復(fù)摻功能填料對(duì)水泥砂漿性能影響研究

彭月月，吳發(fā)紅

(1．安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001;2．鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇鹽城224002)

水泥基材料因具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、使用壽命長(zhǎng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑與市政設(shè)施領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥基材料逐漸向高強(qiáng)、高性能方向發(fā)展，添加功能填料是制備高性能水泥基材料的有效途徑，其中納米材料、纖維材料是功能填料的首選。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究表明，納米與纖維材料對(duì)水泥砂漿物理與力學(xué)性能有明顯影響。Byung-Wan Jo等[1]研究發(fā)現(xiàn)，摻6%NS的水泥砂漿7 d抗壓強(qiáng)度增加了52%。曾凱龍[2]研究了BF對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨BF摻量增大，其抗折強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度變化不顯著。潘慧敏[3]研究發(fā)現(xiàn)，摻1.0%～2.0%BF能提高混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度。李歡歡[4]研究發(fā)現(xiàn)Al2O3能促進(jìn)水泥水化，增強(qiáng)砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道多為單一功能材料摻加對(duì)水泥砂漿物理與力學(xué)性能的影響，對(duì)復(fù)摻功能材料對(duì)水泥砂漿物理與力學(xué)性能影響的研究較少。本文主要研究W/C與NS、BF、Al2O3等功能材料摻量對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響，通過四因素三水平的正交試驗(yàn)，確定最優(yōu)配合比，對(duì)制備高性能水泥砂漿作研究探討。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用鹽城某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求[5]。砂采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.56；Al2O3(300目)購(gòu)自河南鄭州某公司；NS(純度為99.99%)由上海某公司生產(chǎn)，直徑為50 nm；BF由上海某公司提供，長(zhǎng)度為18 mm ；液體聚羧酸高性能減水劑(TC-PCA)購(gòu)自西安某公司，減水率為25%。

1.2 試塊制備和測(cè)試方法

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試件的抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行[6]，流動(dòng)度測(cè)試按照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行[7]。攪拌好的新鮮砂漿一部分測(cè)其流動(dòng)性，另一部分倒入模具中成型，振搗密實(shí)，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7 d與28 d測(cè)其強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)配合比

正交試驗(yàn)配合比如表1所示，以水泥量為單位1，Al2O3、BF、NS的量采用外摻法。

表1 正交試驗(yàn)配合比Table 1 Orthogonal test mix ratio

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)性分析

水泥砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)測(cè)試值如圖1所示。

圖1 水泥砂漿流動(dòng)度Fig 1 Fluidity of cement mortar

由圖1可知，各因素對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響趨勢(shì)為Al2O3：2.5%>5%>7.5%；BF:0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0 %>0.5 %>1.5 %；W/C：0.45>0.40>0.35。根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析，即圖1中每個(gè)因素的最大值減去最小值，得出的差值越大對(duì)流動(dòng)性的影響也越大，因此可以得出影響流動(dòng)性最主要的因素是W/C，其次是BF摻量，繼而是NS摻量，Al2O3摻量影響最低。最優(yōu)配比為水膠比0.45，Al2O3、BF、NS摻量分別為2.5%、0.1%、1.0%。

隨著Al2O3摻量的增加，水泥砂漿的稠度增大，流動(dòng)性減小。隨著BF摻量的增加，水泥砂漿流動(dòng)性呈先上升后下降的趨勢(shì)，這可能是由于當(dāng)摻量較少時(shí)BF均勻分散在砂漿中，纖維平均間距較小，對(duì)砂漿流動(dòng)的阻礙影響小，可改善砂漿流動(dòng)性；當(dāng)摻量增加時(shí)，BF在砂漿中隨機(jī)分布形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙砂漿流動(dòng)，造成流動(dòng)性下降[8-9]。NS是一種高活性的納米顆粒，具有較大的比表面積，會(huì)迅速吸收水分子，少量的NS可以填充于砂漿的空隙之中，起到潤(rùn)滑作用，使砂漿流動(dòng)性變大；但是隨著NS摻量的增加，NS的誘導(dǎo)反應(yīng)加速了水泥水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物增加，堵塞孔隙，砂漿的流動(dòng)性降低[10-11]。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

試樣7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度值如圖2、圖3所示。

圖2 水泥砂漿7 d抗壓強(qiáng)度Fig 2 7 d compressive strength of cement mortar

圖3 水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度Fig 3 28 d compressive strength of cement mortar

從圖2和圖3可以看出，各因素對(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)為Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0%>0.5%>1.5%；W/C：0.35>0.45>0.4。影響試樣7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最主要的因素是W/C，其次是Al2O3摻量，繼而是BF摻量，NS摻量影響最低。最優(yōu)配比為水膠比0.35、Al2O3摻量5%、BF摻量0.1%、NS摻量1.0%。

當(dāng)W/C分別為0.40、0.45時(shí)，相對(duì)于W/C為0.35，試樣7 d抗壓強(qiáng)度分別下降了13%、6.7%、28 d抗壓強(qiáng)度分別下降了11%、4.9%；當(dāng)Al2O3粉末摻量分別為5%、7.5%時(shí)，相對(duì)于Al2O3摻量2.5%，試樣7 d抗壓強(qiáng)度分別上升15.2%、12.9%，28 d抗壓強(qiáng)度分別上升10.3%、8.6%；當(dāng)BF摻量分別為0.1%、0.15%時(shí)，相對(duì)于BF摻量0.05%，試樣7 d抗壓強(qiáng)度分別上升3.6%、下降2.2%，28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于0.05%分別上升8.3%、3.2%；當(dāng)NS摻量分別為1%、1.5%時(shí)，相對(duì)于NS摻量0.5%，試樣7 d抗壓強(qiáng)度分別上升5.8%、4.5 %，28 d抗壓強(qiáng)度分別上升8.03%、5.05%。

這是由于Al2O3粉末粒徑小，低摻量時(shí)完全分散在砂漿的孔隙中，可以改善砂漿的抗壓性能，同時(shí)Al2O3粉末中存在Na2O、CaO等氧化物，與水反應(yīng)生成NaOH和Ca(OH)2，從而提高砂漿的抗壓強(qiáng)度；低摻量時(shí)BF能在砂漿中均勻分散，與砂漿同時(shí)受力，提高其抗壓強(qiáng)度，隨著摻量增加，BF在砂漿中易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，纖維分布不均勻，導(dǎo)致基體內(nèi)部出現(xiàn)孔洞和空隙，從而使砂漿密實(shí)度下降，抗壓強(qiáng)度也下降；低摻量時(shí)NS完全分散在砂漿中，使其水化反應(yīng)充分，生成大量C—S—H凝膠，從而提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，隨著NS摻量增加，NS不能完全分散，包裹著水泥顆粒且吸收大量水分，使水泥水化反應(yīng)速率減慢，水化產(chǎn)物減少，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[12]。

2.3 抗折強(qiáng)度分析

試樣7 d和28 d的抗折強(qiáng)度值如圖4、圖5所示。

圖4 水泥砂漿7 d抗折強(qiáng)度Fig 4 7 d flexural strength of cement mortar

圖5 水泥砂漿28 d抗折強(qiáng)度Fig 5 28 d flexural strength of cement mortar

從圖4和圖5可知，各因素對(duì)砂漿7 d和28 d抗折強(qiáng)度的影響趨勢(shì)。Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.15%>0.05%；NS：1.0%>0.5%>0.15%；W/C：0.45>0.35>0.4。影響7 d和28 d抗折強(qiáng)度最主要的因素是Al2O3摻量，其次是BF摻量，繼而是NS摻量，W/C影響最低。最優(yōu)配比為W/C 0.45、Al2O3摻量5%、BF摻量0.1%、NS摻量1.0%。

當(dāng)Al2O3粉摻量分別為5%、7.5%時(shí)，相對(duì)于Al2O3摻量2.5%，試樣7 d抗折強(qiáng)度分別上升19%、8.2%，28 d抗折強(qiáng)度分別上升13.5%、4%；當(dāng)BF摻量分別為0.1%、0.15%時(shí)，相對(duì)于BF摻量0.05%，試樣7 d抗折強(qiáng)度分別上升3.02%、下降10.2%，28 d抗折強(qiáng)度分別上升10.8%、5.6%；當(dāng)NS摻量分別為1%、1.5%時(shí)，相對(duì)于NS摻量0.5%，試樣7 d抗折強(qiáng)度分別上升6.3%、下降2.4%，28 d抗折強(qiáng)度分別上升10.1%、5.5%。

這是由于低摻量時(shí)Al2O3填充在砂漿空隙之中，使砂漿更加密實(shí)，從而提高抗折強(qiáng)度，當(dāng)其摻量增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)不充分，使抗折強(qiáng)度有所下降。在水泥砂漿中摻入BF，BF平均間距小，能減少裂縫尖端的應(yīng)力集中，在外力作用下，BF之間相互搭接，能夠抑制裂縫的發(fā)展，提高抗折強(qiáng)度。NS為納米顆粒，具有填充效應(yīng)，能夠改善水泥砂漿孔隙結(jié)構(gòu)，增加密實(shí)度；同時(shí)，NS比表面積大，又具有很強(qiáng)的活性，可與水泥水化產(chǎn)物中Ca(OH)2反應(yīng)生成較大尺度水化產(chǎn)物，從而增強(qiáng)漿體抗折強(qiáng)度[13]。

3 結(jié)論

(1)流動(dòng)性的最優(yōu)配比為W/C 0.45、Al2O32.5%、BF 0.1%、NS 1.0%。水膠比越大，流動(dòng)性越大；BF摻量為0.05%～0.10%可以改善砂漿的流動(dòng)性，當(dāng)BF摻量超過一定量后，隨其摻量增加，砂漿流動(dòng)性降低。

(2)試樣7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配比為W/C 0.35、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。NS摻量1.0%和Al2O3摻量5.0%可明顯提高砂漿的抗壓強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度的最優(yōu)配比為W/C 0.45、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。隨著Al2O3、BF、NS摻量增加，砂漿抗折強(qiáng)度減小。本文所研發(fā)的復(fù)摻功能材料砂漿可應(yīng)用于沿海風(fēng)機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)混凝土外表面，延長(zhǎng)其使用壽命。