ECC型自保溫干混砂漿的制備與性能表征①

李亞輝，雷團結(jié)，錢元弟，裴立宅，樊傳剛

(1.馬鞍山17冶科技工程有限公司，安徽馬鞍山243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

住宅產(chǎn)業(yè)化可使建筑的建設(shè)速度和質(zhì)量大幅度提高，是建筑發(fā)展的趨勢。目前我國借鑒歐洲的PC技術(shù)和日本的SI技術(shù)，也在加快國內(nèi)住宅產(chǎn)業(yè)化進程[1]。住宅產(chǎn)業(yè)化建筑的主要部件如梁、柱、墻體等需要在專門工廠預(yù)先加工，然后運到施工現(xiàn)場進行組裝，因此構(gòu)件連接是住宅產(chǎn)業(yè)化建筑(即“裝配式建筑”)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中各種形式的連接砂漿是PC構(gòu)件組裝的主要連接材料。在PC構(gòu)件組裝過程中，PC件可在工廠事先加工，其產(chǎn)品質(zhì)量能得到有效控制，因此裝配式建筑的連接部分是控制其質(zhì)量好壞的瓶頸環(huán)節(jié)[2]。

砂漿同普通混凝土材料一樣，屬于脆性材料，存在拉壓比低、干縮變形大、抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性差及不具保溫性能等缺點，將其直接應(yīng)用于PC件連接時，會給住宅產(chǎn)業(yè)化建筑帶來結(jié)構(gòu)安全方面的隱患[3]。ECC(工程水泥基復(fù)合材料)材料中，通過將聚乙烯醇(PVA)等短纖維在材料中亂向分布，可使ECC材料的力學(xué)性能明顯提高，收縮率顯著下降，并且具有較強的抗裂和抗震性[4]。若將高韌性水泥基復(fù)合材料(High Toughness Cementitious Composites，簡稱THCC)增強原理運用于連接砂漿，PC構(gòu)件連接質(zhì)量將會顯著提高。本課題組在次輕混凝土的制備中發(fā)現(xiàn)：用適量的細輕集料替代普通細集料，獲得的次輕混凝土試樣的力學(xué)性能沒有下降，其導(dǎo)熱系數(shù)下降1/3～1/2，提高了普通混凝土的保溫性能[5]。因此筆者以木質(zhì)素短纖維為增強成分，用部分膨脹珍珠巖顆粒替代普通細集料干砂，對普通干混砂漿進行改進。

1 試 驗

1.1 原材料

“海螺牌”42.5R級普通硅酸鹽水泥，基本性能見表1；粉煤灰，安徽馬鞍山第二發(fā)電廠排出的I級干灰，基本性能見表2；烘干砂，細度模數(shù)為2.68，堆積密度1550kg/m3，表觀密度2430kg/m3，含泥量為0.7%(質(zhì)量分數(shù))，級配為連續(xù)級配；膨脹珍珠巖，產(chǎn)地信陽，最大粒徑為2mm，堆積容重150kg/m3；木質(zhì)素纖維，纖維長度3～8mm，纖維直徑5mm；羧丙基甲基纖維素(HPMC)，黏度150 000mPa·s；自來水。

表1 水泥的基本性能指標Tab.1 Basic properties of cement used in the experiment

表2 粉煤灰的基本性能指標Tab.2_ Basic properties of fly ash used in the experiment

1.2 試樣的制備與表征

采用的干混砂漿灰砂比(膠凝材料與砂質(zhì)量比)為1:3，膠凝材料與水質(zhì)量比為2:1；干混砂漿中粉煤灰替代水泥量為20%(質(zhì)量分數(shù))，HPMC為外摻，摻加量為膠凝材料質(zhì)量的0.5%，制備試樣的配比中，膨脹珍珠巖取代砂的體積分數(shù)分別為0%(A1，B1)，5%(A2，B2)，10%(A3，B3)，15%(A4，B4)和20%(A5，B5)。不同組分砂漿試樣的配合比見表3，其中A組樣品配比中含短纖維，短纖維占膠凝材料質(zhì)量的0.05%，B組樣品中不含短纖維。

表3 不同砂漿試樣的配比Tab. 3 Ingredients of different resulting mortar specimens

按表3中的配比分別稱取粉煤灰、水泥、HPMC和木質(zhì)素纖維(A組樣品)，攪拌2min，然后加入稱取的膨脹珍珠巖顆粒攪拌1min，再加入干砂攪拌2min后制成干混砂漿樣品。

在水泥膠砂攪拌機中將上述干混砂漿樣品加水?dāng)嚢瑁铀繛?25 g，攪拌3min，得到濕砂漿樣品。將其填充到成型模具，24 h后進行試樣脫模、養(yǎng)護，并測試試樣的28d抗折強度、抗壓強度等。試驗中的成型模具為40mm×40mm×160mm三聯(lián)試模，試樣養(yǎng)護溫度為(20±2)℃。硬化砂漿試樣的干燥收縮率按照《建筑砂漿基性能試驗方法》(JGJ/T70—2009)中要求進行測試；使用杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn)的YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定硬化砂漿試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，測試方法為穩(wěn)態(tài)法，試樣尺寸為Φ13.5cm×4cm。用SEM方法觀察28d齡期的硬化砂漿樣品微觀結(jié)構(gòu)形貌(JSM-6490LV，日本電子公司)。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖1為硬化砂漿試樣28d抗壓強度隨膨脹珍珠巖含量變化的關(guān)系。從圖1可以看出，對于未摻加膨脹珍珠巖的樣品，含有纖維時，抗壓強度略有降低，其中：不含纖維B組試樣的抗壓強度隨著膨脹珍珠巖含量增加逐漸降低，從37.1MPa(φ(膨脹珍珠巖)=0%)下降到33.2MPa(φ(膨脹珍珠巖)=20%)；A組試樣的28d抗壓強度卻隨著膨脹珍珠巖含量的增加而增大，并在φ(膨脹珍珠巖)=15%時達到最大值，38.0MPa，然后開始下降。

圖2為硬化砂漿試樣28d抗折強度隨膨脹珍珠巖含量變化的關(guān)系。由圖2可看出：A組試樣(有纖維)28d抗折強度隨著膨脹珍珠巖含量增加基本趨于穩(wěn)定，約為6MPa；而B組試樣(無纖維)28d抗折強度隨著膨脹珍珠巖含量增加而逐漸降低，由5.4MPa(φ(膨脹珍珠巖)=0%)下降到4.3 MPa(φ(膨脹珍珠巖)=20%)。

圖1 膨脹珍珠巖含量對硬化砂漿試樣28 d抗壓強度的影響Fig.1 Influence of content of expanded perlite on 28 d compressive strength of hardened mortar specimens

圖2 膨脹珍珠巖含量對硬化砂漿試樣28 d抗折強度的影響Fig.2 Influence of different content of expanded perlite on 28 d compressive strength of hardened mortar specimens

膨脹珍珠巖屬于輕質(zhì)多孔材料，自身強度較低，用其來替代砂，會導(dǎo)致硬化砂漿試樣力學(xué)性能的降低。但在A組試樣中，由于增強短纖維的存在，且在試樣中雜亂分布成網(wǎng)絡(luò)狀，加強了各微區(qū)的連接作用，從而使試樣的力學(xué)性能提高。另外，膨脹珍珠巖的吸水率很高(浸泡24h，吸水率可達261%)[6]，在膠凝材料反應(yīng)后期，外界不能提供反應(yīng)所需充足水分的情況下，膨脹珍珠巖中的水分會緩慢釋放，使未完全水化的膠凝材料繼續(xù)水化，從而起到改善硬化砂漿試樣力學(xué)性能的作用φ(膨脹珍珠巖)=20%時，即使不摻加纖維，試樣28d抗壓強度也能達到29.1MPa，接近M30的保溫砂漿強度指標。

和未摻纖維的B組試樣相比，摻纖維后，A組試樣的力學(xué)性能(尤其是抗折強度)改善較為明顯。A組試樣中的短纖維能夠跨越試樣內(nèi)部的微細裂縫，對裂縫起到約束作用，從而可達到阻止裂縫擴展的目的[4]，提高硬化砂漿試樣的力學(xué)性能。

2.2 干縮率

膨脹珍珠巖吸水后體積膨脹，失水后體積縮小，所以膨脹珍珠巖的加入會影響砂漿硬化試樣的干縮率。圖3為硬化砂漿試樣的干縮率隨膨脹珍珠巖含量變化的關(guān)系。從圖3可以看出，無論是否摻加纖維，隨著膨脹珍珠巖含量的增加，試樣的干縮率增大，其中A組試樣的干縮率在0.09%～0.11%變化，而B組試樣在0.08%～0.1%之間變化。產(chǎn)生差異的原因是A組試樣中纖維為木質(zhì)素纖維，該纖維也有較高的吸水率，干燥過程中其也會脫水收縮，導(dǎo)致含纖維試樣的干縮率增大。上述干縮率值遠小于相應(yīng)標準[7]中規(guī)定的干混砂漿下限值(0.2%)，這是因為A，B組試樣中含占膠凝材料質(zhì)量20%的粉煤灰，在早期反應(yīng)能力低，但在后期，水泥水化釋放出的Ca(OH)2與粉煤灰中的活性組分反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使砂漿的pH值降低，這一方面可減少碳化收縮，另一方面使砂漿中界面結(jié)構(gòu)致密，失水量降低，干縮率下降。文獻[8]的研究也表明，粉煤灰能夠有效降低水泥基材料的自收縮。

2.3 導(dǎo)熱性能

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量砂漿保溫性能最重要的指標。膨脹珍珠巖本身是多孔輕質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)小(0.047～0.074W/(m·K))，故膨脹珍珠巖部分代替砂，可降低硬化砂漿試樣導(dǎo)熱系數(shù)。圖4為硬化砂漿試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨膨脹珍珠巖含量變化的關(guān)系。從圖4可看出：當(dāng)φ(膨脹珍珠巖)=0%，A，B2組試樣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.40，1.49W/(m·K)；隨膨脹珍珠巖含量的增加，2組試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降；當(dāng)φ(膨脹珍珠巖)=20%時，A，B試樣的導(dǎo)熱系數(shù)分別下降到0.52，0.64W/(m·K)(即分別下降了63%和57%)；另外，摻加的木質(zhì)素纖維也能起到降低試樣導(dǎo)熱系數(shù)的作用，這主要是因為木質(zhì)素纖維的導(dǎo)熱系數(shù)(為0.1～0.2W/(m·K)[9])比砂和水泥膠凝成分低1個數(shù)量級。

圖3 膨脹珍珠巖含量對硬化砂漿樣品干縮率的影響Fig.3 Influence of content of expanded perlite on dry shrinkage of hardened mortar specimens

圖4 膨脹珍珠巖含量對硬化砂漿試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.4 Influence of content of expanded perlite on heat conductivity of hardened mortar specimens

2.4 微觀形貌

圖5 為φ(膨脹珍珠巖)=5%時砂漿硬化試樣斷面照片。從圖5可看出，膨脹珍珠巖顆粒和膠結(jié)基質(zhì)之間沒有因為前者失水后收縮產(chǎn)生的間隙存在，這也是適量膨脹珍珠巖顆粒加入砂漿后，試樣強度沒有明顯降低的原因之一。圖6為φ(膨脹珍珠巖)=5%時硬化砂漿試樣截面的SEM照片。從圖6可看出，水泥水化產(chǎn)物沿著纖維表面生長，該水化產(chǎn)物(主要由氫氧化鈣晶體與水化硅酸鈣凝膠組成)增加了纖維與基體之間的摩擦力，即纖維可將水化產(chǎn)物綁固為一體，起到防止界面處裂紋產(chǎn)生與擴展的作用，且膨脹珍珠巖顆粒與基體之間沒有出現(xiàn)干縮脫接，該特征有助于含木質(zhì)素纖維和膨脹珍珠巖顆粒的ECC型自保溫干混砂漿施工后力學(xué)性能的提高。

圖5 φ(膨脹珍珠巖)=5%的砂漿硬化試樣斷面照片F(xiàn)ig.5 Photos of cross-section of the hardenedmortar specimens withφ(EP)=5%

圖6 φ(膨脹珍珠巖)=5%的硬化砂漿試樣截面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of cross-section of the hardenedmortar specimens with φ(EP)=5%

3 結(jié) 論

在普通干混砂漿中摻加木質(zhì)素纖維和膨脹珍珠巖顆粒，制備ECC型自保溫連接砂漿樣品，并對其性能進行系統(tǒng)表征，得出：

1)加入占膠凝材料質(zhì)量0.3%的木質(zhì)素纖維，能夠顯著改善自保溫砂漿的力學(xué)性能，尤其是抗折性能，但使硬化試樣的干縮率輕微增大；

2)用少量膨脹珍珠巖(體積分數(shù)為5%)代替等體積的中砂，硬化砂漿試樣的干縮率增大1倍；在膨脹珍珠巖體積分數(shù)由5%增加到20%時，試樣的干縮率變化趨于穩(wěn)定；

3)當(dāng)φ(膨脹珍珠巖)<15%時，膨脹珍珠巖能提高含纖維硬化砂漿試樣的28 d抗壓強度；當(dāng)φ(膨脹珍珠巖)>15%時，試樣的28d抗壓強度會降低；當(dāng)φ(膨脹珍珠巖)=15%時，硬化砂漿試樣的28d抗壓強度為38MPa，抗折強度為6.1MPa；

4)將膨脹珍珠巖顆粒和木質(zhì)素纖維加入干混砂漿，均能降低砂漿硬化樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，使干混砂漿具有保溫功能，當(dāng)試樣中φ(膨脹珍珠巖)=20%及木質(zhì)素纖維占膠凝材料質(zhì)量的0.3%時，所獲得硬化砂漿試樣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為硬化基準砂漿樣品的1/3。

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