也未作出相应规定。

4 结语

我国是最早发明研制硫铝酸盐水泥的国家，并且也是生产、应用最多的国家，目前产量达到了250万t。在硫铝酸盐水泥研究和创新方面，我国研究人员做了大量的工作，为进一步发展硫铝酸盐水泥作出了贡献。我国关于硫铝酸盐水泥方面的研究同样最多，在水化反应方面，研究发现含钡硫铝酸盐水泥较含钙硫铝酸盐水泥3 d抗压强度可提高80%左右；在抵抗收缩方面，研究表明通过掺配高吸水树脂和预吸水轻骨料进行内养生，可以调控硫铝酸盐水泥修补材料收缩性能；在添加剂改性硫铝酸盐水泥研究方面，复合水泥掺配丁苯乳液可显著改善抗渗性能、延长缓凝时间、达到自流平效果。掺配分散乳胶粉则可改善其韧性，提高早期抗折强度。通过以上研究，为硫铝酸盐水泥在解决界面粘结问题、改性剂使用标准化、微观机理研究等方面工作的深入研究提供了指导作用。