礦物摻合料對(duì)摻有速凝劑的水泥砂漿力學(xué)性能的影響

王喆，黃天勇，劉澤，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

礦物摻合料對(duì)摻有速凝劑的水泥砂漿力學(xué)性能的影響

王喆，黃天勇，劉澤，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

本研究固定速凝劑的摻量為 5%，研究三種不同摻量的礦物摻合料單摻、雙摻、三摻對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：粉煤灰和硅灰的摻入均能夠提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，但抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增加而降低，隨著硅灰的摻量增加而增大。當(dāng)摻入石灰石粉時(shí)，在摻量為 5% 時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度有提高，并且抗壓強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量的增加而降低。三種礦物摻合料雙摻時(shí)，摻入 5% 的硅灰和 20% 的粉煤灰砂漿的抗壓最好，三種礦物摻合料三摻時(shí)，摻入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和10% 石灰石粉砂漿的抗壓強(qiáng)度最好。同時(shí)加入速凝劑的水泥砂漿，硅灰和粉煤灰對(duì)于水泥砂漿強(qiáng)度有很好的增強(qiáng)效果，少量的石灰石粉對(duì)于水泥砂漿有一定的增強(qiáng)效果，但是石灰石粉摻量超過(guò) 5% 時(shí)，水泥砂漿會(huì)隨著石灰石粉摻量的增加而明顯降低。

礦物摻合料；速凝劑；復(fù)摻；強(qiáng)度

噴射混凝土 (Sprayed Concrete) 是用于加固和保護(hù)結(jié)構(gòu)或巖石表面的一種具有速凝性質(zhì)的混凝土。噴射混凝土常用于灌筑隧道內(nèi)襯、墻壁、天棚等薄壁結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的襯里以及鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，簡(jiǎn)稱(chēng)“錨噴”[1,2]。近年來(lái)噴射混凝土發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，不但在煤礦井巷、隧道、高速公路邊坡中得到應(yīng)用，而且由于其施工簡(jiǎn)單，在建筑物的加固、結(jié)構(gòu)修復(fù)中得到全面應(yīng)用[3]。

速凝劑是噴射混凝土施工法中不可缺少的添加劑，我國(guó)對(duì)低堿（無(wú)堿）液體速凝劑的研究則是剛剛開(kāi)始，還處在初級(jí)階段，并且許多工程項(xiàng)目由于使用速凝劑使得噴射混凝土的后期強(qiáng)度下降而遭破環(huán)[4]。

混凝土材料需要消耗大量的能源和自然資源，如何更經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用這些材料，并盡量節(jié)省資源，適應(yīng)當(dāng)前低碳環(huán)境的要求顯得尤為重要。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，尤其是高性能混凝土應(yīng)用越來(lái)越普遍，礦物摻合料已經(jīng)與水泥、集料、水和外加劑一樣受到重視，成為混凝土的一種重要組成材料[5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在速凝劑種類(lèi)、摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響上做過(guò)很多研究[4,6-9]，但并沒(méi)有學(xué)者對(duì)摻速凝劑下礦物摻合料對(duì)強(qiáng)度的影響做研究。硅灰、粉煤灰是噴射混凝土必需的摻合料，本實(shí)驗(yàn)在研究粉煤灰、硅灰的同時(shí)，增加研究了石灰石粉這種并未在噴射混凝土上用過(guò)的材料，主要是考慮實(shí)際生產(chǎn)中噴射混凝土粘度大，希望通過(guò)研究三種摻合料的單摻、復(fù)摻對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響，為礦物摻合料在噴射混凝土實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

水泥：水泥選用北京金隅 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的性能

礦物摻合料：所使用的硅灰為超細(xì)硅粉（SF）；使用的粉煤灰（FA）為亮灰色，有金屬光澤；使用的石灰石粉（CA）屬鈣質(zhì)石灰石粉。

細(xì)骨料：試驗(yàn)所用砂子為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為 2.72，級(jí)配屬于 Ⅱ 區(qū)，孔隙率為 42.29%，吸水率為 2.8%，表觀(guān)密度為2695kg/m3，堆積密度為 1556kg/m3。原材料粒徑分布見(jiàn)圖1。

圖1 原料累計(jì)粒徑分布

外加劑：減水劑選用四川成都吉龍外加劑有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 減水劑性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

按照表4 的礦物摻合料配合比，根據(jù) GB/T 17671—1999速凝劑：選用北京瑞吉達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的液體速凝劑，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照 JC 477—2005《噴射用混凝土速凝劑》，測(cè)得性能指標(biāo)如表3?！端嗌皾{強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》砂漿配合比為膠凝材料450g、機(jī)制砂 1350g、水180g（w/c=0.4）、粉體萘系減水劑3.6g（0.4%）、速凝劑 22.5g（5%），測(cè)定 1d、3d、7d、28d抗折、抗壓強(qiáng)度。

考慮到速凝劑快凝的性質(zhì)，并不在攪拌前隨水、減水劑、膠凝材料一起加入。在初始加入水時(shí)，預(yù)留 10ml 水與速凝劑混合攪勻，等常規(guī)攪拌結(jié)束后加入攪拌機(jī)內(nèi)，并馬上開(kāi)啟手動(dòng)模式快攪 30s，之后立即裝模。在機(jī)器振搗的同時(shí)采用人工振搗輔助成型。

表3 速凝劑性能指標(biāo)

表4 試驗(yàn)方案 %

2 結(jié)果與討論

圖2 FA 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

圖3 SF 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

圖4 CA 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

2.1 粉煤灰對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

單獨(dú)摻入粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。從結(jié)果中可以看出粉煤灰摻量為 5% 時(shí)強(qiáng)度最高，隨摻量增加強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，1d 時(shí)除摻量 5% 的試樣，其余強(qiáng)度均小于空白樣，之后強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，3d 相比 1d 增長(zhǎng) 71.3%，后期增長(zhǎng)緩慢，28d相比 3d 增長(zhǎng) 31.2%。

這主要是因?yàn)榉勖夯也痪哂歇?dú)立的水硬性，其玻璃體微珠表層活性的 SiO2及 Al2O3需要通過(guò)與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)[10,11]。一天強(qiáng)度沒(méi)有變化是因?yàn)橛捎谒倌齽┑募尤氪罅肯?CaSO4·H2O，使水泥中的 C3A 快速和Ca(OH)2反應(yīng)，使 Ca(OH)2含量降低導(dǎo)致粉煤灰的二次水化反應(yīng)推遲。又由于速凝劑本身呈堿性，C3A 水化完成后粉煤灰在早期就發(fā)生強(qiáng)烈的二次水化反應(yīng)，使早期強(qiáng)度增強(qiáng)。

2.2 硅灰對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

單獨(dú)摻入硅灰試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。隨著硅灰摻量的增加抗壓強(qiáng)度明顯增大，1d 時(shí)除摻量 3% 的試樣，其余強(qiáng)度均小于空白樣，3d 抗壓強(qiáng)度最高可以達(dá)到 41.2MPa，最低也有36.6MPa，28d 摻硅灰 10% 的抗壓強(qiáng)度更是達(dá)到 61.3MPa。

1d 強(qiáng)度與空白組沒(méi)明顯變化，同樣是因?yàn)?C3A 水化消耗Ca(OH)2使硅灰的火山灰反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行。后期強(qiáng)度提高明顯有兩方面原因：一是由于硅灰的比表面積大，加入后致使系統(tǒng)密度增大，所使用超細(xì)硅粉粒度小，填充到水泥空隙內(nèi)，增強(qiáng)了膠黏體系的凝聚性，使體系更加密實(shí)[12]；二是 C3A 水化結(jié)束后，溶液中 Ca(OH)2含量增加，硅灰進(jìn)行火山灰反應(yīng)。

2.3 石灰石粉對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

單獨(dú)摻入石灰石粉試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從抗壓強(qiáng)度中可以明顯看出隨石灰石粉摻入量增加強(qiáng)度下降，1d 強(qiáng)度均小于空白樣，1d 以后摻 5% 試樣的強(qiáng)度均高于空白樣，摻 10%的試樣在 28d 時(shí)強(qiáng)度開(kāi)始低于空白樣，摻 15% 的試樣在 7d時(shí)強(qiáng)度就比空白樣低 25%。

石灰石粉在膠凝體系中主要起微集料的作用，加入量較少時(shí)可以填充到水泥縫隙中使體系密實(shí)、強(qiáng)度增加，而石灰石大量加入時(shí)，相對(duì)減少了體系中膠凝材料的量，造成強(qiáng)度下降[13]。同時(shí)石灰石粉在水泥硬化過(guò)程中還起到一定的加速效應(yīng)，由于速凝劑的效果，使石灰石粉的加速效應(yīng)在 3d 左右最為顯著。

2.4 雙摻對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

（1）在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，在 1d 時(shí)隨粉煤灰摻量增加抗壓強(qiáng)度下降，強(qiáng)度均低于空白組，1d 之后隨粉煤灰摻量增加抗壓強(qiáng)度開(kāi)始增大，3d、7d 時(shí)三組的抗壓強(qiáng)度與空白樣相差不大，28d 時(shí)三組強(qiáng)度各高出空白樣 10%、13%、17%。粉煤灰、硅灰同時(shí)摻入水泥中，三種材料的平均粒徑分別處于三個(gè)不同的數(shù)量級(jí)，因而更加優(yōu)化了微集料級(jí)配，有利于緊密堆積和填充，并迅速與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2起二次反應(yīng)，生成 C-S-H 凝膠，改善單摻粉煤灰時(shí)隨摻量增加強(qiáng)度下降的情況。

（2）在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

在圖6 中可以明顯看出，隨石灰石粉摻量增加，抗壓強(qiáng)度下降，但下降幅度較小。這是因?yàn)槭沂叟c硅灰同時(shí)加入時(shí)，因硅灰比表面積大限制了石灰石粉的微集料效應(yīng)。雙摻硅灰—石灰石粉最大的特點(diǎn)就是早期強(qiáng)度低，但隨著水化繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)度增加大。

圖5 SF-FA 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

圖6 SF-CA 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

圖7 三摻對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

2.5 三摻對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入石灰石粉、粉煤灰，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

三摻的強(qiáng)度經(jīng)時(shí)趨勢(shì)與雙摻類(lèi)似，不過(guò) 1d 強(qiáng)度更低，隨水化進(jìn)行強(qiáng)度提升更大，抗壓 1d 強(qiáng)度為 28d 強(qiáng)度的 39% 左右。從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，隨著石灰石粉和粉煤灰摻量增加強(qiáng)度都降低，不過(guò)多摻石灰石粉的試樣強(qiáng)度更低。這主要是因?yàn)閾搅吭黾雍?，集料效?yīng)不明顯，卻導(dǎo)致水泥量減少，致使強(qiáng)度下降。

3 總結(jié)

（1）速凝劑的加入使前期體系中 Ca(OH)2含量低，硅灰和粉煤灰的火山灰反應(yīng)受到限制，導(dǎo)致單摻 1d 強(qiáng)度與空白樣差別不大，但復(fù)摻由于水泥量的下降使 1d 強(qiáng)度比空白樣降低較多。

（2）單摻時(shí)粉煤灰和石灰石在摻量為 5% 時(shí)強(qiáng)度最高，隨摻量增加強(qiáng)度降低。但摻粉煤灰 15% 時(shí)強(qiáng)度依舊高于空白樣，而摻石灰石粉超過(guò) 5% 強(qiáng)度便低于空白樣。硅灰提升強(qiáng)度效果明顯隨摻量增加強(qiáng)度增加。

（3）雙摻時(shí)粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的提升明顯優(yōu)于雙摻石灰石粉，隨粉煤灰摻量增加強(qiáng)度增大，隨石灰石粉摻量增加強(qiáng)度減小。

（4）三摻時(shí)摻入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和 10% 石灰石粉強(qiáng)度最高，隨著石灰石粉和粉煤灰摻量增加強(qiáng)度都降低，但多摻入石灰石粉的試樣強(qiáng)度降低更明顯。

（5）雙摻、三摻都會(huì)導(dǎo)致 1d 強(qiáng)度低于空白樣的情況，隨著水化繼續(xù)進(jìn)行，強(qiáng)度提升較空白樣快，絕大部分樣品的28d 強(qiáng)度高于空白樣。

[1] 王紅喜，陳友治，丁慶軍．噴射混凝土的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．巖土工程技術(shù)，2004 (01): 51-54．

[2] 張丕嶺．錨噴支護(hù)技術(shù)在蔭營(yíng)煤礦的應(yīng)用研究[J]．科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005 (01): 277-278．

[3] 朱廣兵．噴射混凝土研究進(jìn)展[J]．混凝土，2011 (04): 105-109．

[4] 李丹，宋寧強(qiáng)，宋戰(zhàn)平．無(wú)堿速凝劑對(duì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究 [J]．公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010 (09): 31-34．

[5] 葉東忠．早強(qiáng)劑對(duì)摻硅灰的水泥砂漿強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)影響的研究[J]．北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009(02): 8-11．

[6] 樊文熙，許永安，鄭永保．D 型速凝劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響[J]．焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000(01): 19-20．

[7] 張恩華，馬驥，劉敬軍，等．水灰比、配合比、速凝劑摻量對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響[J]．光爆錨噴，1997(02): 13-16．

[8] 錢(qián)大行，姚楊森．速凝劑對(duì)噴射混凝土性能影響的研究[J].混凝土，2002( 09): 36-37．

[9] 武萍，尚建麗，劉北，等．液體速凝劑對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究 [J]．建筑科學(xué)，2007( 05): 56-58．

[10] 肖佳，周士瓊．粉煤灰、硅灰對(duì)水泥膠砂性能影響的研究[J]．混凝土，2003( 08): 28-30+36．

[11] 徐亦冬，張利娟，陸云龍．粉煤灰、礦渣及硅灰對(duì)水泥膠砂流動(dòng)性及早期強(qiáng)度的影響 [J]．混凝土，2005( 09): 39-41.

[12] 張力冉，郝兵，劉治華，等．粉煤灰/硅灰對(duì)新拌復(fù)合漿體多級(jí)絮凝結(jié)構(gòu)的影響[J]．商品混凝土，2011(09): 35-38．

[13] 林宗壽，趙前．原料組成對(duì)石灰石基少熟料水泥性能影響[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(23): 11-15+26．

［通訊地址］北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁 11 號(hào) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）（100083）

王喆（1990—），男，碩士研究生。主要從事水泥混凝土及外墻防水砂漿等方向的研究。