礦物摻合料對(duì)水泥基自流平砂漿性能影響研究

胡冉，方從啟，孫紅運(yùn)，薛文濤

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

礦物摻合料對(duì)水泥基自流平砂漿性能影響研究

胡冉，方從啟，孫紅運(yùn)，薛文濤

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

研究了不同摻量粉煤灰、礦渣、硅粉對(duì)水泥基自流平砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響。結(jié)果表明：在砂漿中摻入粉煤灰時(shí)，砂漿流動(dòng)性及強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；復(fù)摻時(shí)，等量礦渣和粉煤灰雙摻及等量礦渣、粉煤灰和硅粉三摻砂漿的流動(dòng)度提高最為顯著，均達(dá)到350 mm，并且其抗壓強(qiáng)度高于同齡期基準(zhǔn)水泥及單摻粉煤灰10%的砂漿。

自流平砂漿；礦物摻合料；流動(dòng)度；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

0 引言

自流平砂漿是一種由混合膠凝材料、細(xì)骨料、礦物填料及添加劑等組成的地面用材料，具有承載能力及裝飾作用。使用時(shí)將粉料、液料攪拌均勻或按規(guī)定比例加水?dāng)嚢?，?jīng)人工施工或機(jī)械泵送之后，不需人工攤鋪、振搗平整，即可靠漿體的高度流動(dòng)性形成平整的平面。具有流動(dòng)性極佳、工作性良好、施工效率高、表面光滑平整等優(yōu)點(diǎn)，能滿足工程建設(shè)的諸多要求[1]。自流平材料按主要基材不同分為無(wú)機(jī)系和有機(jī)系2類：無(wú)機(jī)系自流平材料主要指石膏基及水泥基自流平材料；有機(jī)系自流平材料主要指環(huán)氧自流平材料。鑒于有機(jī)系自流平材料價(jià)格昂貴，石膏基自流平材料存在諸多弊?。ㄊ嗄退暂^差且呈酸性或中性），水泥基自流平材料得到了更為廣泛的關(guān)注。

自流平砂漿的性能指標(biāo)主要有流變性能和力學(xué)性能，通常用砂漿流動(dòng)度及不同齡期的抗壓強(qiáng)度來(lái)表征。礦物摻合料被認(rèn)為是普通混凝土高性能化不可缺少的材料[2]。自流平材料組分較為復(fù)雜，目前礦物摻合料對(duì)其性能影響的研究尚不全面，因此考慮不同種礦物摻合料單摻、復(fù)摻可為自流平材料在工程中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。本文選取了粉煤灰、礦渣及硅粉3種不同礦物摻合料，研究其單摻及復(fù)摻、三摻對(duì)水泥基自流平材料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：上海海螺水泥有限公司的P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；凱諾斯（中國(guó)）鋁酸鹽技術(shù)有限公司的CA-50型高鋁水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。2種水泥的主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

（2）礦物摻合料：粉煤灰，上海吳涇發(fā)電廠提供，比表面積2600 cm2/g，密度2.33 g/cm3；硅粉，上海天愷有限公司提供，粒徑為0.01～0.10 mm，比表面積20～28 m2/g；礦渣，湖南邵峰水泥廠生產(chǎn)，80 μm方孔篩篩余2.5%，堿性系數(shù)M0＞1.0、活性系數(shù)Ma＞0.12、質(zhì)量系數(shù)Mk＞1.0，屬堿性礦渣，堿性較高。礦物摻合料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要物理力學(xué)性能

表2 鋁酸鹽水泥的主要物理力學(xué)性能

表3 水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分 %

（3）膨脹劑：唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的高效CSA膨脹劑；消泡劑：龍湖科技有限公司生產(chǎn)的P803消泡劑；減水劑：蘇州弗克新型建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸增強(qiáng)減水劑，建議摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.2%～0.5%，減水率為20%；砂：長(zhǎng)江水域河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量＜0.5%；拌和水：自來(lái)水。1.2試驗(yàn)配比

試驗(yàn)配比參考文獻(xiàn)[3-11]及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定如下：水膠比為0.28，砂膠比為1.55，消泡劑、減水劑摻量分別占膠凝材料質(zhì)量的0.5%、0.4%保持不變。試驗(yàn)具體配比見(jiàn)表4。

表4 水泥基自流平砂漿的配比 %

1.3 試驗(yàn)方法

攪拌方式、流動(dòng)度和力學(xué)性能測(cè)試參照J(rèn)C/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂漿》進(jìn)行。每組試驗(yàn)成型4個(gè)40 mm× 40 mm×160 mm三連模試件用來(lái)測(cè)試抗折和抗壓強(qiáng)度；流動(dòng)度試驗(yàn)采用截椎試模（高60 mm，上、下口的內(nèi)徑分別為70、100 mm）和500 mm×500 mm×500 mm的玻璃板進(jìn)行測(cè)試；自愈性采用劃痕方法進(jìn)行表征：用刮刀在倒出后平攤在玻璃板上的砂漿表面劃痕，砂漿表面快速愈合表征自愈性能良好，砂漿表面不能快速愈合表征自愈性能較差。試件制備后在環(huán)境溫度（23± 2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%、試驗(yàn)區(qū)的循環(huán)風(fēng)速低于0.2 m/s標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對(duì)水泥基自流平砂漿流動(dòng)性的影響

2.1.1 單摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿流動(dòng)性的影響（見(jiàn)表5）

表5 單摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿流動(dòng)性的影響

由表5可知：

（1）分別單摻3種礦物摻合料（P-1～P-3）時(shí)，只有摻粉煤灰可以提高自流平砂漿的流動(dòng)度，與基準(zhǔn)砂漿P-0相比流動(dòng)度提高了6.8%；單摻硅粉和礦渣均使砂漿的流動(dòng)度降低，其中單摻礦渣自流平砂漿的流動(dòng)度降低最大，較基準(zhǔn)砂漿降了27.1%，并且自愈性能較差。因此不考慮更大摻量單摻硅粉及礦渣。

（2）單摻粉煤灰（P-3～P-5）時(shí)，拌和物的流動(dòng)度均大于基準(zhǔn)砂漿，達(dá)到了300 mm以上。這說(shuō)明粉煤灰確實(shí)能夠提高水泥砂漿的流動(dòng)性。這是因?yàn)?，球狀顆粒的粉煤灰對(duì)砂漿的流動(dòng)可以起到滾珠潤(rùn)滑作用，另一方面，由于粉煤灰與水泥相比初期水化反應(yīng)速度較低，因此其對(duì)高效減水劑的吸附較少，這使得高效減水劑能夠充分用于提高砂漿的流動(dòng)度。但粉煤灰對(duì)于砂漿流動(dòng)度的提高效果存在著一定的限度。當(dāng)粉煤灰摻量由10%增加到30%時(shí)，拌和物的流動(dòng)度先增后降，這說(shuō)明過(guò)多的粉煤灰對(duì)砂漿流動(dòng)度的提高效果并不明顯。

2.1.2 雙摻或三摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿流動(dòng)性的影響（見(jiàn)表6）

表6 雙摻或三摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿流動(dòng)性的影響

由表6可知：摻合料總摻量為40%時(shí)，摻30%粉煤灰+10%礦渣的砂漿流動(dòng)度較摻30%粉煤灰+10%硅灰的增大了20 mm。摻合料總摻量為30%時(shí)，摻15%粉煤灰+15%礦渣及10%粉煤灰+10%礦渣+10%硅灰的砂漿流動(dòng)度都達(dá)到了350 mm以上，但后者的保水性比前者要好；摻15%粉煤灰+15%硅粉與15%礦渣+15%硅粉的砂漿流動(dòng)度相差不大，分別為330、335 mm。

這主要是因?yàn)?，礦渣中的玻璃體多為密實(shí)的，本身需水量小，粉煤灰中除了密實(shí)的球形玻璃體外，還有比表面積較大的疏松多孔玻璃體和未燃炭粒，會(huì)吸收較多的水。礦渣和粉煤灰一樣，在早期的反應(yīng)中由于其水化速度都較慢，對(duì)高效減水劑的吸附較少，因而使得高效減水劑能夠充分發(fā)揮分散作用，從而提高砂漿的流動(dòng)度。

硅粉雖然對(duì)增大砂漿流動(dòng)度的效果不甚明顯，但是卻能保證砂漿的和易性，且摻入硅粉的砂漿拌和物沒(méi)有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。其原因在于以下3個(gè)方面：（1）由于硅粉顆粒極細(xì)，活性很強(qiáng)，具有膠凝材料的性質(zhì)，它可以與周圍的堿溶液中的離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物。因而摻入硅粉使得新拌混凝土的粘聚性和內(nèi)聚力增強(qiáng)，離析的可能性降低；（2）由于硅粉的比表面積非常大，具有吸附水分的能力，在新拌混凝土中的許多自由水都被硅粉顆粒所約束，因而減少了新拌混凝土的離析現(xiàn)象和泌水現(xiàn)象；（3）由于幾何形狀和尺寸的特殊性，硅粉能夠有效地填充水泥顆粒之間的空隙，使顆粒堆積更密實(shí)、顆粒分布更均勻。

綜合看來(lái)，粉煤灰、硅粉和礦渣的三摻對(duì)砂漿流動(dòng)性的改善效果最理想，三者摻量均為10%時(shí)，砂漿流動(dòng)度較基準(zhǔn)砂漿提高20.3%。

2.2 礦物摻合料對(duì)水泥基自流平砂漿力學(xué)性能的影響

2.2.1 單摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表7）

表7 單摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿強(qiáng)度的影響

從表7可以看出：

（1）分別單摻3種礦物摻合料（P-1～P-3）時(shí)，單摻硅粉及礦渣的自流平砂漿抗壓及抗折強(qiáng)度均有提高；單摻粉煤灰的自流平砂漿早期抗壓強(qiáng)度降低，但后期抗壓及抗折強(qiáng)度均有提高。這表明，當(dāng)水膠比、砂膠比一定時(shí)，摻入適量礦物摻合料可提高砂漿的強(qiáng)度。

（2）單摻粉煤灰（P-3～P-5）時(shí)，隨粉煤灰摻量從0增加至30%，砂漿的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低，7 d抗壓強(qiáng)度不斷降低。粉煤灰摻量為10%時(shí)，砂漿的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿分別提高6.3%、4.0%。通過(guò)分析抗壓強(qiáng)度提高幅度可知，粉煤灰的摻入有利于提高砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度。各齡期抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度大致相同。

綜合看來(lái)，由于粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰活性，當(dāng)粉煤灰摻量較少時(shí)，在水泥水化早期（3 d、7 d），磨細(xì)粉煤灰填充在水泥大顆粒及水泥與砂之間，優(yōu)化了顆粒級(jí)配，從而提高了水泥石的密實(shí)度，使強(qiáng)度提高，同時(shí)粉煤灰具有較好的火山灰活性，當(dāng)粉煤灰摻量＜30%時(shí)，在水化后期能較快地與熟料礦物水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，從而使后期強(qiáng)度有所提高。

2.2.2 雙摻或三摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表8）

表8 雙摻或三摻礦物摻合料對(duì)自流平砂漿強(qiáng)度的影響

由表8可知，雙摻或三摻礦物摻合料時(shí)，硅粉和礦渣雙摻的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度最高，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到103.9 MPa，比同齡期單摻粉煤灰和基準(zhǔn)砂漿的抗壓強(qiáng)度都高。這說(shuō)明雙摻硅粉和礦渣對(duì)提高硬化水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度效果顯著。

雖然粉煤灰、硅粉和礦渣都具有火山灰活性效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)，但是三者的活性效應(yīng)有較大差別。

（1）與粉煤灰、礦渣相比，硅粉中無(wú)定形二氧化硅含量高、比表面積大、顆粒平均尺寸小，在摻入砂漿后，其活性作用更容易發(fā)揮，所以硅粉的活性作用和微集料填充作用都是最好的。硅粉摻入砂漿后，對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的提高程度遠(yuǎn)超過(guò)粉煤灰和礦渣。但是由于活性作用的過(guò)早發(fā)揮，使得硅粉對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在28 d之前，對(duì)長(zhǎng)期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不如礦渣或粉煤灰。

（2）與粉煤灰相比，礦渣的活性較高，在水泥水化形成的堿性環(huán)境下，礦渣玻璃體很容易解體，使得玻璃體中的活性鋁、硅釋放出來(lái)，參與水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，因此礦渣水泥砂漿雖然早期強(qiáng)度較低，但后期能夠較快增長(zhǎng)，后期強(qiáng)度甚至超過(guò)基準(zhǔn)水泥砂漿。粉煤灰與礦渣相比，由于粉煤灰的玻璃體鈣含量較低而硅含量較高，[SiO4]4-又多以高聚體為主，因此粉煤灰中的玻璃體解體較困難，在水泥水化形成的堿性環(huán)境下解體速度很慢，與礦渣水泥砂漿相比，粉煤灰水泥砂漿早期強(qiáng)度比較低，但是后期強(qiáng)度（28 d以后）卻能迅速的增長(zhǎng)，增幅比礦渣水泥大。

綜合來(lái)看，對(duì)28 d前水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)依次是：硅粉>礦渣>粉煤灰。所以，在同等摻量的情況下，3組雙摻水泥砂漿的強(qiáng)度依次是：硅粉+礦渣>硅粉+粉煤灰>礦渣+粉煤灰。

粉煤灰、硅粉和礦渣三摻水泥砂漿的3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度都只僅次于礦渣和硅粉雙摻砂漿，且差別很小。由摻合材料的特性可以推斷，由于后期粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)將會(huì)增大，三摻砂漿的后期強(qiáng)度極有可能會(huì)達(dá)到甚至超過(guò)礦渣和硅粉雙摻砂漿的強(qiáng)度。

從表8還可以看出：雖然雙摻和三摻砂漿的早期抗壓強(qiáng)度不如基準(zhǔn)砂漿，但28 d時(shí)，硅粉和礦渣雙摻砂漿與三摻砂漿的抗壓強(qiáng)度超過(guò)了基準(zhǔn)砂漿。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，各齡期抗折強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度大致相同。

3 結(jié)論

（1）單摻礦物摻合料時(shí)，摻入粉煤灰可使砂漿流動(dòng)度較基準(zhǔn)砂漿提高6.8%，摻入硅粉和礦渣使砂漿流動(dòng)度較基準(zhǔn)砂漿分別降低10.2%、27.1%。但粉煤灰對(duì)于砂漿流動(dòng)度的提高效果存在限度，摻量大于20%時(shí)反而會(huì)使流動(dòng)度稍有降低。

（2）雙摻及三摻礦物摻合料時(shí)，粉煤灰、硅粉和礦渣的三摻對(duì)砂漿的流動(dòng)性及保水性改善效果最理想，流動(dòng)度較基準(zhǔn)砂漿提高20.3%。

（3）單摻硅粉及礦渣的自流平砂漿抗壓及抗折強(qiáng)度均有提高；單摻粉煤灰的自流平砂漿早期抗壓強(qiáng)度降低，但后期抗壓及抗折強(qiáng)度均有提高。單摻粉煤灰時(shí)，當(dāng)粉煤灰摻量>10%時(shí)，隨粉煤灰摻量的增加，抗壓及抗折強(qiáng)度均逐漸降低。

（4）雙摻或三摻礦物摻合料時(shí)，對(duì)砂漿強(qiáng)度提高最大的為礦渣和硅粉雙摻砂漿，其28d抗壓強(qiáng)度高達(dá)103.9MPa。粉煤灰、硅粉和礦渣三摻水泥砂漿強(qiáng)度僅次于礦渣和硅粉雙摻砂漿，其28d抗壓強(qiáng)度為102.0MPa?？紤]粉煤灰對(duì)后期強(qiáng)度的影響，粉煤灰、硅粉和礦渣三摻對(duì)自流平砂漿強(qiáng)度提高效果最好。

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Effect of mineral admixture on performance of cementitious self-leveling mortar

HU Ran，F(xiàn)ANG Congqi，SUN Hongyun，XUE Wentao
（Department of Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Research on the self-leveling cement-based material compressive strength，flexural strength and fluidity of different amount of fly ash，slag and silica fume.Test results have shown that：single with fly ash，mortar fluidity and strength with an increase in the amount of fly ash added exhibits first increased then decreased.When mixed with different mineral admixtures，the same amount of slag and fly ash，and the same amount of slag，powder ash and silica fume ash applying mortar improve fluidity most significantly，both up to 350 mm.And its compressive strength is not only larger than that of standard cement of the same age，but also larger than that of mortar with only 10%fly ash.

self-leveling mortar，mineral admixture，fluidity，compressive strength，flexural strength

TU56+4.6

A

1001-702X（2016）11-0001-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178264）；鐵道部科技研究開發(fā)項(xiàng)目（J2001G003）

2016-04-23；

2016-05-25

胡冉，女，1992年生，山西太原人，碩士研究生。