礦物摻合料對水泥砂漿性能的影響

謝群， 李海波， 王火明，3

(1.江西省贛北公路勘察設(shè)計(jì)院， 江西 九江 332000； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司)

在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，水泥混凝土是用量最大、用途最廣泛、對生態(tài)環(huán)境影響最大的產(chǎn)品之一。早在1998年，吳中偉在回顧了水泥混凝土發(fā)展歷程之后，便富有創(chuàng)造性地提出了綠色混凝土的概念，并認(rèn)為綠色混凝土也屬于高性能混凝土，進(jìn)一步提出發(fā)展綠色高性能混凝土(GHPC)的倡議。吳中偉指出綠色高性能混凝土應(yīng)該具有以下特征：① 更多地節(jié)約熟料水泥，降低能耗和環(huán)境污染；② 更多地?fù)郊右怨I(yè)廢料為主的細(xì)摻料；③ 更大地發(fā)揮高性能混凝土的優(yōu)勢，減少水泥和混凝土的用量。因此，探究礦物摻合料對水泥砂漿的工作性能和力學(xué)性能的影響，有助于礦物摻合料的合理利用，推動綠色高性能混凝土的發(fā)展。目前，采用礦物摻合料配制的無粗骨料混凝土也相對較多，比如：活性粉末混凝土(RPC)、無宏觀缺陷水泥基復(fù)合材料(MDF)、高延性水泥基復(fù)合材料(ECC)和地質(zhì)聚合物混凝土。

礦物摻合料的種類很多，常見的礦物摻合料主要有粉煤灰、礦粉、硅灰、微珠等。在水泥砂漿或水泥混凝土中加入礦物摻合料有以下幾個主要目的：① 合理利用廢棄材料，變廢為寶，提高資源利用率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境；② 提高水硬性材料的工作性能，以滿足特定的施工環(huán)境；③ 降低水泥水化熱反應(yīng)，提高水硬性材料的界面強(qiáng)度，從而提高水硬性材料的力學(xué)性能；④ 提高水硬性材料的耐久性。

該文主要采用正交試驗(yàn)法研究不同摻量的S95級礦粉(PS)、粉煤灰(FA)、微珠超細(xì)粉(MB)、硅灰(SF)在復(fù)摻情況下對水泥砂漿流動性、強(qiáng)度以及收縮性能的影響，確定礦物摻合料最佳組合與摻量，有效提高礦物摻合料的利用率。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1) 水泥采用P.O.52.5級水泥，3 d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為25.6 MPa，28 d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為58.6 MPa。

(2) 礦物摻合料。Ⅰ級粉煤灰、S95級礦粉、微珠超細(xì)粉、超細(xì)硅灰。微珠是一種全球狀、連續(xù)粒徑分布、超細(xì)、實(shí)心、硅鋁酸鹽精細(xì)沉珠，國外也稱為改性粉煤灰，其粒徑分布于粉煤灰與硅灰之間。

(3) 減水劑。WR-4聚羧酸早強(qiáng)減水劑,減水率為25%以上。

(4) 石英砂、自來水。

礦物摻合料的化學(xué)組成及物理性質(zhì)見表1。

表1 礦物摻合料的化學(xué)組成及物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

無粗骨料混凝土的流動度試驗(yàn)參照J(rèn)C/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂漿》的方法，試驗(yàn)儀器為內(nèi)徑(30±0.1) mm、高(50±0.1) mm的金屬空心圓柱體和面積大于300 mm×300 mm的平板玻璃。無粗骨料混凝土的成型、養(yǎng)護(hù)、抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照GBT 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件。

無粗骨料混凝土的收縮試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，成型標(biāo)養(yǎng)48 h后，采用收縮儀和千分表測定無粗骨料混凝土的收縮值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)定的4因素分別為：因素A(硅粉)、因素B(粉煤灰)、因素C(礦粉)、因素D(微珠)，每個因素按照水泥質(zhì)量比例(以外摻法摻入水泥用量的3%、6%、9%)設(shè)定了3個水平。正交試驗(yàn)水平表見表2。每組試驗(yàn)的砂子用量為1 350 g，水泥用量為528.5 g，礦物摻合料按照水泥質(zhì)量的比例進(jìn)行調(diào)整，水膠比采用0.24，高效減水劑為膠凝材料的1%。

表2 正交試驗(yàn)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

無粗骨料混凝土流動度、抗壓抗折強(qiáng)度及收縮值的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

對表3的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理后，得到了表4的水平均值與極差表。表4中：R值大小反映了礦物摻合料對無粗骨料混凝土各項(xiàng)性能的影響程度。例如，將礦物摻合料按對流動度的影響程度大小排序依次為：微珠、粉煤灰、礦粉、硅灰，最佳組合為D3B3C3A1。同理，可從表4中得到礦物摻合料對其他性能的影響程度排序以及最優(yōu)組合方式。

2.2.1 流動度影響分析

由表4可知：在該文試驗(yàn)的3個水平摻量下，水泥砂漿流動度隨礦物摻合料的摻量單調(diào)遞增，并在微珠處于水平3摻量時(shí)取得最大值。

表4 水平均值和極差

究其原因：① 粉煤灰、礦粉和微珠的顆粒形狀幾乎都為球狀體，減少了顆粒之間的摩擦阻力，從而提高了水泥砂漿的流動性；② 單一的水泥顆粒，遇水之后，存在團(tuán)聚現(xiàn)象。在水泥中加入礦物摻合料，能夠降低水分子的表面能，從而提高水泥顆粒的分散效果。此外，相比于水泥顆粒的粒徑，礦物摻合料的粒徑相對較小，加入一定量的礦物摻合料，能夠優(yōu)化水泥的顆粒級配，從而提高水泥漿體的流動性。

與此同時(shí)，一般認(rèn)為比表面積越大，需水量也較大，從表1可以看出，相比于其他3種礦物摻合料，硅灰的比表面積高出了一個數(shù)量級，因此，隨著硅灰摻量的增加，水泥漿體流動度下降。

2.2.2 強(qiáng)度影響分析

由表4可知：① 混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度會隨硅灰、粉煤灰、礦粉的摻量增大而單調(diào)遞減。但微珠摻量增大時(shí)，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度先增大，后減小，說明適量的微珠能夠提高無粗骨料混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度；② 7 d抗折強(qiáng)度折線的變化趨勢與7 d抗壓強(qiáng)度基本一致，同樣只有適量的微珠能夠提高無粗骨料混凝土的7 d抗折強(qiáng)度；③ 適量硅灰、礦粉和微珠均能提高無粗骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。其中，28 d抗壓強(qiáng)度隨硅灰、礦粉摻量增大而單調(diào)遞增，但后期增幅較小，隨微珠摻量增大先增大后減小。但同時(shí)，粉煤灰摻量的不斷增大，使得混凝土28 d抗壓強(qiáng)度逐漸減小；④ 各28 d抗折強(qiáng)度折線的變化趨勢與28 d抗壓強(qiáng)度基本一致，主要差別在于變化幅度。

根據(jù)中心質(zhì)效應(yīng)假說，水泥砂漿中的細(xì)集料是第一層次的中心質(zhì)，水泥凈漿是第一層次的介質(zhì)，在水泥凈漿和細(xì)集料之間存在著第一層次的界面過渡層，未摻加礦物摻合料的水泥砂漿只存在第一個層次的強(qiáng)度疊加效應(yīng)。礦物摻合料的粒徑相對較小，能夠填充水泥凈漿中的微小空隙，可以構(gòu)成以水泥顆粒為第二層次中心質(zhì)、以礦物摻合料為第二層次介質(zhì)的密實(shí)填充結(jié)構(gòu)模型，摻加礦物摻合料的水泥砂漿存在兩個層次的強(qiáng)度疊加效應(yīng)。因此，摻加礦物摻合料的力學(xué)強(qiáng)度相對較高。

硅灰、粉煤灰、礦粉和微珠化學(xué)組成成分中含有大量的SiO2和Al2O3，在這些礦物摻合料中，SiO2和Al2O3都具有一定的活性，可以和水泥水化反應(yīng)的產(chǎn)物(氫氧化鈣和高堿度的水化硅酸鈣)發(fā)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿度水化硅酸鈣，從而改善水泥石的界面強(qiáng)度和水泥漿體的強(qiáng)度，提高水泥砂漿的整體強(qiáng)度。礦物摻合料的活性作用處于水泥砂漿的二次反應(yīng)階段，發(fā)揮礦物摻合料的活性作用需要一定的時(shí)間，因此，隨著硅灰、粉煤灰和礦粉體積摻量的增加，水泥砂漿的7 d力學(xué)強(qiáng)度逐漸下降。

硅灰比表面積很大，二氧化硅含量較高，硅灰的活性作用在28 d的時(shí)間內(nèi)能顯現(xiàn)出來，因此，隨著硅灰摻量的增加，水泥砂漿的28 d強(qiáng)度逐漸升高。

礦粉的比表面積雖然較小，卻是一種非結(jié)晶細(xì)顆粒狀玻璃態(tài)的粉末材料，且經(jīng)歷了水淬、干燥、粉磨的過程，化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，其活性作用在28 d的時(shí)間內(nèi)能顯現(xiàn)出來，因此，隨著礦粉摻量的增加，水泥砂漿的28 d強(qiáng)度逐漸升高。

粉煤灰是燃煤電廠收集的煙道灰，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，比表面積相對較小，其活性作用在28 d的時(shí)間內(nèi)不能顯現(xiàn)出來，因此，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥砂漿的28 d強(qiáng)度逐漸下降。

微珠的比表面積相對較大，粒徑較細(xì)，顆粒中球體比例相對較大，能夠抑制水泥砂漿的收縮性能，相比于粉煤灰，其成分中的二氧化硅含量相對較高，因此，在合適的摻量條件下，能夠提高水泥砂漿的7、28 d強(qiáng)度。

此外，由于硅灰中的二氧化硅含量最高，因此，硅灰對水泥砂漿強(qiáng)度的影響最為顯著。

2.2.3 收縮性能影響分析

由表4可知：隨著粉煤灰摻量、礦粉摻量和微珠摻量的增加，無粗骨料混凝土的早期收縮量逐漸降低，而隨著硅灰摻量的增加，無粗骨料混凝土的7 d收縮量逐漸增大。

這主要是由于水泥砂漿在終凝后，未充分水化的水泥顆粒在滲水壓力的作用下，在接觸水分子之后，會繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，消耗水分子，從而引起水分子遷移，造成毛細(xì)孔負(fù)壓的產(chǎn)生，引起混凝土的塑性收縮。相比于水泥粒徑，粉煤灰、礦粉和微珠的粒徑相對較小，其能夠在水分子遷移過程中，阻礙水分子的遷移速度，降低毛細(xì)孔負(fù)壓，降低水泥石的塑性收縮。因此，隨著粉煤灰、礦粉和微珠摻量的增加，水泥砂漿的7 d收縮量逐漸降低。而粉煤灰的活性效應(yīng)需要較長時(shí)間才能充分發(fā)揮出來，在水泥砂漿體積穩(wěn)定后，粉煤灰的活性效應(yīng)能夠消耗水泥石中的自由水和弱結(jié)合水，從而轉(zhuǎn)化為體積稍大、狀態(tài)更加穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，填充水分子毛細(xì)孔，降低水泥砂漿的干燥收縮。因此，粉煤灰對水泥砂漿收縮性能的影響較為顯著。硅灰由于比表面積較大，需水量也較大，從松散的粉末狀態(tài)到密實(shí)型的固體狀態(tài)，引起的體積變化也相對較大，不利于水泥砂漿收縮的控制。因此，隨著硅灰摻量的增加，水泥砂漿的7 d收縮量逐漸升高。

3 結(jié)論

該文主要采用四因素三水平的正交試驗(yàn)方法，通過流動度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和收縮性試驗(yàn)，探究了4種礦物摻合料(硅灰、粉煤灰、礦粉和微珠)對水泥砂漿工作性能、力學(xué)強(qiáng)度和收縮性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 粉煤灰、礦粉和微珠均能提高水泥砂漿的流動度。其中，粉煤灰、礦粉最終提升效果近似，但綜合以微珠的提升效果最為明顯，而硅灰會減小砂漿流動度。

(2) 硅灰、礦粉會使無粗骨料混凝土的7 d抗壓、抗折強(qiáng)度降低，但會增強(qiáng)其28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度；適量微珠可以提升無粗骨料混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度，該文中最大值一般在試驗(yàn)水平2處取得，粉煤灰的摻入不利于無粗骨料混凝土的強(qiáng)度增長。

(3) 粉煤灰、微珠和礦粉均能夠降低水泥砂漿的7 d收縮量，但硅灰不利于控制其7 d收縮量。