石英砂對(duì)水泥漿性能及其水膜厚度影響實(shí)驗(yàn)研究

溫夢(mèng)丹，陳嘉健，高御審

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程項(xiàng)目的逐漸增多，混凝土的用量也日益增大，水泥作為制作混凝土主要材料消耗巨大.由于水泥生產(chǎn)成本較高，耗能大且對(duì)環(huán)境污染大，越來越多的礦物摻和料被用來替代部分水泥投入使用.國內(nèi)外眾多學(xué)者在礦物摻和料對(duì)于混凝土的性能影響方面做了眾多研究.馬保國等認(rèn)為水泥漿的比表面積隨石英砂的摻入量先增大后減小，且石英砂對(duì)提高水泥漿的強(qiáng)度有正向貢獻(xiàn)[1]；陳嘉健等認(rèn)為水泥漿的流動(dòng)性主要由其膠凝材料水膜厚度大小決定[2]；KANADASAN等成功利用最大化填充密度的方法配制出性能穩(wěn)定的自密實(shí)混凝土[3]；王麗等以石英砂為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑配置成修復(fù)劑，涂覆于混凝土表面使得自修復(fù)混凝土抗?jié)B性、抗鹽凍性能得到明顯改善[4]；WAN等則認(rèn)為石英砂的摻入能提高偏高嶺土地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度[5]；何峰等對(duì)硅灰和石英粉對(duì)活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明硅灰和石英粉均對(duì)其強(qiáng)度提高有貢獻(xiàn)[6]；CHOPRA等則證明了混凝土強(qiáng)度的提高是因?yàn)橹旅蹸-S-H凝膠形成的緣故[7]；賈進(jìn)等認(rèn)為骨料顆粒越細(xì)其填充效果越好[8]；NANCY等利用平均粒徑為275 μm的高純度石英砂代替普通石英砂配制的超高性能混凝土可形成致密的微結(jié)構(gòu)，并減輕了堿-硅反應(yīng)[9]；王鈞等指出隨著石英砂摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小[10]；丁秋霞等利用石英砂成功制備出性能良好的礦物聚合材料[11]；李勝男通過研究得出無摻合料的普通混凝土其早期性能較好，但后期有摻和料的混凝土其性能將超過普通混凝土[12]；許林峰等認(rèn)為隨著石英砂添加量的增加，水泥砂漿的原拉拔強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有明顯的提高[13]；張寶龍等利用石英砂、粉煤灰、硅灰等配制出了抗壓強(qiáng)度超過200 MPa、抗折強(qiáng)度近60 MPa的活性粉末混凝土[14]；KUMAR等實(shí)驗(yàn)表明用石英砂置換不高于40%粗骨料并不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，混凝土的滲水高度和吸水率隨著石英砂摻量的增加而增加[15].

文獻(xiàn)搜索結(jié)果表明，石英砂對(duì)于水泥漿性能影響還較少得到研究，為補(bǔ)充這一部分的空缺，本研究探索了石英砂對(duì)水泥漿性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到石英砂對(duì)水泥漿填充密度的影響，從而進(jìn)一步計(jì)算出水膜厚度，并對(duì)水膜厚度在流動(dòng)性中的貢獻(xiàn)和石英砂對(duì)流動(dòng)性的定量影響規(guī)律進(jìn)行了敘述.根據(jù)研究結(jié)果，作者認(rèn)為石英砂對(duì)水泥漿的填充密度和比表面積均有影響，一方面石英砂顆?？商畛渌囝w粒間的空隙，使其在相同用水量下，填補(bǔ)膠凝材料顆粒間空隙的用水量減少，填充顆?？障兑酝狻⒖捎糜谔岣咚酀{流動(dòng)性的水量增多；另一方面石英砂的顆粒改變膠凝材料的比表面積，在相同水量情況下，改變了覆蓋單位面積固體顆粒的水量.

1 材料

本實(shí)驗(yàn)中使用的膠凝材料有硅酸鹽水泥和石英砂兩種.硅酸鹽水泥為海螺32.5 R復(fù)合硅酸鹽水泥，產(chǎn)自廣東省英德市望埠鎮(zhèn)龍尾山，經(jīng)驗(yàn)證符合中國規(guī)范GB175-2007/XG1-2009，密度經(jīng)測(cè)量為3 100 kg/m3；石英砂是石英石經(jīng)破碎、研磨加工而成的石英顆粒.石英砂的原產(chǎn)地為廣東省河源市，根據(jù)銷售商家提供的資料，產(chǎn)品符合國家推薦城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T43-2005，密度經(jīng)測(cè)量為2 600 kg/m3，顆粒級(jí)配為Ⅲ區(qū)，細(xì)度模數(shù)為0.844.試驗(yàn)中還使用了高效減水劑，此減水劑為粉狀高性能聚羧酸減水劑，產(chǎn)地為山東省萊陽市.

2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究的實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段.第一階段測(cè)量了不同水膠比下?lián)绞⑸八酀{的流動(dòng)性、0.63 mm的過篩率和28 d抗壓強(qiáng)度，包括作半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的擴(kuò)展度測(cè)量和作動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的流速測(cè)量.水泥漿的水膠比以0.05為差值自0.35到0.60區(qū)間內(nèi)變化；石英砂摻量以5%為差值自5%到20%區(qū)間內(nèi)變化.第二階段測(cè)量上-階段試樣中的膠凝材料的填充密度，為其后水膜厚度的運(yùn)算提供計(jì)算依據(jù).根據(jù)此實(shí)驗(yàn)方案，配比以“Q-石英砂量-水膠比”為編號(hào)，其中Q代表石英砂，各水泥漿試樣的詳細(xì)配比及其流動(dòng)性等測(cè)量數(shù)據(jù)見表1.

表1 各試樣配比和流動(dòng)性、過篩率、強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3 流動(dòng)性測(cè)量

3.1 測(cè)量方法

試樣的半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的測(cè)量采用小型塌落度筒作擴(kuò)展度測(cè)試，動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的測(cè)量采用V型漏斗作流速測(cè)試，擴(kuò)展度為提起塌落度筒后水泥漿在水平面上的兩個(gè)垂直方向的直徑平均值減去塌落度筒底面直徑之差，流速為V型漏斗體積與充滿V型漏斗的水泥漿全部流出所需時(shí)間之比值.流動(dòng)性測(cè)量均在水泥漿完成攪拌后5 min內(nèi)進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度控制在（20±2）℃.

3.2 測(cè)量結(jié)果

流動(dòng)性結(jié)果見表1第5、6欄和圖1.擴(kuò)展度結(jié)果表明，擴(kuò)展度隨石英砂摻量的增加而增加，但當(dāng)水膠比較小或較大時(shí)，增加效果并不明顯.隨著水膠比的增大，擴(kuò)展度變大的速度有所減緩.

流速結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.40或以上時(shí)，流速隨石英砂摻量的增加而增大，當(dāng)水膠比在0.40或以下時(shí)，石英砂的摻入并未對(duì)水泥漿的流速產(chǎn)生大的影響.在低水膠比時(shí)，石英砂摻加對(duì)流動(dòng)性的影響較不明顯.這可能是因?yàn)榈退z比時(shí)，水泥漿內(nèi)部的游離水過少不能完全包裹顆粒物導(dǎo)致幾乎失去流動(dòng)性能.

圖1 擴(kuò)展度和流速隨石英砂摻量變化情況

4 粘聚性測(cè)試

4.1 測(cè)量方法

試樣的粘聚性大小是通過過篩率大小表征的，其過篩率測(cè)量是采用0.63 mm方孔孔篩，取攪拌完成后的水泥漿約250 g從300 mm高度傾倒通過方孔孔篩，靜置2 min讓漿體通過濾篩落至下方托盤，稱得通過孔篩的水泥漿的質(zhì)量與所使用的水泥漿的總質(zhì)量的比值即為該試樣的過篩率.過篩率測(cè)量在水泥漿完成攪拌后5 min內(nèi)進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度控制在（20±2）℃.若只有較少試樣能夠通過孔篩，過篩率較低，則表明水泥漿試樣粘聚性較高；若有較多試樣能夠通過孔篩，過篩率較高，則表明水泥漿試樣粘聚性較低.

圖2 0.63 mm過篩率隨石英砂摻量變化情況

4.2 測(cè)量結(jié)果

過篩率結(jié)果見表1第7欄和圖2.過篩率結(jié)果表明，水泥漿的0.63 mm過篩率隨石英砂摻量的增加而增大，這主要是因?yàn)槭⑸暗念w粒較大，其摻入改變了水泥漿的顆粒級(jí)配，導(dǎo)致粘聚性變差.當(dāng)水膠比較大時(shí)，石英砂的摻入對(duì)水泥漿0.63 mm過篩率影響情況復(fù)雜，這可能是因?yàn)楦咚z比改善了水泥漿的流動(dòng)性，對(duì)過篩率產(chǎn)生正面效果，而石英砂又影響了水泥漿的顆粒分布，對(duì)過篩率產(chǎn)生負(fù)面效果.

5 強(qiáng)度測(cè)量

5.1 測(cè)量方法

水泥漿試件強(qiáng)度測(cè)量為將完成攪拌后的水泥漿倒入模具，經(jīng)過振搗、抹平及拆模，形成底面邊長為70.7 mm立方體試塊，將試塊放置在溫度為（20±3）℃、濕度在90%以上的混凝土養(yǎng)護(hù)箱中，經(jīng)齡期為28 d的養(yǎng)護(hù).最終強(qiáng)度取兩個(gè)相同配比試件同步測(cè)試其抗壓強(qiáng)度的平均值.

5.2 測(cè)量結(jié)果

水泥漿試塊強(qiáng)度結(jié)果見表1最后一欄和圖3.28 d強(qiáng)度結(jié)果表明，石英砂等量替代水泥會(huì)降低水泥漿的抗壓強(qiáng)度，且水泥漿的強(qiáng)度隨著石英砂摻量的增加而逐漸減小，最大減小幅度可達(dá)65.79%.這主要是由于水泥的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取決于C3S和C2S含量的多少.而摻石英砂的水泥漿，由于等質(zhì)量取代了部分水泥，使C3S和C2S的含量相對(duì)降低，所以導(dǎo)致了水泥漿強(qiáng)度的降低.當(dāng)水膠比為0.35、石英砂摻量為0時(shí)，水泥漿的強(qiáng)度達(dá)到最大值.這是因?yàn)榈退z比時(shí)，水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，顆粒間空隙小，均質(zhì)性較好.

針對(duì)當(dāng)前目的地感官營銷實(shí)踐面臨的問題，結(jié)合上述目的地感官營銷的3種運(yùn)用方式分析，本文認(rèn)為現(xiàn)階段目的地感官營銷研究所要重點(diǎn)解決的問題包括：

圖3 28 d強(qiáng)度隨石英砂摻量變化情況

6 填充密度測(cè)量

6.1 測(cè)量方法

膠凝材料填充密度的測(cè)量采用水測(cè)緊密值法.水測(cè)緊密值法是指固體顆粒組合在不同水量下能達(dá)到的填充率最大值（既固體顆粒在漿體中所占體積的百分比）為固體顆粒的填充密度.膠凝材料的填充率最大值出現(xiàn)在膠凝材料顆粒剛好能被水包裹形成濕潤水泥漿的時(shí)候，此時(shí)顆粒間距最小，搭配最為緊密.當(dāng)水膠比較大時(shí)，膠凝材料的固體顆粒會(huì)分散懸浮在水中，密實(shí)度降低，此時(shí)降低水膠比能提高密實(shí)度；當(dāng)水膠比較小時(shí)，水量并不足夠把固體顆粒包裹成水泥漿，此時(shí)提高水膠比能提高膠凝材料的密實(shí)度.

在膠凝材料填充密度的測(cè)量中，進(jìn)行試驗(yàn)的水膠比需要定為一個(gè)能覆蓋最佳水膠比的范圍.在無實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的情況下，可以先投入膠凝材料再一點(diǎn)點(diǎn)的加水充分?jǐn)嚢瑁钡皆囼?yàn)品出現(xiàn)漿體而不再呈粉狀時(shí)，以此水膠比為起點(diǎn)，開始測(cè)量膠凝材料在水泥漿中的填充率.把水泥漿填滿已知體積的容器，填充率為P，則有

其中M為水泥漿的質(zhì)量，V為容器的體積，Mc、Mq、Mw分別為水泥、石英砂、水的質(zhì)量，Rc、Rq為水泥和石英砂占總膠凝材料的體積分?jǐn)?shù)，υw為體積水膠比，ρc、ρq、ρw為水泥、石英砂和水的密度.由上式可推出

其中Vs為膠凝材料的總體積.

逐步調(diào)大水膠比，重復(fù)填充率的測(cè)量，直至出現(xiàn)填充率隨著水膠比的增大而逐漸減小.填充密度測(cè)量同樣在水泥漿攪拌后5 min內(nèi)進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度控制在20±2℃，在不同的水膠比下取得的最大填充率Pmax即為該膠凝材料的填充密度.該測(cè)試方法能模擬出固體顆粒在水泥漿中的緊密懸浮狀態(tài)，考慮到了空氣量、水量、減水劑的影響，比以往填充密度的干測(cè)量法更為準(zhǔn)確.

6.2 測(cè)量結(jié)果

膠凝材料填充密度測(cè)量結(jié)果見表2第二列，膠凝材料填充密度隨石英砂摻量的變化情況見圖4.結(jié)果表明，膠凝材料的填充密度隨著石英砂摻量的增加變化浮動(dòng)較小，大致維持在0.500左右.

圖4 填充密度隨石英砂摻量變化的情況

7 水膜厚度計(jì)算

7.1 計(jì)算方法

其中T為水膜厚度，We為剩余水體積，A為膠凝材料的比表面積，Vw為試樣的實(shí)際用水體積，Vh為孔隙體積，Mc、Mq分別為試樣中所用水泥和石英砂的實(shí)際質(zhì)量，ρc、ρq為水泥和石英砂的密度，Pmax為膠凝材料的填充密度，Ac、Aq為水泥和石英砂的比表面積.

7.2 計(jì)算結(jié)果

水膜厚度隨石英砂摻量的變化情況見表2和圖5.結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.40或以上時(shí)，石英砂的摻入能增大其水膜厚度，這主要是因?yàn)槭⑸暗膿饺霚p小了膠凝材料的比表面積，從而膠凝材料上吸附水厚度，即水膜厚度變大的緣故，且隨著水膠比的增大，水膜厚度增大的幅度增加.觀察圖4和圖5，可以得出石英砂摻量對(duì)水膜厚度的變化規(guī)律與其對(duì)填充密度的變化規(guī)律相一致.

圖5 水膜厚度隨石英砂摻量變化的情況

8 水膜厚度對(duì)水泥漿流動(dòng)性的影響

水膜厚度對(duì)擴(kuò)展度的影響見圖6.回歸分析結(jié)果表明，水膜厚度單一參量與擴(kuò)展度的相關(guān)系數(shù)平方R2已經(jīng)達(dá)到0.9057，石英砂的加入使R2有一定提高效果，但并不顯著.由此可見，水泥漿的半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能擴(kuò)展度的大小絕大程度上是由水膜厚度的大小決定的.當(dāng)水膜厚度較小時(shí)，擴(kuò)展度隨水膜厚度的增加快速增加；當(dāng)水膜厚度較大時(shí)，擴(kuò)展度增加的速度變緩.

圖6 擴(kuò)展度隨水膜厚度變化情況

水膜厚度對(duì)流速的影響見圖7.回歸分析結(jié)果表明，水膜厚度單一參量與流速的相關(guān)系數(shù)平方R2為0.8975，加入石英砂，則R2輕微提高.由此可見，水泥漿的動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能流速的大小絕大程度上是由水膜厚度的大小決定的.石英砂的摻入也會(huì)對(duì)流速的增大有輕微程度的正向影響.水膜厚度與流速的關(guān)系接近成一次線性相關(guān)，與半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性擴(kuò)展度不同的是，在高流動(dòng)性的狀態(tài)下，由于石英砂的滾珠效應(yīng)能使在相同水膜厚度情況下，水泥漿動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能顯著提高.

圖7 流速隨水膜厚度變化情況

從水膜厚度的計(jì)算方法及其對(duì)水泥漿流動(dòng)性的影響可得知，石英砂對(duì)水泥漿流動(dòng)性的影響體現(xiàn)在對(duì)其填充密度和比表面積的改變，由于石英砂的摻入對(duì)水泥漿的填充密度影響不大，而使其比表面積有所減小，因此水膜厚度增大，水泥漿流動(dòng)性增大.

9 結(jié)論

本研究通過對(duì)30組摻石英砂水泥漿試樣流動(dòng)性、0.63 mm過篩率、28 d強(qiáng)度和5組膠凝材料填充密度的測(cè)量，得到的主要結(jié)論如下：

（1）水泥漿的流動(dòng)性隨石英砂摻量的增加而增大，對(duì)流速增強(qiáng)效果大于對(duì)擴(kuò)展度增強(qiáng)效果，當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，流速增加量最大，為45.1 mL/s.

（2）水泥漿的0.63 mm過篩率隨石英砂摻量的增加而增大，最大增加幅度達(dá)55%，水泥漿粘聚性變差.

（3）石英砂對(duì)水泥漿的強(qiáng)度呈負(fù)向影響，且影響程度與石英砂摻量成正比關(guān)系，減小幅度達(dá)最大65.79%.

（4）膠凝材料的填充密度隨著石英砂摻量的增加變化不大，當(dāng)石英砂摻量一定時(shí)，水膜厚度隨水膠比的增大而增大.水泥漿的水膜厚度可在測(cè)得膠凝材料的填充密度后，通過式（3）量化.

（5）石英砂的摻入對(duì)膠凝材料流動(dòng)性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)其比表面積和填充密度的改變.填充密度和比表面積的綜合影響可以通過單一參數(shù)水膜厚度得到量化，水膜厚度增大0.1 μm，試樣擴(kuò)展度增大約33.3 mm，流速增大約16.7 mL/s.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用石英砂等量置換水泥能在有效減少水泥用量下顯著提高水泥漿的流動(dòng)性，但同時(shí)會(huì)降低其粘聚性和抗壓強(qiáng)度.基于本研究得到的結(jié)果，石英砂混凝土擁有一定的應(yīng)用前景.對(duì)于隔墻、墊塊等強(qiáng)度要求不高的混凝土構(gòu)件，石英砂混凝土可通過減少水泥用量降低成本和生產(chǎn)水泥所帶來的環(huán)境污染，流動(dòng)性的增加也有便于施工的進(jìn)行.此外，對(duì)于強(qiáng)度要求較高的混凝土構(gòu)件，在摻加石英砂情況下，強(qiáng)度的降低可通過降低水灰比得到補(bǔ)償.

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