快硬高铁硫铝酸盐水泥基保温材料与 C30 混凝土耐久性能对比研究

1 测试对象与配比分析

为明确组分协同机制，解析该材料配方及功能，与 C30 混凝土对比，有点突出创新点。各成分配比、占比及机理如下，协同效应是性能核心保障 ：

2 耐久性性能对比分析

耐久性是建材抵抗环境作用（化学腐蚀、水渗透等）的核心能力 。参照 GB/T50082-2024，从五大维度对比该材料与 C30 混凝土差异，揭示性能优势 。

化工园区、沿海地区中，硫酸盐（ |Na₂S0₄ 、 MgS0₄) ）、Cl-、H+ 易导致建材失效 ，两者差异源于水化体系与微观结构本质不同。

2.1.1 C30 混凝土：耐蚀性一般

普通水泥水化生成 20-25% 游离 Ca(OH)₂ ，成为腐蚀靶点

2.1.1.1 硫酸盐腐蚀：浓度 >0.2% 时，Ca (OH) 与 Na₂SO₄ 反应生成石膏，再与 C₃A 生成钙矾石（体积胀 1.5倍），内应力 2-3MPa（超抗拉强度 2MPa）引发开裂； MgS0₄ 还生成松软 Mg(OH)₂o

2.1.1.2 酸性腐蚀：pH<5 时，H+ 与 Ca (OH) 反应致水泥石溶解， 5% 盐酸浸泡 7d 强度损失 > 40%。

2.1.1.3 氯离子侵蚀：Cl- 渗透破坏钢筋钝化膜（需 pH>11），锈蚀产物胀 2-3 倍，加剧开裂 。

实际中，C30 在沿海服役 3-5 年出现剥落、裂缝，需定期维修 。

2.1.2 该材料：耐蚀性极优

通过 “源头控制 - 界面防护 - 结构致密” 三重机制抵抗腐蚀：

2.1.2.1 基材优势 ：游离 Ca (OH)₂<1% （C30 约 20% ），AFt 在硫酸盐环境稳定，C-S-H 凝胶 Si/O 比 1.2（普通 0.8）抗酸强；5% Na2SO4 浸泡 90d 强度损失仅 0.5% （C30>25%）。

2.1.2.2 KH-570 憎水作用：疏水膜使水接触角 ⩾110^∘ ，0.3MPa 水 压 下 渗 水 高 度 0.5mm/24h（C315mm/24h）[2]，阻断腐蚀介质渗透。

2.1.2.3 高致密性：纳米硅与胶粉协同形成 “微孔 - 无连通” 结构，连通孔隙率 <0.5% （C30 约 8%），硫酸盐扩散系数为 C30 的 1/20。

2.1.2.4 稻壳界面强化：KH-570 处理后界面粘结强度 2.5MPa（未处理 1.0MPa ），稻壳被密封，80℃、5%Na2SO4 浸泡 180d 无降解（未处理 30d 分解）。

2.2 抗渗性 (Permeability)

抗渗性是冻融、碳化的基础指标，用抗渗等级（P）表示，等级越高性能越强 。

2.2.1 C30 混凝土：抗渗 P6-P8

普通振捣下孔隙率 15-20%，连通毛细孔（200-500nm）多；振捣不实则产生蜂窝缺陷 。地下工程需额外防水，增加成本。

2.2.2 该材料：抗渗 > P12

“憎水防护 - 孔结构优化” 构建抗渗屏障：

2.2.2.1 长效憎水：KH-570 与基体化学结合，表面磨损 0.5mm 仍疏水，户外暴露 180d 接触角 ⩾ 100°（C3030d 后 <20°），阻断水分连续渗透。

2.2.2.2 孔结构优化：HPMC 控制原生孔隙 <50nm ，纳米硅填充后孔隙率 <5% ，胶粉成膜使连通孔隙率 ∠⋅∠ 0.1% ；1.2MPa（P12）养护 7d 无渗漏，1.5MPa 仍无渗水。

2.3 抗冻融性 (Freeze-Thaw Resistance)

北方寒冷地区，材料内水冻结胀 9% 产生冻胀应力，反复循环致开裂 ，抗冻等级（F）为 “-15℃冻结 -20℃融化” 循环中，质量 / 强度损失≤ 5%/25% 的最大次数。

2.3.1 C30 混凝土：抗冻 F150-F200

未掺引气剂时仅 F50-F100 ，工程中掺引气剂引入 50-200μm 封闭气泡，抗冻提至 F150-F200，但含气量每增 1% 强度降 5-8%，长期服役气泡易连通，5 年后抗冻或降至 F100 。

2.3.2 该材料：抗冻 > F500

“低吸水 - 高韧性” 协同杜绝冻

2.3.2.1 低吸水：憎水与抗渗使吸水饱和率 <5% （C30 约 15%），非饱水水分冻胀应力 <0.5MPa （抗拉强度3MPa）。

2.3.2.3 高韧性缓冲：胶粉弹性薄膜吸收冻胀应力，抵消冰晶体积膨胀 。

试验中，300 次冻融后质量损失 0.3% 、强度损失 2%（优于 F150），500 次仍未达损失阈值 。2.4 体积稳定性与抗裂性

体积不稳定（干缩、温缩）产生的裂缝，是耐久性致命缺陷 ，用干缩率、抗拉强度与极限拉伸率评价

水化与干燥收缩叠加，28d 干缩率 0.04%-0.06% ；约束状态下干缩拉应力 2.5MPa（超抗拉强度 2MPa），易致贯穿裂缝；极限拉伸率仅 0.015%，早期养护不足易生 0.1-0.2mm 塑性裂缝 。

“膨胀补偿 - 韧性提升 - 界面强化” 实现低收缩高抗裂：

2.4.2.1 硫铝酸盐水泥微膨胀：AFt 体积略增，产生 0.01%-0.02% 微膨胀，基础干缩率 <0.01%[5]。2.4.2.2 纳米硅膨胀树脂补偿：纳米硅二次水化减少残留水分，树脂 7-28d 膨胀 0.02%，28d 干缩率 0.01%-0.02%（C30 的 1/3~1/4）。

2.4.2.3 全生命周期抗裂：HPMC 使塑性收缩率降 60% ；胶粉提抗拉强度至 3MPa（C30 约 2MPa）、极限拉伸率至 0.025%（C30 约 0.015%）。

2.4.2.4 界面增强：KH-570 处理后稻壳与基体无缝隙，圆环约束试验中 C30 7d 生 3-5 条裂缝（宽 0.2mm 该材料 28d 无可见裂缝 。

碳化是 CO 与碱性物质反应致碱度降低，破坏钢筋钝化膜（需 pH>11），碳化深度越小性能越强。

2.5.1 C30 混凝土：碳化快

Ca (OH)2 使内部 pH=12-13，CO2 通过孔隙扩散与其反应生成 CaCO3 (pH=8.5) C30 孔隙率 15-20%，CO2扩散快，标准环境（20℃、RH60%、 CO₂0.03% ）下 28d 碳化深度 5-8mm，56d 10-12mm，1 年超 20mm（近保护层厚度），工业区 CO 高时速率更快。

2.5.2 该材料：抗碳化极强

“物理阻隔 - 化学稳定” 双重抵抗：

2.5.2.1 低孔隙阻隔：总孔隙率 <5% 、连通孔隙率 <0.5% ，CO2 扩散系数为 C30 的 1/20 ，碳化速率大幅降低。

2.5.2.2 KH-570 密封：孔隙内壁疏水 - 密封层，阻碍 CO2 传输 。

2.5.2.3 化学稳定：pH=10-11，AFt 与 C-S-H 凝胶和 CO2 反应速率为 Ca (OH)2 的 1/10 ，碳化产物致密。

测试中，标准环境 90d 碳化深度 0.5mm（C30 15-20mm），加速环境 (CO₂5% ）28d 仅 2mm（C30 30mm）。3 关于5.3% 掺量稻壳影响的专项论证

稻壳传统应用易因界面差、易降解降耐久性，专项论证 5.3% 掺量影响 ，结论为正面且可忽略，与基体相容是创新点。

3.1 超低掺量：不改变基体性质

5.3% 掺量远低于传统稻壳水泥的 10%-20%，基体以 AFt+C-S-H 凝胶为连续相，稻壳 (0.l-0.3mm ）为分散相，不形成纤维网络。对比试验中，无稻壳组与含稻壳组 28d 抗压强度差 1.2% 、耐硫酸盐损失差 0.3% ，无负面影响 。

3.2 界面处理：KH-570 消除薄弱环节

KH-570 “分子桥” 使稻壳从 “缺陷相” 变 “增强相”：Si (OH) 与稻壳、水泥羟基形成共价键，界面强度 2.5倍于未处理组；稻壳接触角从 40° 提至 105°，与胶粉相容性提升；SEM 显示界面无缝隙（未处理组有 0.5-1μm 空隙）。

3.3 密封惰性环境：杜绝降解

稻壳降解需水、氧气、微生物，基体特性阻断这些条件：高憎水抗渗使稻壳干燥，避免纤维素水解 ；透气性低致氧 t<1% ，抑制微生物代谢 ；基体耐酸碱，腐蚀介质无法接触稻壳 。80℃、RH90%、O 21% 加速老化180d，稻壳纤维素含量 > 95%（未处理仅 60%）。

3.4 性能补偿：覆盖潜在影响

稻壳或引入微孔，但添加剂可补偿：KH-570 使接触角提 3 倍，抵消亲水 ；纳米硅填充空隙，总孔隙率仍 < 5% ；胶粉增韧抵消脆性风险 。含稻壳组抗渗、抗冻、耐蚀略优无稻壳组，微增韧 。

4 结论

.1 该材料在耐化学腐蚀、抗渗、抗冻融等关键耐久性指标上展现出远超 C30 混凝土的卓越性能。

4.2 微量稻壳（5.3%），实现保温 - 绿色 - 微增韧，与基体相容。未来可优化稻壳掺量（<10%），或与秸秆、屑复合，开发更多绿色高性能建材 。

4.3 该材料代表了一种高性能、高耐久的绿色建材发展方向。

参考文献：

[1] 谢怀宇，谢向荣。一种叠合楼板：202411287924 [P].2025-09-07.

[2] GB/T50082-2024, 混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2024.

[3] 李建。纤维素醚对硫铝酸盐水泥水化及性能影响 [D]. 同济大学，2022.

[4] 张德成，张云飞，程新。硫铝酸盐水泥基混凝土抗碳化性能的研究 [J]. 硅酸盐通报，2008,27 (2):258-263