硫鋁酸鹽水泥性能特點與改性技術(shù)研究現(xiàn)狀

何銳，鄭欣欣，王淵，張進宏

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.陜西交控市政路橋集團有限公司，陜西 西安 710065；3.陜西交通控股集團有限公司，陜西 西安 710065)

硅酸鹽水泥(P·O)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，低碳環(huán)保的硫鋁酸鹽水泥(SAC)逐步受到諸多學(xué)者的關(guān)注與研究[1]。SAC水泥是以礬土、石灰石、石膏為原料制成的一種快硬早強水泥，低的石灰石配比與燒成溫度賦予了SAC水泥低碳的優(yōu)點。與P·O相比，SAC水泥具有早強、耐寒、抗?jié)B、膨脹和低堿等特性，普遍應(yīng)用于高寒高海拔地區(qū)、快速搶修、冬季施工、海洋工程、堿集料反應(yīng)工程、3D打印材料以及自應(yīng)力水泥制品等領(lǐng)域。但是作為新型水泥，SAC水泥存在水化熱集中、凝結(jié)時間不易調(diào)控、后期強度易倒縮等缺點，限制了它的應(yīng)用范圍。為了探索這些缺點的產(chǎn)生機理與改善措施，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。沈燕等[2]論述了幾種調(diào)凝劑、摻合料和納米材料對SAC水泥水化速率、凝結(jié)時間和強度的影響。Haha等[3]研究了SAC水泥水化機理、水合物組合及其穩(wěn)定性，并討論了熱力學(xué)計算的適用性及其局限性。張廣興[4]將硅灰、膠粉、偏高嶺土摻入SAC水泥中，研制出了最大抗壓強度達53.8 MPa的高性能修補材料。Li[5]將苯乙烯-丁二烯共聚物(SB)分散于SAC水泥中，有效延緩了SAC水泥的水化，降低了水化熱峰值。但是目前對于SAC水泥應(yīng)用技術(shù)難點和改性機理的總結(jié)分析相對較少，缺乏全面性。

鑒于此，本文梳理了SAC水泥的水化機理、應(yīng)用概況、技術(shù)難點、SAC水泥的改性措施以及SAC水泥的發(fā)展方向。

1 硫鋁酸鹽水泥水化機理和應(yīng)用概述

SAC水泥是20世紀70年代由我國科研人員首次研發(fā)的一種新型水泥，以無水硫鋁酸鈣(C4A3S，55%～75%)﹑硅酸二鈣(β-C2S，8%～37%)和石膏為主要化學(xué)組成[1]。按熟料中的石灰石含量分為快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC，石灰石含量<15%)、低堿度硫鋁酸鹽水泥(L·SAC，石灰石含量15%～35%)和自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥(S·SAC，不摻石灰石)。R·SAC水泥的特點是早強快硬，具有良好的抗凍性和抗?jié)B性；L·SAC水泥的特點是液相堿度低，主要用于制作玻璃纖維增強的水泥制品；S·SAC水泥膨脹率小、自應(yīng)力值大、抗壓強度高。

SAC水泥水化進程見圖1。水泥熟料水化時，水泥中的C4A3S先與游離的石膏反應(yīng)生成AFt和AH3，石膏不足時，生成AFm。硅酸二鈣與水反應(yīng)生成C—S—H凝膠與Ca(OH)2溶液。在石膏充足時，剩余的石膏、AH3與Ca(OH)2溶液發(fā)生二次反應(yīng)，生成AFt和AFm。AFm含量越高，SAC水泥強度越低；AFt含量越高，SAC水泥強度越高。

圖1 SAC水泥水化過程圖Fig.1 Hydration process of SAC cement

國內(nèi)關(guān)于SAC水泥的發(fā)展起步較晚，其生產(chǎn)成本較高，應(yīng)用范圍受到局限，以其早強快硬的優(yōu)點廣泛用于寒冷環(huán)境和快硬工程。

1.1 在高寒高海拔地區(qū)和冬季施工中的應(yīng)用

高寒高海拔地區(qū)晝夜溫差大、氣候惡劣，水泥混凝土長期受凍融循環(huán)作用，易喪失工作強度。冬季氣溫低，對水泥混凝土早期性能影響最為嚴重，致使工作性能大打折扣。在低溫條件下，P·O水泥混凝土早期強度低、凝結(jié)時間長且收縮大的缺點更突出，非常容易損壞。而SAC水泥混凝土早強快硬，具有良好的負溫硬化特性，對高寒高海拔地區(qū)和冬季施工條件有良好的適應(yīng)性，節(jié)省了能源，為極地資源的開發(fā)提供了路徑。

1.2 在快速搶修路面中的應(yīng)用

水泥混凝土在服役過程中容易受到各種內(nèi)外因素作用產(chǎn)生開裂和剝落[8]，隨著時間的延長，水泥混凝土的損傷程度加劇，使得路面性能不斷降低，危害正常的交通安全，面對這些狀況，水泥混凝土的修補顯得尤為重要。修補路面的質(zhì)量主要取決于修補材料的強度、變形量和新老路面的粘結(jié)性能[9]。SAC水泥早強快硬，收縮小，比P·O水泥更適用于快速搶修路面，能有效減少施工時間對交通流量的影響，保證修補質(zhì)量。目前，SAC水泥已廣泛應(yīng)用于快速搶修路面。

1.3 在海洋工程中的應(yīng)用

我國海域面積遼闊、資源豐富，對海洋的開發(fā)與利用離不開海洋工程的基礎(chǔ)建設(shè)，如碼頭、隧道等，這些都離不開混凝土結(jié)構(gòu)。然而，海水中存在大量的氯離子和硫酸根離子，對混凝土侵蝕嚴重，并且存在干濕交替、冷熱循環(huán)和海水沖刷等不利因素，對水泥混凝土的耐久性能造成極大的考驗[10]。SAC水泥良好的抗?jié)B、抗氯離子和硫酸鹽侵蝕性能適用于海洋工程，但是SAC水泥水化放熱高，而海工建筑大都為大體積混凝土，因此SAC水泥還未在海洋工程中廣泛使用[11]。

1.4 在3D打印材料中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是利用計算機設(shè)計模型，通過層層堆積制造出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)無需模板、簡化施工、節(jié)約材料，在建筑行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。3D打印要求水泥材料具有可泵送性、可擠壓性和可建造性[12]。目前，SAC水泥在3D技術(shù)中的應(yīng)用還處于起步階段，打印形狀難保持和早期強度低等問題還需進一步解決[13]。

2 硫鋁酸鹽水泥應(yīng)用技術(shù)難點

2.1 水化熱集中

相對于P·O水泥，SAC水泥中的鋁含量較高，水化迅速，早期水化熱較高，易使體系中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，引起混凝土開裂[14]，降低混凝土質(zhì)量。

SAC水泥在水化-溶解過程中通常出現(xiàn)3個放熱峰，第一個熱流峰對應(yīng)于硫鋁酸鈣、硬石膏和水形成AFt的反應(yīng)熱，包括硫酸鹽的溶解和AFt的沉淀；第二個峰對應(yīng)于AFt和單硫酸鹽在離子擴散或遷移狀態(tài)下，在水泥顆粒周圍局部形成連接固相顆粒產(chǎn)生的反應(yīng)熱。第三放熱峰對應(yīng)AFt、AFm和 C—S—H 凝膠生成的反應(yīng)熱[15]。Zhang等[16]采用量熱儀法對比了SAC水泥與復(fù)合硅酸鹽水泥(OPC)的放熱速率。發(fā)現(xiàn)兩種水泥在初始水化階段產(chǎn)生的溶解熱幾乎相同，在此之后，SAC水泥的誘導(dǎo)期明顯短于OPC水泥，SAC水泥的誘導(dǎo)期大約為0.8 h，而OPC水泥的誘導(dǎo)期大約為 5 h。SAC水泥在 1.5 h 時便可觀察到第一個放熱峰，在3 h時便可觀察到第二個放熱峰。并且，SAC水泥的最大放熱速率是OPC水泥的17.8倍。但是隨著齡期的增加，累計放熱量不斷增加，在36.8 h時，OPC水泥的累計放熱量超過了SAC水泥。因此，與OPC相比，SAC水泥具有快速水化和早期放熱集中的特點。李華明[17]對SAC水泥水化進程進行了研究，發(fā)現(xiàn)SAC水泥在水化開始的11.4 h內(nèi)便可完成礦物的溶解、誘導(dǎo)、加速、減速、再加速的水化放熱過程。其中，在水化開始的10 min時，產(chǎn)生水化過程中最強放熱峰，熱量達到0.013 W/g。除此之外，有研究表明，堿性較強的環(huán)境也會加重水化熱的集中程度。Snchez-herrero[18]研究了無水硫鋁酸鈣在水、NaOH、Na2CO3溶液中的水化，并發(fā)現(xiàn)在堿性較強的NaOH溶液中，SAC水泥水化不存在誘導(dǎo)期，在1～2 h 便會達到放熱高峰。

由于SAC水泥水化放熱集中，導(dǎo)致水泥混凝土內(nèi)部溫度急劇上升且不易散發(fā)，極大的內(nèi)外溫差導(dǎo)致水泥混凝土產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，進而產(chǎn)生變形和開裂，降低混凝土的耐久性和抗?jié)B性。另外，胡曙光[19]在研究中表示，AFt晶體在高溫下易分解也是水化熱集中的危害原因之一。SAC水泥水化熱在水化開始的12 h內(nèi)放出，并指出在水化熱大于 90 ℃ 時，AFt將會分解為強度較低的AFm，使水泥的強度降低。

2.2 凝結(jié)時間難以調(diào)控

SAC水泥水化較快，在25 min時便達到初凝，對于普通工程而言，SAC水泥快速凝結(jié)硬化，導(dǎo)致施工時間嚴重不足。對于快速搶修工程而言，為了減輕對交通的影響，要求初凝時間盡量控制在5～20 min，SAC水泥凝結(jié)時間又相對較長。

SAC水泥凝結(jié)時間受環(huán)境溫度影響波動較大。在低溫下，礦物溶解與水化速率較慢，水泥凝結(jié)時間長，早期強度發(fā)展緩慢，施工時間長；在高溫下，礦物溶解與水化速率較快，水泥凝結(jié)時間短，和易性喪失快，對施工要求較高[20]。Zhou等[21]研究了低堿度SAC水泥在5，20，35 ℃時的凝結(jié)時間和水泥早期水化硬化過程的溫度敏感性，發(fā)現(xiàn)低堿度SAC水泥的水化硬化過程對溫度非常敏感，溫度越高，水化硬化速度越快，凝結(jié)時間越短。李華明[17]研究了不同正溫度條件下SAC水泥的水化速率，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度降低，SAC水泥的水化反應(yīng)速率和產(chǎn)物的生成速率均降低，使得SAC水泥的凝結(jié)時間緩慢，早期強度較低。Li等[22]研究了SAC水泥在-15，0，20 ℃環(huán)境下的水化特性，發(fā)現(xiàn)低溫對水泥體系的水化作用有較早的延緩作用。另外，液態(tài)水環(huán)境是水泥水化的基本條件，保證水溶液在負溫下不結(jié)冰也是SAC水泥應(yīng)用的難點。因此諸多研究者研究了不同防凍劑對SAC水泥低溫硬化性能的影響，發(fā)現(xiàn)亞硝酸類作為防凍液加入到水泥體系中可促進SAC水泥在負溫環(huán)境下的水化[23]。

2.3 強度易倒縮

SAC水泥后期強度倒縮與AFt含量的改變息息相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，AFt作為SAC水泥強度的主要來源，其含量易受石膏含量、養(yǎng)護溫度和濕度的影響，產(chǎn)生延遲AFt引起膨脹開裂或發(fā)生分解引起強度降低，導(dǎo)致SAC水泥后期強度倒縮。

延遲AFt的形成屬于一種緩慢的硫鋁酸鹽侵蝕現(xiàn)象，在潮濕環(huán)境下，高的石膏含量和高的養(yǎng)護溫度都會使硬化的水泥混凝土內(nèi)部再次產(chǎn)生AFt，這是由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的AFm與體系中剩余的石膏在高溫高濕的環(huán)境下反應(yīng)生成AFt，使混凝土發(fā)生膨脹開裂。Jebli等[24]采用高溫高濕環(huán)境加速了延遲AFt的生成，研究了水泥漿體與骨料界面形成延遲鈣礬石的膨脹特性，結(jié)果表明延遲AFt更易在像水泥-骨料界面這樣的多孔區(qū)域產(chǎn)生，發(fā)生膨脹效應(yīng)造成混凝土的開裂現(xiàn)象。

養(yǎng)護溫度過高時反而易引起AFt分解，導(dǎo)致混凝土強度下降，但是促進AFt生成的養(yǎng)護溫度與促進AFt 分解的養(yǎng)護溫度之間還沒有明確的界限。戴民等[25]將自制的三種AFt放置在70 ℃和100 ℃環(huán)境中養(yǎng)護7 h后，對三種樣品進行了XRD衍射分析，均未觀察到明顯的AFt衍射峰，說明AFt在 70 ℃ 和100 ℃時已完全分解。徐路等[26]研究了不同養(yǎng)護溫度對SAC水泥性能的影響，發(fā)現(xiàn)在50 ℃養(yǎng)護條件下生成物中的AFt衍射峰降低，認為部分AFt在50 ℃下分解為AFm。

導(dǎo)致SAC水泥水化熱集中、凝結(jié)時間難以調(diào)控和強度易倒縮的根本原因是SAC水泥水化過快且鈣礬石含量不穩(wěn)定。因SAC水泥的工作性能受溫度、濕度和石膏含量的影響較大，所以在SAC水泥的應(yīng)用中要求嚴格把控這些參數(shù)。除此之外，SAC水泥生產(chǎn)成本高也是制約其應(yīng)用市場擴大的一大因素。

3 硫鋁酸鹽水泥性能改善

針對SAC水泥水化熱集中、凝結(jié)時間難以調(diào)控和后期強度易倒縮的缺點，研究者們研究出多種改性劑對其性能進行改善。

3.1 外加劑改性

SAC水泥常用的外加劑有減水劑和調(diào)凝劑。減水劑可有效增強SAC水泥的工作性能，增加水泥密實度。常用的減水劑是聚羧酸減水劑和奈系減水劑。調(diào)凝劑可調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，分為緩凝劑和促凝劑。常用的緩凝劑有硼酸、葡萄糖酸鈉、檸檬酸[2]，常常應(yīng)用于需要一定施工時間的早強工程。常用的促凝劑有碳酸鋰、亞硝酸鈉、氯化鈣，常常應(yīng)用于搶修堵漏領(lǐng)域。

減水劑對水泥顆粒具有分散作用，能有效提高混凝土和易性，一定程度上延緩了水泥的水化進程，降低了水化熱峰值，延長了凝結(jié)時間，減緩了早期強度的發(fā)展。目前，關(guān)于減水劑的作用機理非常復(fù)雜，尚未有統(tǒng)一的觀點。李彬等[27]在研究中表示，聚羧酸分子的主鏈可快速吸附于水泥顆粒表面，側(cè)鏈則游蕩于水泥溶液中，形成一個內(nèi)部具有靜電作用，外部具有空間阻力的個體分散于水泥溶液中，提高了水泥漿體的流動性。張金山等[28]研究表明，聚羧酸減水劑易吸附于AFt晶體側(cè)面，抑制了AFt寬度方向的生長，同時減水劑極性基團存在排斥作用，而使得AFt晶體懸浮于溶液中，既為AFt的生長提供了空間也增加了水泥漿體的流動性。劉從振等[29]研究了聚羧酸減水劑對SAC水泥水化硬化的影響，發(fā)現(xiàn)聚羧酸減水劑可明顯改善SAC水泥的流動度，并產(chǎn)生一定的緩凝作用。當聚羧酸減水劑摻量在 0.4% 時，初凝時間延長了3.88倍，終凝時間延長了2.58倍。并且因聚羧酸減水劑的緩凝作用，砂漿4 h齡期的力學(xué)性能降低，但是砂漿7 d的抗壓強度比對照組提升了41.8%，這是由于聚羧酸減水劑的緩凝作用為水泥凝膠體提供了轉(zhuǎn)變時間，使得水化產(chǎn)物晶體可以實現(xiàn)良好的生長發(fā)育，更加均勻地分布于水泥體系中，從而使得水泥體系后期更加密實，具有更高的強度。

緩凝劑對SAC水泥凝結(jié)時間和水化熱的影響主要通過抑制水泥的水化進程來實現(xiàn)，但是不同的緩凝劑作用機理不盡相同。硼酸對SAC水泥的緩凝作用通過阻礙水泥熟料的溶解實現(xiàn)，檸檬酸、葡萄糖酸鈉對SAC水泥的緩凝作用主要通過吸附水泥熟料中溶解出的Ca2+、Al3+，達到抑制AFt晶體形成而實現(xiàn)[30-31]。王琴等[30]研究了三種不同緩凝劑對高貝利特硫鋁酸鹽水泥性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入硼酸使得水泥水化熱的溶解放熱峰顯著降低，水化放熱峰雖然升高但是放熱時間延后。摻入檸檬酸使得水泥水化熱的水化放熱峰明顯降低，摻入葡萄糖酸鈉對溶解和水化放熱峰都有一定程度的降低。即硼酸通過抑制SAC水泥熟料的溶解，檸檬酸和葡萄糖酸鈉通過抑制SAC水泥水化達到降低水化熱和延緩凝結(jié)時間的目的。

緩凝劑對SAC水泥強度的影響較為復(fù)雜，雖然緩凝劑延緩了水泥的水化進程，但是不同的緩凝劑對強度的作用效果可能相反。AFt在水泥漿體中呈現(xiàn)六棱柱狀，硼酸的加入使得AFt晶體更短更粗壯，與水化凝膠更緊密的粘結(jié)在一起，形成了密實的水泥體系，從而使得水泥的早期強度提升。檸檬酸的加入增加了AFt的結(jié)晶位點，使得AFt晶體更細更短，從而降低水泥的早期強度。葡萄糖酸鈉易在AFt晶體的端部吸附，阻礙AFt的生長并使得AFt晶體更分散，從而顯著降低對水泥強度[30]。

緩凝劑與促凝劑同時作用可更有效地控制凝結(jié)時間，巴明芳等[32]研究了用緩凝劑檸檬酸、葡萄糖酸鈉和促凝劑硫酸鋁或碳酸鋰混合制成三相調(diào)凝劑對SAC水泥凝結(jié)時間的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)三相調(diào)凝劑可更有效地控制SAC水泥的凝結(jié)時間，并且這種混摻對水泥強度的負面作用更小。

3.2 摻合料改性

在SAC水泥中加入摻合料的目的是降低水泥成本，改善水泥性能。SAC水泥常常使用粉煤灰﹑硅灰、礦粉和礦渣等作為摻合料，達到降低水化熱、調(diào)節(jié)凝結(jié)時間、減少水泥收縮、抑制后期強度倒縮和提高水泥漿體密實度的目的，從而保證水泥的體積安定性，增強水泥耐腐蝕性能、抗碳化性能。

粉煤灰、硅灰和礦粉對水泥的影響是由滾珠效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和表面效應(yīng)共同作用所產(chǎn)生。滾珠效應(yīng)增加了漿體流動度，使得水泥熟料與水充分混合，加快水化；微集料效應(yīng)起到較好的填充性，進一步密實了體系；火山灰效應(yīng)會生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠物質(zhì)，可有效填堵水泥硬化后的空隙尺寸，提升水泥體系強度，但是由于SAC水泥為低堿度水泥，使得粉煤灰和礦粉的火山灰活性激發(fā)效果差于硅灰；高的比表面積使得幾種摻合料具有表面效應(yīng)，易吸附于水泥顆粒表面，阻止水泥與水的接觸，使得水化緩慢，抗壓強度降低[26，33]。

研究表明，摻合料的摻入可降低水化熱，縮短凝結(jié)時間，減少水泥收縮，但會降低水泥強度。桂雨在不同養(yǎng)護溫度下，研究了硅灰和高鈣粉煤灰對SAC水泥水化放熱速率的影響，發(fā)現(xiàn)摻入硅灰和高鈣粉煤灰均能減小SAC水泥最大水化放熱速率[34]。馬保國等[33]研究了粉煤灰、硅灰、礦粉對SAC水泥性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅灰摻入量只在2%～6%時實驗組的抗壓強度高于對照組，摻入粉煤灰和礦粉的實驗組抗壓強度和凝結(jié)時間均低于對照組。此外，馬保國等[35]還研制了一種由超細微粒、堿性物質(zhì)組成的增強組分，可有效激發(fā)粉煤灰活性，大大提高粉煤灰改性SAC水泥體系各個齡期的強度。邵方杰等[36]分別研究了粉煤灰、硅灰對SAC水泥性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和硅灰均可起到縮短凝結(jié)時間和降低收縮的效果，且硅灰對砂漿的緩凝效果和抗收縮性能優(yōu)于粉煤灰。

3.3 聚合物改性

SAC水泥由于水化熱較高，內(nèi)部氣體不能及時排出，內(nèi)部存在更多大孔隙。在SAC水泥中加入聚合物后，聚合物在混凝土中形成不連續(xù)的膜，與水泥水化產(chǎn)物交織成一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)空間，有延緩水泥水化和填充內(nèi)部孔隙的作用，有效降低水化熱峰值，減少后期強度倒縮，降低水泥的脆性，提高粘結(jié)強度，改善混凝土的耐久性[37]。常用于SAC水泥改性的聚合物有：丙烯酸類聚合物、丁苯乳液和環(huán)氧樹脂乳液等。

聚合物改性提升了界面粘結(jié)強度和耐久性，降低了水化熱和收縮率，延長了凝結(jié)時間。聚合物對SAC水泥的改性既有物理作用又有化學(xué)作用。物理作用是聚合物乳液均勻分散于水泥體系中，填堵體系中的孔結(jié)構(gòu)，阻礙水泥顆粒與水分子接觸，降低水化反應(yīng)速率?；瘜W(xué)作用是一些聚合物中存在特殊的官能團，可與水泥熟料或水化產(chǎn)物產(chǎn)生化學(xué)作用，形成強有力的橋鍵，增強材料間的粘結(jié)力[38]，如羧基丁苯、環(huán)氧樹脂乳液。

但大多研究發(fā)現(xiàn)，聚合物改性SAC水泥強度低[39]。聚合物本身的強度低于水泥的強度，因此，用聚合物代替部分水泥使得混凝土的強度明顯降低。同時，由于聚合物膜阻礙了水泥顆粒與水的接觸，使得水化速率降低，凝結(jié)時間延長，抗壓強度降低。此外，聚合物在攪拌過程中往往容易帶入過多的氣泡，增多水泥硬化漿體的孔隙，降低水泥抗壓強度。另外，雖然水泥中的金屬離子與聚合物中的活性官能團之間存在化學(xué)反應(yīng)，有連接水泥與聚合物的作用，但是B-O-V模型認為：水泥水化顆粒表面的聚合物會先凝聚成膜，形成一個由聚合物膜包裹的水泥顆粒，降低聚合物改性混凝土的界面粘結(jié)性[40]。

3.4 纖維改性

SAC水泥基材料內(nèi)部存在溫度應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力，易產(chǎn)生收縮開裂和膨脹開裂，出現(xiàn)不同程度的裂縫，降低混凝土的力學(xué)性能。纖維改性成本低廉，有效改善混凝土的粘結(jié)性能，提升混凝土的抗彎折強度，阻止裂紋的擴展[7，41]。

現(xiàn)有纖維改性SAC水泥基體的研究大多關(guān)注在力學(xué)性能方面，對微觀機理的研究相對較少。纖維對SAC水泥基材料的改性主要貢獻在于阻礙初始裂紋的擴展，提升體系抗折強度，纖維對抗壓強度提升效果并不明顯。水泥基材料在水化硬化過程中會產(chǎn)生許多孔隙、裂紋，而在這些缺陷處很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成水泥基體進一步開裂破壞，當纖維成網(wǎng)狀均勻分布于基體中時，有效阻止了裂紋擴展，增強了材料韌性。Chang 等[42]采用XRD與熱重分析法研究了兩種尺寸的鋼纖維對SAC水泥的改性效果，發(fā)現(xiàn)纖維對SAC水泥水化只有物理作用，且AFt的含量和基體強度隨著鋼纖維含量的增加而增加，添加鋼纖維可以加速基體的水化過程。推斷鋼纖維能提高基體水化程度的原因是其增加了基體的孔隙率，使水化產(chǎn)物有足夠的自由生長空間，提高了基體密實程度。何歡等[43]研究了聚乙烯醇纖維摻入SAC水泥基材料的改性，發(fā)現(xiàn)抗折強度隨著纖維摻量的增多而提升，而對抗壓強度并無明顯增強，甚至在纖維摻量1%時略微下降。

外加劑、摻合料和聚合物摻入SAC水泥中，均可有效降低水化熱峰值，適當調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，減少SAC水泥基體系后期強度的倒縮；纖維摻入SAC水泥中主要預(yù)防SAC水泥體系后期因開裂而導(dǎo)致的強度大幅降低。但減水劑、緩凝劑會對水泥體系的早期強度造成負面影響，促凝劑對水泥體系后期強度不利；摻合料改性效果由火山灰效應(yīng)和多種物理效應(yīng)共同作用，對水泥體系強度的作用效果復(fù)雜；聚合物改性和纖維改性由于改性材料自身模量的限制，使得水泥體系改性后的各齡期抗壓強度下降。因此，為保證混凝土強度和體積安定性，混凝土的改性多采用多種改性措施共同作用，以達到優(yōu)良的綜合性能。另外，在工藝方面，聚合物和纖維改性材料易在水泥基體系中發(fā)生團聚和纏結(jié)作用，難以均勻分散在水泥基體中。

4 硫鋁酸鹽水泥發(fā)展方向

近幾年，為解決高成本和性能缺陷對SAC水泥應(yīng)用市場的限制，國內(nèi)外對SAC水泥發(fā)展的研究開始采取摻入固體廢棄物或P·O的方式，以減緩SAC水泥水化熱集中、凝結(jié)時間難調(diào)控和強度發(fā)展緩慢問題。

綠色環(huán)保的建筑材料是當今道路材料發(fā)展的一大主流，SAC水泥是由優(yōu)質(zhì)鋁礬土和天然石膏燒制而成，生產(chǎn)成本高、原材料難以獲得，限制其應(yīng)用和發(fā)展，而我國工業(yè)廢棄物年產(chǎn)量逐年遞增，造成資源浪費。顯然，將工業(yè)廢棄物與SAC水泥大比例摻合是解決這一問題的有效途徑之一。高貝利特SAC水泥是采用低品位鋁礬土和工業(yè)廢渣燒制而成，與SAC水泥相比，熟料中硅酸二鈣的含量高達40%以上，具有低能耗、低成本、快凝快硬、微膨脹、低收縮、防凍、抗?jié)B、抗硫酸鹽腐蝕等優(yōu)點[44]，改善了SAC水泥后期強度發(fā)展緩慢的問題。高貝利特硫鋁酸鹽水泥的研究大大降低SAC水泥成本，為發(fā)展早強的綠色建筑材料提供了思路。

P·O水泥水化緩慢，早期強度較低，后期強度穩(wěn)定；SAC水泥水化迅速，早期強度高，后期強度發(fā)展緩慢。在SAC水泥中摻入硅酸鹽水泥，可起到延緩水化熱釋放，延長凝結(jié)時間，保證后期強度的穩(wěn)定發(fā)展的作用。雷毅[45]研究了P·O與R·SAC以不同比例復(fù)摻對強度與凝結(jié)時間的影響，發(fā)現(xiàn)P·O與R·SAC以6/4比例進行復(fù)摻時，凝結(jié)時間適中，水泥體系6 h強度達到最高，并且后期強度穩(wěn)定發(fā)展。史琛等[46]研究了P·O水泥與SAC水泥配比的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)P·O與SAC水泥以8/2的比例復(fù)摻可以得到較好的綜合性能，并指出P·O水泥水化生成Ca(OH)2凝膠參與了SAC水泥的水化過程，促進了AFt的生成，對早期強度具有促進作用。但這種復(fù)摻水泥的早期強度低于單摻SAC水泥的早期強度，有待進一步研究改進。

5 總結(jié)與展望

本文首先綜述了SAC水泥的水化機理與應(yīng)用現(xiàn)狀，然后從機理和改性效果的角度探索了針對SAC水泥應(yīng)用缺點的改性進展，并對SAC水泥未來的發(fā)展方向做出展望。

(1)SAC水泥水化較快、水化產(chǎn)物含量不穩(wěn)定，限制了其在大體積混凝土、施工復(fù)雜和后期強度要求較高的工程中的應(yīng)用。

(2)減水劑對SAC水泥的分散作用、緩凝劑對SAC水泥熟料溶解和AFm生成的阻礙、摻合料對SAC水泥基體的火山灰效應(yīng)和物理作用、聚合物膜對SAC水泥水化的阻擋和纖維對水泥基體的粘結(jié)作用，都有效地改善了SAC水泥體系的工作性能。

(3)減水劑可提高SAC水泥后期強度，硼酸型緩凝劑可提升SAC水泥體系的早期強度，檸檬酸型、葡萄糖酸鈉型緩凝劑會降低SAC水泥體系的早期強度。另外，緩凝劑與促凝劑共同作用可更有效調(diào)控凝結(jié)時間。

(4)粉煤灰和礦粉會降低水泥體系強度，硅灰對體系強度存在積極作用，作用效果優(yōu)于粉煤灰和礦粉。

(5)聚合物、纖維可以提高抗折強度，降低抗壓強度。聚合物對水泥體系強度的負面作用大于纖維。

目前，關(guān)于SAC水泥的研究還不夠全面，對于SAC水泥各種改性劑作用機理的認知還比較淺薄。SAC水泥成本高，體系中的鈣礬石不穩(wěn)定，摻合料的火山灰活性難激發(fā)等問題還有待進一步解決，研究開發(fā)綠色環(huán)保、早強高強、性能穩(wěn)定、成本低廉的SAC水泥仍是今后發(fā)展的重要課題之一。