硅灰对硫铝酸盐水泥力学和电磁传输性能的影响

李悦，华成，刘江林; LI Yue; HUA Cheng; LIU Jianglin

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摘要

研究了硅灰掺量对硫铝酸盐水泥力学性能和电磁传输性能的影响.结果表明：随着硅灰掺量的增加，硫铝酸盐水泥的抗压强度和抗折强度均先增大后降低，硅灰的最优掺量为10%；硫铝酸盐水泥的电磁传输性能随着硅灰掺量的增加而增大，与未掺硅灰的样品相比，硅灰-硫铝酸盐水泥在3.94~5.99 GHz频段范围内电磁传输性能均有所提升，电磁透射率峰值最高提升了23.9%.

关键词

硅灰; 硫铝酸盐水泥; 电磁传输性能; 力学性能

无线通信技术快速发展，相比传统4G通信，5G通信具备更好的传输效率、低延迟率和稳定性.然而，5G信号频率比4G高，波长短，因此其绕射能力差，电磁传输距离、覆盖范围和穿透能力也大幅度减小，且易受墙体遮挡影响^［

1］.目前常用建造大量成本极高的5G基站来提升信号覆盖与强度^{［参考文献 2

百度学术}2］.为了减小网络建设成本上的压力，有必要提升建筑材料的电磁传输性能，显著改善房屋、地下结构及通讯中心等的信号传输效率.

目前，硅酸盐水泥是应用最广泛的建筑胶凝材料，其主要水化产物水化硅酸钙（C‑S‑H）凝胶是一种天然吸波物质^［

1，3］.硫铝酸盐水泥（SAC）的主要水化产物为钙矾石（AFt）^{［参考文献 4

百度学术}4］.程娅萍^{［参考文献 5

百度学术}5］研究发现，SAC的介电常数实部值在8左右，介电损耗角正切值在0.5~1.6之间，且电磁透射率比硅酸盐水泥高30%左右，这与其水化产物及占比相关.虽然SAC中的AFt为晶体，具有良好的电磁传输性能，但与电磁透波类材料相比仍有所不足^{［参考文献 6

百度学术}6］.硅灰（SF）的主要成分是SiO₂^{［参考文献 7

百度学术}7］，SiO₂的介电常数实部值在3左右，介电损耗角正切值在1.0×10^-4~1.0×10^-2之间，且在频率变化下其电磁参数稳定，具有透波潜力^{［参考文献 6

百度学术}6，8］.

综上，本文选用SF来改善SAC的电磁传输性能，研究了SF掺量对SAC电磁传输性能的影响，并结合X射线衍射仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）等微观测试方法，分析了SF提升硅灰-硫铝酸盐水泥（SF‑SAC）电磁传输性能的机理.

1 试验

1.1 原材料

唐山北极熊建材有限公司生产的42.5级快硬复合SAC；河南义翔公司生产的白色SF，比表面积为21 m²/g；聚羧酸高效减水剂，固含量（质量分数，文中涉及的掺量、比值等除特殊说明外均为质量分数或质量比）为20%，减水率为31%；试验用水为自来水.SAC和SF的化学组成见表1；SAC的物理性质见表2；SF的粒径分布见图1.

表1 SAC和SF的化学组成

Table 1 Chemical compositions（by mass） of SAC and SF ( Unit：% )

Material	CaO	SiO₂	MgO	SO₃	Al₂O₃	K₂O	Fe₂O₃	Na₂O	MnO	SrO	P₂O₅	Other
SAC	40.85	12.28	2.52	17.80	20.50	0.46	3.40	0.20	0.25	0.13	0.25	1.36
SF	0.19	98.4	0.17		0.18	0.55					0.16	0.35

表2 SAC的物理性能

Table 2 Physical properties of SAC

Specific surface area/(m²·kg^-1）	Standard consistency water consumption/%	Setting time/min		Flexural strength/MPa		Compressive strength/MPa
Specific surface area/(m²·kg^-1）	Standard consistency water consumption/%	Initial	Final	3 d	28 d	3 d	28 d
460	28	22	29	8.4	9.0	49.4	60.2

图1 SF的粒径分布

Fig.1 Particle size distribution of SF

1.2 样品制备

SF‑SAC的水灰比为0.24，减水剂掺量为水泥质量的0.3%，设置SF掺量w_SF（以水泥的质量计）为0%、10%、20%、30%，对应的样品命名为A0（对照组）、A1、A2和A3.将SF‑SAC浆体浇筑在尺寸为22.00 mm×47.25 mm×10.00 mm的模具中，脱模后放置在标准养护箱（温度（20±1）℃，相对湿度RH≥90%）中养护至28 d.为避免自由水对电磁传输性能的影响，测试前将样品在35 ℃的干燥箱中干燥至恒重.

同轴法常用于测试石蜡（P）-粉末复合材料的电磁参数，能够很好地评价粉末的电磁性能^［

1］.将干燥后的A0、A1、A2和A3样品研磨至粉末状，分别命名为A0P、A1P、A2P、A3P.分别取SF和相同份数的磨细粉末，将其与融化的石蜡（粉末与石蜡的质量比为1∶3.）均匀混合，制备成内径3.04 mm、外径7.00 mm、厚度2.00 mm的同心圆柱，分别命名为P‑SF、P‑A0P、P‑A1P、P‑A2P和P‑A3P.

1.3 测试方法

1.3.1 流动度和凝结时间测试

根据GB/T 8077—2012《混凝土掺合料均匀性试验方法》和GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定样品的流动度和凝结时间.

1.3.2 力学性能测试

根据GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，制备了尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的不同SF掺量样品，在标准养护箱中养护至28 d.使用DYE‑300S型全自动水泥胶砂抗压抗折试验机测试样品的抗压和抗折强度.每组3个样品，结果取平均值.

1.3.3 电阻率测试

四电极法^［

9］可以减小电极和试样之间的接触电阻和极化效应的影响，因此采用四电极法测量样品的电阻率.

1.3.4 电磁性能测试

5G频段的主要范围为3~6 GHz^［

1］，使用E5071C型微波矢量网络分析仪，采用波导法测试了SF‑SAC固体矩形样品在3.94~5.99 GHz频段范围内的电磁参数.波导类型为WR‑187，场源发射功率为2.54 mW.采用同轴法测试了石蜡-粉末复合材料在3.94~5.99 GHz频段范围内的电磁参数.

1.3.5 微观测试

用Bruker D8 Advance型XRD对样品的物相组成进行分析，扫描范围为5°~60°.用Auto Pore IV9510型MIP，测试了样品孔结构的变化，仪器的压力范围是690.0 Pa~413.7 MPa，可测量孔径范围为5 nm~800 µm.使用Qunata600F型场发射SEM观测样品的微观形貌，测试前将样品置于35 ℃的温度下烘干至恒重，并对样品表面进行喷金处理.

2 结果与分析

2.1 SF‑SAC的流动度和凝结时间

SF‑SAC的凝结时间和流动度见图2.由图2可见：随着SF掺量的增加，SF‑SAC的凝结时间延长，流动度增大；与对照组样品A0相比，样品A3的初凝时间、终凝时间、流动度分别提升了83.3%、108.0%、180.0%.这是因为SF可以降低水泥浆体的温度，从而延缓水泥的水化进程，使凝结时间延长^［

10］.试验中采用的SF是一种半凝聚态硅灰，其表面光滑，带有电荷，有利于颗粒间相互分散和排斥，更容易在净浆中产生“滚珠”效应，从而提升浆体的流动性.

图2 SF‑SAC的凝结时间和流动度

Fig.2 Setting time and fluidity of SF‑SAC

2.2 SF‑SAC的强度

SF‑SAC的抗压强度和抗折强度见图3.由图3可见：随着SF掺量的增加，SF‑SAC的强度均先增大后减小；当w_SF=10%时，样品的抗压和抗折强度最高，分别为98.6、10.7 MPa，比未掺SF时分别提高了8.4%、15.1%.这是因为SAC的凝结硬化速率较快，产生了大量热量，SF可以减小温升和温度裂缝敏感性，且火山灰效应下产生的水化硅酸钙（C‑S‑H）凝胶也会填充在毛细孔中，减少了微裂缝的数量^［

11］.随着SF掺量的继续增大，部分SF充当填料，不再发生反应，此时填充效应对强度的降低大于火山灰效应对强度的提升^{［参考文献 12

百度学术}12］，从而使样品A2和A3的强度下降.

图3 SF‑SAC的抗压强度和抗折强度

Fig.3 Compressive strength and flexural strength of SF‑SAC

2.3 SF‑SAC的电阻率

SF‑SAC的电阻率见图4.由图4可见：SF‑SAC的电阻率随着SF掺量的增加而增大；与对照组样品A0相比，样品A1、A2、A3的电阻率分别提升了13.5%、36.7%、83.8%.这是因为SF引发了火山灰反应，导致毛细孔中游离的离子浓度大幅度下降，导电离子间距变大^［

13］.此外，SF的主要成分SiO₂是一种电绝缘物质，未反应SF作为填料，填充在毛细孔中，也使得SF‑SAC的电阻率上升.

图4 SF‑SAC的电阻率

Fig.4 Resistivity of SF‑SAC

2.4 电磁参数

电磁性能常用复介电常数 $ε (ε = ε^{'} - i ε'')$ 、介电损耗角正切值 $t a n δ$ （ $t a n δ = \frac{ε''}{ε^{'}}$ ）、复磁导率 $μ (μ = μ^{'} - i μ'')$ 和S参数来表征.对复介电性能： $ε^{'}$ 表征样品的电磁储存能力； $ε''$ 表征样品的电磁损耗能力； $t a n δ$ 越大，介电损耗越大.对复磁导率： $μ^{'}$ 代表试样储藏磁能的能力； $μ''$ 表示磁偶极矩在产生和重排过程中引起的磁损耗的大小， $μ''$ 越大，磁损耗越强.水泥的 $μ^{'}$ 几乎都接近1， $μ''$ 接近0，属于非磁损耗材料，因此本文不对样品的磁损耗进行讨论^［

5，14］.

2.4.1 石蜡-粉末复合材料的介电参数

石蜡-粉末复合材料的介电参数见图5.由图5可见：样品P‑SF的 $ε^{'} 、 ε''$ 和 $t a n δ$ 均最小；随着SF掺量的增加，样品P‑A1P、P‑A2P、P‑A3P的 $ε^{'} 和 ε''$ 均降低.可见SF能够有效减少材料的电磁损耗，并改善其与自由空间的匹配程度，有利于电磁波的进入.

图5 石蜡-粉末复合材料的介电参数

Fig.5 Dielectric parameters of P‑powder composite materials

2.4.2 SF‑SAC的介电参数

SF‑SAC的介电参数见图6.由图6可见，SF‑SAC的 $ε^{'} 和 ε''$ 均随着SF掺量的增加而下降.根据等效介质理论，材料整体介电常数是由各物相的介电参数和占比共同决定^［

1］.在填充效应下，大量SF不再反应，使高SF掺量样品的

ε''

下降.对于

t a n δ

，其变化趋势和

ε''

变化一致，说明SF掺量越高，SF‑SAC的电磁损耗越低.

图6 SF‑SAC的介电参数

Fig.6 Dielectric parameters of SF‑SAC

2.4.3 SF‑SAC的电磁波反射率、透射率和吸收率

S参数包含了输入反射系数S₁₁、反向透射系数S₁₂、正向透射系数S₂₁和输出反射系数S₂₂.材料的电磁波反射率R、透射率T和吸收率A分别为^［

5］：

R = | S_{11} |^{2}

（1）

T = | S_{21} |^{2}

（2）

A = 1 - R - T

（3）

SF‑SAC的电磁波反射率、透射率和吸收率见图7.由图7可见：SF‑SAC的电磁波反射率随着SF掺量的增加略有下降，其良好的阻抗匹配区间（R $<$ 10%）主要在5.35~5.99 GHz之间；吸收率随着SF掺量的增加而下降，其中样品A2和A3较样品A0降低显著，分别下降了11.4%、14.9%；透射率随着SF掺量的增加而提升，样品A0、A1、A2、A3的透射率分别在5.65、5.68、5.70、5.73 GHz达到峰值，分别为0.552、0.565、0.633和0.684，样品A2和A3相比样品A0提升更为显著，提升幅度分别为14.7%、23.9%.

图7 SF‑SAC的电磁波反射率、透射率和吸收率

Fig.7 Electromagnetic wave reflectivity, transmittance and absorption of SF‑SAC

2.5 微观测试

2.5.1 XRD分析

SF‑SAC水化产物的XRD图谱见图8.由图8可见：SF‑SAC水化产物的主要结晶产物为钙矾石（AFt）和单硫型水化硫铝酸钙（AFm）；硫铝酸钙、无水石膏和硅酸二钙（C₂S）均来自未反应的SAC；与样品A0相比，SF‑SAC所有结晶相的衍射峰位置均没有发生改变，表明没有新的结晶产物生成.

图8 SF‑SAC水化产物的XRD图谱

Fig.8 XRD patterns of SF‑SAC hydration products

2.5.2 MIP分析

SF‑SAC的孔结构见图9.由图9可见，样品的孔隙率（体积分数）分别为11.2%、13.5%、14.2%和20.1%.Liu等^［

1］将样品中孔径D≤100 nm的孔隙归为电磁损耗孔.样品A0、A1、A2和A3中D≤100 nm孔的累计体积分别为0.048、0.037、0.030、0.025 mL/g.与对照组样品A0相比，样品A1、A2和A3中电磁损耗孔累计体积下降了22.9%、37.5%和47.9%.此外，随着SF掺量的增大，D

>

100 nm孔的体积占比不断增大，分别占总孔隙率的33.2%、54.1%、68.4%和82.7%.

图9 SF‑SAC的孔结构

Fig.9 Pore structure of SF‑SAC

3 结论

（1）随着硅灰（SF）掺量的增加，硅灰-硫铝酸盐水泥（SAC）的抗压和抗折强度均呈先上升后下降的趋势，在SF掺量w_SF=10%时达到最大，分别为98.6、10.7 MPa，比未掺SF时分别提高了8.4%、15.1%.

（2）随着SF掺量的增加，SF‑SAC的凝结时间、流动性、电阻率和孔隙率增大，复介电常数下降.此外，SF‑SAC中孔径D≤100 nm的孔隙数量降低，D $>$ 100 nm孔的体积占比显著提升，当w_SF=30%时，孔隙体积占比变化最明显.

（3）随着SF掺量的增加，SF‑SAC的电磁反射率略有下降；当w_SF为20%、30%时，SF‑SAC的电磁吸收率显著下降；与未掺SF时相比，SF‑SAC电磁传输性能得到改善，在3.94~5.99 GHz频段范围内的电磁传输性能均有所提升，电磁波透射率峰值最高提升了23.9%.

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