硫铝酸盐水泥(CSA)主要是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的新型水泥.这种水泥以早期强度高、抗冻性好、抗渗性好、耐腐蚀以及低碱度等特点，广泛应用于抢修抢建工程、预制构件、纤维增强水泥制品、低温施工工程、抗海水腐蚀工程等.硅酸盐水泥(OPC)虽然性能稳定、生产成本较低，但其早期强度发展缓慢，且不适应低温环境.使用CSA改性PC性能是目前改善水泥性能的有效途径^[1]，近年来许多学者在这一领域做了大量有益的研究.Winnefeld等^[2]研究了CSA和PC复合体系的材料性能，根据实验数据，建立了复合水泥的热力学水化模型.Pelletier将PC和CSA混合，通过调整配合比提高复合水泥性能^[3].García研究了粉煤灰掺入CSA浆体后在不同水化龄期的水化性能^[4].Saoût等^[5]通过PC外掺CSA发现，CSA的添加并不影响PC的水化机理，而是控制了铝的溶解.Ghorpade等^[6]发现CSA没有还原能力，外掺PC后脱氯率高于两者单独使用.李国卫等^[7]在PC砂浆中掺入CSA，研究了其对PC砂浆强度和电阻率的影响.聂光临等^[8]在PC中掺加CSA后发现可以显著降低砂浆的收缩率.这些研究表明CSA与PC的复合并不是2种材料的简单叠加，复合后水泥砂浆的物理与化学性质复杂，需要使用一种有效的检测方法来研究其水化过程.

水泥基材料水化过程的检测方法主要有水化热法、水化动力学法、电阻率法、环境扫描法和电阻抗法等^[9].其中水化热法对水泥基材料早期水化过程具有良好的表征作用，水化后期水化热曲线趋于平缓，因此只适合做短龄期的辅助研究.水化动力学根据水化动力学模型分析水化热数据，得到水化过程的反应速率与水化度的关系.电阻率法通过测定水泥水化过程的电阻率，根据电阻率特征曲线研究水泥基材料的凝结硬化特征.李国卫、魏小胜等^{[7, 10]}测试记录电阻率信号在水泥基材料水化过程中的变化，绘制了不同水灰比水泥基材料电阻率随时间变化的曲线.环境扫描电镜法适用于微观结构对湿度敏感的水化早期观察，可以实现多点连续观察^[11].交流阻抗方法是电化学法研究水泥水化过程的强有力工具，可以灵敏地反映水化过程微结构的变化^[12].

压电传感器具有适用范围广、检测精度高、不易受外界环境干扰的优点.近几年，压电传感器被用于水泥基材料水化过程的监测中.Song等^[13-15]将压电传感器预埋在混凝土材料中，并利用小波包能量分析法将压电信号转换为监测时间点上能量值，以此反映混凝土材料的水化过程.Xu等^[16]在混凝土构件中预先植入压电传感器，监测了不同强度混凝土材料在水化过程中的压电信号特性.本文利用压电陶瓷检测技术，监测CSA和PC砂浆在不同配合比条件下的压电信号，并分析压电信号能量值变化曲线特征，研究CSA对PC砂浆性能的影响.

1 实验原材料与实验方法 1.1 实验原材料及其主要物理性能

水泥采用华新32.5R级复合硅酸盐水泥(PC)和孝感安达42.5级快硬硫铝酸盐水泥(CSA)，水泥材料参数见表 1.砂采用粒径为0.3～0.6 mm的黄砂，水采用自来水.

1.2 实验配合比

在PC中掺入不同量的CSA水泥，采用同一粒径砂配制成砂浆.水灰比为0.6，灰砂比为1:1.75.各组配合比见表 2.

1.3 压电监测原理

压电材料在交流电的激发下会产生振动，振动激起的应力波在介质中传播时会沿着传播路径衰减，而介质本身的物理属性变化会改变衰减的程度.水泥基体在水化过程中，会随着龄期的增长由初始的胶凝体变为结构致密的水泥石，应力波在材料水化过程中衰减程度会逐渐降低.在水泥砂浆试件两端布置用来激发和接收的压电陶瓷传感器A、B，先由A激发一个扫频信号，波沿着介质传播到B位置，由B接受信号.在整个实验过程中，A保持激发信号不变，B接受的信号会因为水泥基体龄期增长而发生变化.通过对B接受的信号进行分析处理，反映出水泥基体水化过程性能变化.图 1为实验测试原理图.

1.4 实验设备及方法

本次压电信号监测实验使用的是1台数据采集卡、1台笔记本、水泥基早强智能监测盒^[17]，监测系统如图 2所示.本次实验设置扫频波段为100～250 kHz，扫频周期为1 s，每5 min采集1次数据.监测盒内截面尺寸为70 mm×70 mm.

本次实验对压电信号能量值E计算：

式中：n为一个扫频周期内采样点的总数，本次试验n=250 k；u_j为第j个采样点上的实测电压值.

实验在标准实验室进行，温度为20(±2)℃，相对湿度不小于60%.水泥胶砂强度检验按GB/T17671-1999进行，凝结时间测定按GB/T1346-2011进行.砂浆制备使用水泥胶砂搅拌机，启动自动程序制备砂浆.砂浆试压块采用标准养护，试模尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.

砂浆的压电信号采用水泥基早强智能监测盒测定.砂浆在搅拌完成后迅速倒入智能监测盒中，振捣1 min后加玻璃盖密封，同时开始监测.从加水到采集数据不超过10 min.每5 min采集1次数据，实验进行到1 440 min后停止采集.

2 实验结果与分析 2.1 CSA掺量对复合水泥砂浆性能的影响

掺入不同比例的CSA时，复合水泥砂浆强度在龄期为1、3和28 d时的变化如图 3(a)所示.

由图 3可知，随着CSA掺量增加，复合水泥砂浆的抗压强度呈先降低后增大的趋势，这种趋势在早期(1 d和3 d)表现得尤为明显.对于1 d龄期的复合水泥砂浆，当掺量超过40%时，其强度普遍比纯PC砂浆高，且随着掺量增加呈线性增大；当掺量为90%时，其抗压强度是纯PC砂浆的3.48倍，达到纯CSA砂浆的82%.对于3 d龄期的复合水泥砂浆，当掺量为20%时，砂浆抗压强度增长很少；当掺量从20%增加到90%时，抗压强度增长趋势与1 d基本一致.对于28 d龄期的砂浆，除少数几组外，砂浆抗压强度不再随CSA掺量的增加而剧烈变化.结果表明，在PC中掺入一定量的CSA可以显著地改善PC性能，尤其是在掺量超过60%后，早期强度和后期强度都有显著的提高.

上述实验结果还表明，CSA不可随意添加到PC中使用.原因之一是CSA掺量不合理会造成早期强度损失或者后期强度严重降低.从图 3(a)可以看出，当CSA掺量为20%、30%时，复合水泥砂浆早期强度下降明显；当CSA掺量为40%、50%时，复合水泥砂浆后期强度下降明显.此外，根据水灰比为0.6的水泥净浆的凝结时间发现，掺入CSA后会明显缩短复合水泥凝结时间，且复合水泥凝结时间短于纯PC和CSA的凝结时间.当CSA掺量为30%时，复合水泥凝结得最快，初凝时间为35 min，终凝时间为56 min，见图 3(b).因此，从凝结时间考虑，CSA不可随意添加到PC中使用.

2.2 CSA砂浆压电信号能量值与抗压强度的关系

为了验证压电信号监测的有效性，选取龄期为6、12、18、24 h 4个点的数据，将CSA试块的实测抗压强度与监测到的压电信号能量值作对比，从图 4中可以发现，随着龄期的增长，CSA砂浆压电信号能量值变化曲线与其抗压强度变化曲线均呈现出相同的增长趋势，这表明砂浆压电信号能量值变化与强度发展密切相关，龄期在24 h内可以根据压电信号能量值变化曲线预测砂浆强度增长.

2.3 CSA掺量对复合水泥砂浆性能的影响

从图 3可以看出，当CSA掺量在60%以下时，复合水泥砂浆的强度没有有效提高，因此，本文给出CSA掺量在60%～100%之间的5条监测曲线，随着CSA掺量比例的变化，砂浆的压电信号能量值变化如图 5所示.

从图 5可以看出，各种比例砂浆的压电信号呈现出类似的发展规律.在90 min以前的凝结初期，信号变化平缓；在180 min左右，由于钙矾石和氢氧化钙的快速生成，信号开始剧烈变化，之后信号进入平稳增长的阶段.由图 4的实验结果可知，压电信号的增长和材料强度的提高同步.观察图 5中第1 440 min的数值可知，随着CSA掺量的增加，1 d龄期复合水泥的强度依掺和比例依次提高，这和图 3(a)中1 d的压块试验结果完全吻合.

对于快硬水泥而言，早期强度的形成尤为重要.图 6截取了图 5前180 min的数据，从图中可以看出，在复合水泥凝结的早期，CSA掺量从60%变化到100%时，较少掺量的复合水泥砂浆反而更快地凝结，这和图 3(b)凝结时间试验结果相吻合，CSA的掺量对PC的早期水化速率有很大的影响.

综上所述，压电信号的能量值与复合水泥砂浆的强度密切相关，压电信号能量值变化曲线可以较为准确地反映出复合水泥砂浆早期水化的连续过程.实验结果表明，为获得更高的早期强度，当PC和CSA混合使用时，CSA的掺量在70%左右时可以获得较好的早强效果，但是继续提高掺量比例，反而使得凝结时间后移.

3 结论

1) 压电信号的能量值与复合水泥砂浆的强度密切相关，可以较好地预测水泥基材料早期强度的发展过程.

2) CSA掺量对PC性能有很大的影响，在PC中掺加CSA会加快复合水泥浆体的早期水化速度，显著缩短复合水泥浆体的凝结时间，但CSA与PC不能随意复合使用.

3) 随着CSA掺量增加，复合水泥砂浆抗压强度呈现出先降低后增大的变化趋势，当CSA掺量从60%增加到90%时，改性水泥砂浆早期抗压强度呈逐渐增大趋势.