吴福飞，董双快，赵振华，吴发银，陈荣妃



矿物掺合料对水泥基材料化学收缩与光谱性能的影响

吴福飞，董双快，赵振华，吴发银，陈荣妃

（贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵阳 550025）

为了研究矿物掺合料对水泥基材料收缩性能的影响规律，对不同矿物掺合料（锂渣、粉煤灰、钢渣）、不同掺量（20%和60%）、不同水胶比（0.30和0.40）下水泥基材料的化学收缩和光谱特性进行研究，同时分析化学收缩与浆体中官能团之间的相关性。结果表明：水泥基材料的化学收缩大致可以分为加速阶段、变缓阶段和平缓阶段且可采用双曲线模型来拟合，相关系数在0.98以上。矿物掺合料等质量替代水泥后，水胶比为0.40且掺量为20%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别约为纯水泥浆体的81.2%、97.2%和91.0%，掺量由20%增加至60%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别降低了1.9%、1.8%和5.0%。可见水泥-粉煤灰浆体的化学收缩最大，水泥-钢渣浆体的化学收缩次之，水泥-锂渣浆体的化学收缩最小。4种水泥基材料的波谱相似，均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1为主要的特征峰，其中水泥基材料的化学收缩受波数1 124、3 451、1 418、978、3 647 cm-1的影响较大。该研究可为矿物掺合料在混凝土中的合理选用提供依据。

矿物；水泥；材料；水胶比；掺合料；化学收缩；光谱特性

0 引 言

矿物掺和料中通常含有SiO2和Al2O3，其中具有潜在活性的部分能参与二次水化反应[1-2]，降低水泥水化CH的含量，提高混凝土的体积稳定性。目前，常见的矿物掺合料有硅粉、矿粉、锂渣、粉煤灰、沸石粉、钢渣、煤矸石、石灰石等，其中硅粉、矿粉、锂渣的活性相对较好，粉煤灰和沸石粉次之，钢渣、煤矸石、石灰石等相对较差。文献[3]发现，适量的矿粉、石灰等质量替代水泥后能改善混凝土的力学性能，但主要取决于掺合料对界面过渡区孔结构在100 nm以上的优化情况。即使在其他的掺合料中仍然存在类似的规律，如张成中等[4]采用粉煤灰掺量、矿渣掺量、煤矸石等质量替代水泥后能改善混凝土的碳化性能；吴福飞等[5]发现矿渣粉能水泥基材料的微观结构和抗硫酸盐侵蚀性能；Chinaaprasirt等[6]通过试验发现，粉煤灰的活性虽不如矿渣，但也能改善水泥基材料的抗侵蚀性能和干燥收缩；李华等[7]进一步证实了常见矿物掺合料对水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用；信玉良等[8]发现钢渣颗粒和钢渣粉掺入也能改善混凝土的抗冲磨性能；董作超等[9-11]研究发现煤矸石既能改变混凝土的力学性能和水化产物，也能细化混凝土的孔结构；崔自治等[12]研究得出镁渣也能在一定程度上改善混凝土的干燥收缩性能。除此之外，文献[13-14]发现，矿物掺合料等质量替代水泥，还能改变最终水化产物的含量和孔隙率。因此，矿物掺和料等质量替代水泥后，既能改善混凝土的性能，也能达到节约资源和保护环境的目的，同时也在一定程度降低了混凝土的成本，因此成为了国内外学者研究的热点问题。

过去几十年的研究结果发现，混凝土开裂的主要原因由其体积变化引起[15-17]，这在一定程度上影响了混凝土的耐久性。混凝土通常由胶凝材料、水、粗细骨料等组成，因此，混凝土开裂的原因主要由浆体的体积变化引起，其中化学收缩是影响浆体体积变化的主要因素。目前，针对矿物掺合料对浆体化学收缩和光谱特性影响的研究相对较少，且未系统地探索矿物掺和料对浆体化学收缩和光谱特性变化规律差异性的影响，未明确浆体的化学收缩与光谱特性官能团之间的相关性，因此探讨矿物掺合料对浆体化学收缩和光谱特性的影响规律及其相关性是非常有必要的。本研究以锂渣、粉煤灰、钢渣为研究对象，探索不同矿物掺合料和掺量、水胶比对浆体化学收缩和光谱特性的影响，分析浆体化学收缩的变化规律，建立化学收缩的预测模型，探索光谱特性的变化规律，计算特征峰的相对强度，并通过SPSS软件分析浆体化学收缩与光谱特性之间的相关性。通过研究，以期为锂渣、粉煤灰、钢渣在混凝土工程中使用提供理论支撑，同时改善混凝土的化学收缩。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥（C）采用中国联合水泥集团有限公司生产的42.5（P.Ⅰ）基准水泥；锂渣（Li）采用锂盐厂的烘干锂渣；粉煤灰（Fa）采用苇湖梁电厂收集加工的Ⅰ级粉煤灰；钢渣（Ss）采用宝钢集团的磨细钢渣微粉。基准水泥和3种矿物掺合料（锂渣、粉煤灰和钢渣）的比表面积分别为380、400、430和453 m2/kg，密度分别为3.10、2.48、2.68和3.53 g/cm3，化学成份如表1所示。

表1 原材料的化学成分

Note: Na2Oeq = Na2O+0.658K2O.

1.2 试验设计

文献[1,5,14]研究表明，粉煤灰、锂渣和钢渣在长龄期时，掺量在20%时混凝土的力学性能与纯水泥混凝土基本相当；文献[18]发现锂渣的掺量超过60%时，由于SO3含量过高导致浆体有“速凝”现象，不利于混凝土的制备。因此，本文设计掺量（质量分数）分别为20%和60%，矿物掺合料种类为粉煤灰、锂渣和钢渣，分析掺合料掺量和种类对混凝土性能的影响。文献[19-20]的研究结果：1 g水泥水化需水0.24 g，高性能混凝土时水胶比通常不大于0.42，基于此本文选择水胶比为0.3和0.4，具体设计方案见表2。

表2 水泥与矿物掺合料的比例设计

注： “0.3C”中0.3表示水胶比，C表示水泥；“0.3Li2”中0.3表示水胶比，Li表示锂渣，2表示掺量为20%；Fa表示粉煤灰，Ss表示钢渣。其余以此类推。

Note: “0.3” presented the ratio of water–binder and “C” presented cement in “0.3C”; “0.3” presented the ratio of water–binder, “Li” presentedlithium slag and “2” presented the content was 20% in “0.3Li2”; “Fa” presented fly ash and “Ss” presented steel slag. The rest may be deduced by analogy.

1.3 试验方法

化学收缩的测试：试验时按照表2所示的原材料比例设计，分别将成型的纯水泥浆体、水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体置于250 mL的洗瓶中，装满水、置于恒温水槽（温度为：(20±1)℃）中，并按图1的测试流程与原理进行化学收缩的测试。

图1 化学收缩的测试流程与原理图

光谱性能的测试：试验时按照表2所示的原材料比例设计，分别将成型的水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体置于10 mL的离心管中，拧紧盖后送入养护室中（温度为(20±1)℃，湿度≥95%）养护28 d，之后，将其破碎、浸泡在无水乙醇中24 h，磨细（过筛0.1 mm）并在65 ℃的烘箱中烘干备用。将磨细的浆体与烘干磨细的KBr按1:200混合均匀、研磨并成片，之后通过WQF-520型傅里叶红外光谱测试其光谱性能。

1.4 数据处理

化学收缩的相对值=V/V×100%，化学收缩的降低率=(V–V)/V，其中V为纯水泥浆体的化学收缩，cm3；V为含掺合料浆体的化学收缩，cm3。试验数据通过Excel 2010和Origin9.1软件进行计算和绘图，并通过Origin9.1软件对浆体吸收峰的相对强度进行分析。通过SPSS20.0统计软件中一般线性模型的单变量分析，计算Ⅲ型平方和百分比。

2 结果与分析

2.1 掺合料对水泥基材料化学收缩的影响

锂渣、粉煤灰和钢渣微粉等质量替代基准水泥后，其浆体的水化产物含量和体积分数、抗压强度指标随掺合料种类和掺量、水胶比、养护龄期的变化而发生变化[13]，3种含矿物掺合料浆体的水化热比纯水泥浆体要低[21-22]，这有利于抑制水泥基浆体或混凝土的体积收缩，提高混凝土的服役年限。水胶比、掺合料种类和掺量、养护龄期对水泥基浆体化学收缩的影响规律如图2所示。由图2可知，水胶比、矿物掺合料种类和掺量、养护龄期对水泥基浆体化学收缩的影响规律不尽相同，养护龄期从0增加到1 000 h时，4种水泥基浆体的化学收缩逐渐增大，尤其在60～600 h之间的变化较大，之后趋于平缓，但基本可分为3个阶段。第1阶段（加速阶段），在100 h以内，4种水泥基浆体的化学收缩值增长较快，基本呈直线增长的趋势。第2阶段（变缓阶段），在100～700 h，4种水泥基浆体的化学收缩值增长速率变慢。第3阶段（平缓阶段），在700 h之后，4种水泥基浆体的化学收缩值变化较小，个别样品的化学收缩值基本保持不变。

注：化学收缩值为50 g浆体的测试结果。

从图2可知，当水泥基浆体的水胶比为0.40，掺合料掺量为20%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别约为水泥浆体的81.2%、97.2%和91.0%；3种掺合料掺量由20%增加至60%，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别降低了1.9%、1.8%和5.0%。当水胶比由0.40降低至0.30时，纯水泥基浆体的化学收缩约降低了24.4%；3种掺合料掺量为20%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的化学收缩分别降低了32.3%、26.8%、和29.7%。综合上述的结果发现，粉煤灰对水泥基浆体化学收缩的影响最大，钢渣的影响次之，锂渣的影响最小，这主要与胶凝材料的矿物组成和活性有关，从文献[13]的研究发现，3种掺合料的活性大小顺序为锂渣＞粉煤灰＞钢渣，除此之外，锂渣含有6.28%的SO3，与水泥水化产物CH生成CaSO4进一步生成AFt[23-24]，进而增大水泥基浆体的体积，因此水泥-锂渣浆体化学收缩相对较小。由于钢渣活性较小，仅有极少部分参与二次水化，大部分颗粒起着填充作用，阻碍水泥基浆体的化学收缩。粉煤灰的活性虽不如锂渣，但是在水泥水化产物CH的激发下，粉煤灰颗粒不断参与二次反应，增大浆体的化学收缩。因此，4种浆体化学收缩的大小顺序为水泥基浆体＞水泥-粉煤灰浆体＞水泥-钢渣浆体＞水泥-锂渣浆体。在实际工程使用混凝土时，应选择合适的水胶比、掺合料种类和掺量，减少水泥混凝土开裂的影响因素，提高混凝土的服役年限。

2.2 各胶凝体系化学收缩的预测模型及最终化学收缩

水泥浆体的化学收缩与时间的关系可采用双曲线模型来拟合[25-26]，见式（1）。

式中CS-t是养护龄期为时刻的化学收缩，mL；CS-total是浆体最终的化学收缩，mL；是水化系数，与胶凝体系的组成有关，通过双曲线模型可拟合出值。

将图2中的数据采用双曲线模型拟合的结果如表3所示，结果发现，采用双曲线模型拟合各胶凝体系化学收缩的相关性较好，相关系数均在0.98以上，进一步说明了双曲线模型在各种浆体化学收缩的拟合中具有较好的适用性。因此，对于各种掺入矿物掺和料浆体的化学收缩，建议采用双曲线模型拟合进行拟合，并进行最终化学收缩的预测。但是其中的水化系数值依据水胶比、掺合料种类和掺量分别选取。

表3 化学收缩的双曲线拟合结果

注： 表中最终化学收缩值为50 g浆体的测试结果。

Note: Final chemical shrinkage in table was the results with paste of 50 g.

经过双曲线模型拟合计算，各胶凝体系的最终化学收缩、降低率如表3所示，结果发现，在3种掺入掺合料的浆体中，浆体的最终化学收缩值均随矿物掺合料掺量的增加而降低。水胶比为0.40时，纯水泥浆体的最终化学收缩为0.079 4 cm3/g；掺量为20%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最终化学收缩分别为0.071 0、0.079 6和0.079 2 cm3/g；掺量增至60%时，3种浆体的最终化学收缩分别降低了4.5%、3.8%和9.5%。水胶比降低至0.30时，纯水泥浆体的最终化学收缩为0.060 4 cm3/g，约比水胶比为0.4时降低了24.0%；当掺量为20%和60%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最终化学收缩分别降低了23.5%和25.2%、0和3.0%、12.9%和18.5%。综上述，浆体的最终化学收缩受水胶比、矿物掺合料种类和掺量的影响。当水胶比和掺量相同时，以水泥-粉煤灰浆体的最终化学收缩最大，钢渣次之，锂渣最小。

2.3 掺合料对水泥基材料光谱特性的影响

3种矿物掺合料种类、掺量对水泥浆体28d光谱特性的影响如图3所示。

图3 不同掺合料浆体的光谱特性

由图3可知，不同矿物掺合料种类、不同掺量、不同水胶比下浆体的波谱带较为相似，均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1为主要的特征峰[21]。第1个窄而较强的峰（3 647 cm-1）为水泥浆体中CH羟基的伸缩振动波谱[27]；第2个宽且大的波峰3 451 cm-1为CSH的特征波谱；波数为2 900～3 600 cm-1且漫散区域的特征峰主要是由于Si原子和Ca原子相连接的羟基（CSH）引起，即为CSH的特征波谱带之一[28]。波数为2 843 cm-1和2 397 cm-1的特征峰主要是由O－H伸缩振动引起的波谱，O－H波谱的弯曲振动峰在1 418 cm-1，这表明了CSH凝胶中含有一定量的吸附水[29]。波数为2 361 cm-1的特征峰可能是样品在研磨过程中被氧化，即C－O伸缩振动引起的波谱所致[30]。波数为1 651 cm-1的特征峰主要是由于水泥浆体中石膏（CaSO4·2H2O）含有结晶水以O－H形式存在引起的波谱[31]。波数为1 260 cm-1的波谱主要由CO32-的不对称伸缩振动引起[32]；波数为1 124 cm-1左右的吸收带主要由SO42-的不对称伸缩振动形成AFt所致[33]。波数为400～1 000 cm-1主要是由于[SiO4]的不对称伸缩振动所致[34]；其中波数为850～1 000 cm-1的波峰由Si－O所引起，因此，不难发现波数为978 cm-1的波峰可描述CSH的特征[34]。波数为876 cm-1是由[AlO4]的不对称伸缩所致[35]；波数为676 cm-1主要由O－Si－O伸缩振动引起；波数为451 cm-1由Si－O－Si伸缩振动引起[36-37]。

从图3可知，当水胶比为0.40，矿物掺合料掺量为20%时，水泥-粉煤灰浆体、水泥-钢渣浆体、水泥-锂渣浆体在波数3 647、1 651、1 418、978 cm-1的特征峰相对较强，可据此推测出水化产物CSH、CH和AFt的含量受矿物掺合料种类的影响，其中AFt的含量受锂渣的影响较大，主要是锂渣中的SO3通常以CaSO4·2H2O的形式存在，与CH形成AFt所致。当水胶比降至0.30，矿物掺合料掺量掺量为20%时，水泥-锂渣浆体、水泥-钢渣浆体和水泥-粉煤灰浆体在波数3 647 cm-1的特征峰相对较强，波数在2 937、1 418、978 cm-1特征峰的变化相对平缓。说明水化产物CH的含量随水胶比降低而明显降低，但是CSH中吸附水的含量却不断增多。当水胶比为0.40，掺量增至60%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体在波数为3 647 cm-1的特征峰不断减弱，说明矿物掺合料的掺量对水化产物CH含量的影响明显；水胶比降至0.30时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体在波数为2 937 cm-1特征峰的变化相对明显，特别是水泥-锂渣浆体和水泥-粉煤灰浆体在波数为1 124 cm-1的特征峰变化较为明显，进一步说明了这两种浆体中AFt的含量相对较大，尤其以水泥-锂渣浆体中AFt的含量较高。

2.4 水泥基材料特征峰的相对强度

为了明确纯水泥浆体和含3种矿物掺合料水泥基浆体结构中官能团的差异性，采用Origin9.1软件计算了不同水胶比、不同掺合料种类、不同掺量下各官能团主要吸收峰的相对强度，结果如表4所示。水胶比为0.40时，波数为3 647 cm-1特征峰的相对强度随矿物掺合料掺量从0增至60%时呈先增大后减小的规律，当矿物掺合料掺量为20%时特征峰的相对强度达到最大值且高于纯水泥浆体；其余各浆体特征峰的相对强度也在矿物掺合料掺量为20%时达到最大值，但在3种矿物掺合料中其变化规律不尽相同。当矿物掺合料掺量为60%时，各主要特征峰的相对强度均低于纯水泥浆体，且在3种矿物掺合料中均呈现一致的规律。在表4中，掺量为60%的水泥-锂渣浆体在波数为1 418 cm-1特征峰的相对强度低于纯水泥浆体外，其余各特征峰的相对强度均高于纯水泥浆体；水泥-粉煤灰浆体除波数为451 cm-1特征峰的相对强度均高于纯水泥浆体外，其余各特征峰的相对强度在掺量为20%时均高于纯水泥浆体，掺量增至60%时，各特征峰的相对强度低于纯水泥浆体；水泥-钢渣浆体除波数为3 451、1 651、1 418 、978和451cm-1特征峰的相对强度高于纯水泥浆体外，其余各特征峰的相对强度基本表现出低于于纯水泥浆体的趋势。

水胶比为0.30时，3种浆体在波数为3 647 cm-1特征峰的相对强度随矿物掺合料掺量从0增至60%时表现出减弱的趋势，且均低于纯水泥浆体，但其余各特征峰相对强度的变化不尽相同。在表4中，水泥-锂渣浆体除波数为1 418和2 937 cm-1特征峰的相对强度低于纯水泥浆体外，其余各特征峰的相对强度均高于纯水泥浆体；水泥-粉煤灰浆体在波数为2 937 cm-1特征峰的相对强度低于纯水泥浆体，波数为3 451、2 361和1 418、1 124和978cm-1特征峰的相对强度随矿物掺合料掺量的增加呈现出先减弱后增强的变化趋势，且掺量为60%时和波数为451 cm-1特征峰的相对强度均高于纯水泥浆体；水泥-钢渣浆体除波数为3 451、1 651和1 418 cm-1特征峰的相对强度均高于纯水泥浆体外，其余特征峰存在相反的变化趋势。综上述，锂渣、粉煤灰和钢渣对浆体光谱特性的影响规律不同，主要对波数为3 647、3 451、1 651、1 418、1 124 cm-1的影响较大。

表4 不同波数下4种浆体特征峰的相对强度

2.5 化学收缩与官能团主体间效应检验的Ⅲ型平方和

为了明确4种化学收缩与浆体官能团特征峰主体间效应检验Ⅲ型平方和百分比，通过 SPSS20.0 统计软件中一般线性模型的单变量分析，将特征峰峰值输入，计算出4种浆体化学收缩主体间效应检验Ⅲ型平方和百分比，结果发现其影响大小排序为1 124 cm-1(0.286%)>3 451cm-1(0.247%)>1 418 cm-1(0.149%)>978 cm-1(0.173%)>3 647 cm-1(0.128%)>451 cm-1(0.067%)>1 651 cm-1(0.019%)>2 937 cm-1(0.001%)=2 361 cm-1(0.001%)。发生上述现象的原因主要是CaSO4·2H2O中的SO42-与CH形成AFt（波数为1 124 cm-1）致使体积膨胀，阻碍了浆体的收缩。另外，由于矿物掺合料不同，其掺与反应的程度也不同，形成的CSH中Si原子和Ca原子（波数为3 451 cm-1）之比也有所不同，因此，其浆体的化学收缩也不同。CSH（波数为978 cm-1）凝胶一般含有一定量的吸附水（波数为1 418 cm-1），当其失水将会影响浆体的化学收缩。除此之外，波数为3 647 cm-1的羟基主要是浆体中的CH所致，与CaSO4·2H2O中的SO42-形成AFt，波数为451 cm-1的Si－O－Si也会影响CSH结构，进而也在一定程度上影响了浆体的化学收缩。波数为1 651 cm-1是CaSO4·2H2O中的结晶水；波数为2 397 cm-1的特征峰主要是水中O－H伸缩振动引起，由于化学收缩在测试表面覆盖一层水分，因此对浆体化学收缩的影响甚小。波数为2 361 cm-1是C－O伸缩振动引起，因此对浆体化学收缩的影响更小。综合上述的分析发现：浆体中各官能团特征峰对化学收缩的影响因素主要是1 124、3 451、1 418、978和3 647 cm-1。

3 结 论

1）纯水泥浆体和含矿物掺合料水泥基浆体的化学收缩大致可以分为3个阶段，即加速阶段（100 h以内）、变缓阶段（100～700 h）、平缓阶段（700~1 000 h）。4种浆体的化学收缩均可采用双曲线模型来拟合，相关系数均在0.98以上。

2）矿物掺合料替代水泥后，降低了胶凝材料的水化热，进而降低复合胶凝材料的化学收缩。水胶比为0.40，矿物掺合料掺量由20%增至60%时，水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最终化学收缩分别降低了4.5%、3.8%和9.5%。水胶比降低至0.30，纯水泥浆体的最终化学降低了24.0%；矿物掺合料掺量为20%和60%时，3种浆体的最终化学收缩分别降低了23.5%和25.2%、0和3.0%、12.9%和18.5%。当水胶比和掺量相同时，粉煤灰对水泥基浆体化学收缩的影响最大，钢渣的影响次之，锂渣的影响最小。

3）4种浆体的波数均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm-1为主要特征峰，但受矿物掺合料种类、掺量、水胶比的影响，导致其特征峰的变化规律不尽相同。计算发现，浆体的化学收缩受波数为1 124、3 451、1 418、978、3 647 cm-1特征峰的影响较大。

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Effect of mineral admixture on chemical shrinkage and spectral properties of cement-based materials

Wu Fufei, Dong Shuangkuai, Zhao Zhenhua, Wu Fayin, Chen Rongfei

(,550025,)

Chemical shrinkage of cement paste could result in the crack of concrete, which affects the volume stability and durability of concrete. In order to reduce the shrinkage performance of concrete, this paper discusses the effect of common mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag) on the chemical shrinkage and the spectral characteristics of cement paste, and analyzes the correlation between the chemical shrinkage of cement paste and the functional groups in cement paste. The results are as follows:The chemical shrinkage of pure cement paste and cement paste containing mineral admixtures (lithium slag, fly ash, steel slag) can be roughly divided into 3 stages, namely the acceleration phase (within 100 h), slow phase ( in 100-700 h), and flat stage (after 700 h). When the ratio of water-binder is 0.40 and the admixture dosage is 20% for 3 kinds of admixture, the chemical shrinkages of cement-lithium slag, cement-fly ash and cement-steel slag paste are 81.2%, 97.2% and 91.0%, respectively, and they are reduced by 1.9%, 1.8% and5.0% when admixture content increases from 20% to 60%, respectively. The chemical shrinkages of cement, cement-lithium slag, cement-fly ash and cement-steel slag paste are 24.4%, 32.3%, 26.8% and 29.7% respectively when the ratio of water-binder reduces from 0.40 to 0.30 and the admixture content is 20%. The chemical shrinkage of 4 kinds of paste can be fitted with hyperbolic model, and the correlation coefficients are above 0.98. So, hyperbolic model can be used to predict the final chemical shrinkage of cement paste, but the hydration coefficient value can be chosen according to the ratio of water-binder, and kind and dosage of admixture. The chemical shrinkage and hydration heat are lowered when cement is replaced by the same quality lithium slag, fly ash or steel slag, and the chemical shrinkage of cement-fly ash paste is the biggest, followed by the chemical shrinkage of cement-steel slag paste, and the chemical shrinkage of cement-lithium slag paste is the minimal, which is lower than that of pure cement paste. In addition, water-binder ratio also affects the chemical shrinkage of cement paste and the effect of water-binder ratio is higher than lithium slag, fly ash and steel slag. The spectral characteristic of cement paste is affected by mineral admixture type, dosage of mineral admixture and water-binder ratio, but their influence is not the same, mainly due to the different chemical composition in lithium slag, fly ash and steel slag. The main characteristic peaks of pure cement paste and cement paste containing mineral admixtures (lithium slag, fly ash, steel slag) are 3 647, 2 937, 3 451, 1 651, 2 361, 1 124, 1 418, 451 and 978 cm-1. Through the analysis of the general linear single variable model in SPSS 20.0 statistical software, it is found that the chemical shrinkage of cement paste can be affected by functional groups in the cement paste, and the effect is bigger when the wave number is 1 124, 1 418, 3 451, 3 647 and 978 cm-1. Through the study, it is found that after the same quality mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag) is used to replace cement, the chemical shrinkage of cement paste can be effectively reduced, and the spectral properties of cement paste can be changed. Therefore, the mineral admixture can be chosen according to the situation of the mineral admixture in actual engineering, so as to enhance the volume stability and durability of cement concrete with mineral admixture (lithium slag, fly ash, steel slag).

minerals; cement; materials; water-binder ratio; admixtures; chemical shrinkage; spectral characteristics

2017-09-11

2018-01-05

贵州师范大学2016年博士科研启动项目（0517073）；国家自然科学基金（51541909）；国家高等学校博士点专项科研基金（20106504110005）

吴福飞，博士，副教授，从事现代水泥混凝土材料与固体废弃物处理技术及生态环境材料的教学与科研工作研究。Email：tmgc@gznu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021

TU528.01

A

1002-6819(2018)-04-0177-08

吴福飞，董双快，赵振华，吴发银，陈荣妃. 矿物掺合料对水泥基材料化学收缩与光谱性能的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：177－184.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021 http://www.tcsae.org

Wu Fufei, Dong Shuangkuai, Zhao Zhenhua, Wu Fayin, Chen Rongfei. Effect of mineral admixture on chemical shrinkage and spectral properties of cement-based materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 177－184. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.021 http://www.tcsae.org