外加劑對(duì)水泥基自流平砂漿性能的影響

李 瑤，龐 博，劉 軍

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

自流平材料由無機(jī)或有機(jī)水泥材料、外加劑以及細(xì)砂組成，具有強(qiáng)度高、無需人工抹平、平滑、厚度層薄等優(yōu)點(diǎn)[1]，其包括無機(jī)系和有機(jī)系兩種：無機(jī)系自流平材料以石膏和水泥作為基體，有機(jī)系自流平材料通常以環(huán)氧樹脂作為基體[2]。環(huán)氧基自流平材料價(jià)格昂貴，石膏基自流平材料耐水性差且呈酸性或中性，因此水泥基自流平材料備受關(guān)注[3-4]。目前，水泥基自流平砂漿主要存在早期強(qiáng)度低、表面灰化、耐磨性不足等缺點(diǎn)，因此應(yīng)用在地面材料的面層受到一定限制[5]。自流平砂漿的性能指標(biāo)包括流變性能和力學(xué)性能，通常用砂漿流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度來表征[6-7]。水泥基自流平材料的性能與組成材料和外加劑的摻量有關(guān)系，本文通過改變堿和緩凝劑的摻量與種類，探索自流平砂漿的強(qiáng)度、流動(dòng)度與堿激發(fā)劑和緩凝劑之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

材料組分包括：硫鋁酸鹽水泥，購自唐山北極熊建材有限公司，技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)成分分別見表1與表2；普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)購自大連小野田水泥有限公司，技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)成分分別見表3與表4；粉煤灰，等級(jí)為Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2300kg/m3，化學(xué)組成如表5所示；酒石酸、檸檬酸、葡萄糖酸鈉都來自于天津大茂化學(xué)試劑廠；可分散膠粉購自沈陽市益友防水建材有限公司；氫氧化鈣與氫氧化鈉，純度96%，購自東莞市匯欣工貿(mào)有限公司；減水劑為鄭州冠輝化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑；砂子，細(xì)度模數(shù)1.5左右，河沙；試驗(yàn)用水為自來水。

表1 硫鋁酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中水膠比值為0.4，砂膠比值為1.55，減水劑摻量為0.5%，基本配合比為普通硅酸鹽水泥∶硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶可分散膠粉為40∶20∶40∶0.35。依據(jù)JC/T985-2005《地面用水泥基自流平砂漿》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，按照配方稱好原材料攪拌均勻后分別置于40mm×40mm×160mm的鋼模中成型試件；依照GB/17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；流動(dòng)度試驗(yàn)采用截椎試模(高60mm，上、下口的內(nèi)徑分別為70mm、100mm)和500mm×500mm×500mm的玻璃板進(jìn)行測(cè)試；采用Rigaku D/MAX-IIIC型X射線衍射儀，分析水化產(chǎn)物組成；采用S-3400N型掃描電子顯微鏡，觀察水化產(chǎn)物形貌與微觀結(jié)構(gòu)。

表3 水泥技術(shù)指標(biāo)

表4 硅酸鹽水泥化學(xué)成分 %

表5 粉煤灰化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑摻量及種類對(duì)水泥基自流平砂漿性能的影響

2.1.1 流動(dòng)度

圖1為緩凝劑對(duì)水泥基自流平材料流動(dòng)度的影響。

圖1 緩凝劑對(duì)水泥基自流平材料流動(dòng)度的影響

由圖1可知，三種緩凝劑對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響趨勢(shì)相同，隨著緩凝劑摻量的增加，砂漿的初始流動(dòng)度和20min流動(dòng)度都不斷增加。對(duì)比加入三種緩凝劑的自流平砂漿初始流動(dòng)度和20min流動(dòng)度，檸檬酸的五種摻量分別使得流動(dòng)度增加了1.5%、2.2%、2.2%、1.4%、2%；酒石酸的五種摻量分別使得流動(dòng)度增加了1.4%、0.7%、0%、0%、0%；葡萄糖酸鈉的五種摻量分別使得流動(dòng)度增加了1.4%、2.2%、3.6%、2.8%、3.4%；由此可知，酒石酸的初始和20min緩凝效果都是最佳。

2.1.2 抗折強(qiáng)度

圖2為緩凝劑對(duì)水泥基自流平材料抗折強(qiáng)度的影響。

圖2 緩凝劑對(duì)水泥基自流平材料抗折強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著緩凝劑摻量的增加，自流平砂漿先增大后減小。所有緩凝劑的摻量為0.15%時(shí)，砂漿抗折強(qiáng)度最大。當(dāng)加入葡萄糖酸鈉時(shí)，其1d和28d的抗折強(qiáng)度效果最好，摻量為0.15%時(shí)，抗折強(qiáng)度相比檸檬酸提高了25%和12%，相比酒石酸提高了33.33%和18%；當(dāng)緩凝劑為檸檬酸時(shí)，自流平砂漿的7d的抗折強(qiáng)度最優(yōu)，摻量為0.15%時(shí)，抗折強(qiáng)度相比葡萄糖酸鈉提高了19.5%，相比酒石酸提高了26.8%，然而1d的抗折強(qiáng)度為1.8MPa，沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。加入酒石酸時(shí)，其1d的抗折強(qiáng)度為1.6MPa，28d的抗折強(qiáng)度為4.1MPa，沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)緩凝劑對(duì)抗折強(qiáng)度的影響分析，將緩凝劑的摻量控制在0.15%左右比較合適。

2.1.3 抗壓強(qiáng)度

圖3為緩凝劑對(duì)水泥漿體抗壓強(qiáng)度的影響。

圖3 緩凝劑對(duì)水泥基自流平材料抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著緩凝劑摻量的增加，自流平砂漿的抗壓強(qiáng)度都先增大后減小。所有緩凝劑摻入0.15%時(shí)，砂漿抗折強(qiáng)度最大，效果最好。當(dāng)緩凝劑為葡萄糖酸鈉時(shí)，自流平砂漿的1d、7d、28d的抗折強(qiáng)度效果都最優(yōu)，摻量為0.15%時(shí)，1d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度相比檸檬酸分別提高了9.6%、9.3%、30.1%，相比酒石酸分別提高了12.3%、15.3%、30.9%；當(dāng)緩凝劑摻量處于0.05%～0.25%，摻酒石酸和檸檬酸的抗壓強(qiáng)度小于6MPa，沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，故摻量應(yīng)控制在0.1%～0.2%。

2.2 堿激發(fā)劑對(duì)水泥基自流平砂漿性能的影響

2.2.1 流動(dòng)度

圖4和圖5為不同堿對(duì)水泥漿體的流動(dòng)度影響。

由圖4和圖5可知，隨著堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，自流平砂漿的初始流動(dòng)度和20min流動(dòng)度都先減少后增大。當(dāng)自流平砂漿中不加入堿激發(fā)劑時(shí)，砂漿的初始流動(dòng)度達(dá)到了140mm，20min流動(dòng)度達(dá)到了155mm；當(dāng)氫氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，砂漿流動(dòng)度最好，初始流動(dòng)度達(dá)到了134mm，20min流動(dòng)度達(dá)到了143mm；摻入0.5%的氫氧化鈉時(shí)，初始流動(dòng)度和20min流動(dòng)度分別為132mm、141mm。

圖4 氫氧化鈣對(duì)流動(dòng)度的影響

圖5 氫氧化鈉對(duì)流動(dòng)度的影響

2.2.2 抗折強(qiáng)度

圖6和圖7為不同堿對(duì)水泥漿體抗折強(qiáng)度值影響。

圖6 氫氧化鈣對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖7 氫氧化鈉對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖6可知，自流平砂漿的抗折強(qiáng)度先增加后下降。隨著堿的不斷加入，當(dāng)加入1.5%的Ca(OH)2時(shí)，堿激發(fā)效果最好，自流平砂漿1d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了2.7MPa，7d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了6.9MPa，28d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了5.6MPa，相比沒有加入Ca(OH)2分別提高了77.8%、61.0%、51.8%。當(dāng)Ca(OH)2摻量為1.5%～2.0%，7d的抗折強(qiáng)度大于28d的抗折強(qiáng)度，說明當(dāng)Ca(OH)2濃度過大時(shí)，強(qiáng)度發(fā)生了倒縮。由圖7可知，NaOH對(duì)自流平砂漿的影響與Ca(OH)2相同。當(dāng)NaOH摻量為1%時(shí)，堿激發(fā)效果最好，抗壓強(qiáng)度最大，自流平砂漿1d、7d、28d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了2.7MPa、5.7MPa、6.7MPa，相比沒有加入NaOH的情況下，分別提高了77.8%、52.6%、59.7%。在整個(gè)體系中，NaOH主要以面方式破壞粉煤灰，NaOH會(huì)與破壞粉煤灰釋放出的物質(zhì)發(fā)生，產(chǎn)生強(qiáng)度。帶負(fù)電的硅酸鹽凝膠根據(jù)靜電締合作用與Na+會(huì)形成離子對(duì)，生成具有Si-O-Si鏈及Al-O-Si鏈的物凝膠。但是，當(dāng)NaOH增加，溶液的pH值的變大，Na+和硅鋁酸鹽凝膠形成離子對(duì)發(fā)生阻礙，所以強(qiáng)度不會(huì)增加。

2.2.3 抗壓強(qiáng)度

圖8和圖9為不同堿對(duì)水泥漿體抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖8和圖9可知，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，自流平砂漿的抗壓強(qiáng)度先增加后下降，當(dāng)摻入1.5%的Ca(OH)2時(shí)堿激發(fā)效果最好，抗壓強(qiáng)度最大，自流平砂漿1d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了7.8MPa，7d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了24.0MPa，28d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了31.2MPa，相比沒有加入Ca(OH)2分別提高了47.4%、70%、70.2%，強(qiáng)度增加明顯。隨著NaOH摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)NaOH摻量達(dá)到1%時(shí)，NaOH的堿激發(fā)效果最好1d、7d、28d的強(qiáng)度達(dá)到最大值，最大值分別為7.9MPa、24.5MPa、30.7MPa，相比沒有加入NaOH分別增加了46.8%、70.6%、71.3%，強(qiáng)度增加明顯。Ca(OH)2與NaOH的加入，使得體系的PH值增大，粉煤灰活性得以激發(fā)，粉煤灰溶解并與鈣離子反應(yīng)生成C-S-H凝膠，故強(qiáng)度增加，若堿摻量過多，OH-會(huì)破壞粉煤灰水泥膠凝材料的結(jié)構(gòu)因此強(qiáng)度降低。

圖8 氫氧化鈣對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖9 氫氧化鈉對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 氫氧化鈣摻量對(duì)自流平砂漿水化產(chǎn)物的影響

本試驗(yàn)研究不同的Ca(OH)2摻量對(duì)自流平砂漿水化產(chǎn)物的影響。圖10、圖11、圖12為不同摻量的Ca(OH)2，自流平水泥砂漿水化1d、7d、28d的XRD分析圖。堿一方面與粉煤灰相互作用，另一方面是與硫鋁酸鹽水泥相互作用。

圖11 自流平砂漿(7d)的XRD圖譜

圖12 自流平砂漿(28d)的XRD圖譜

(1)

(2)

由圖11可知，自流平砂漿7d的主要產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠、鈣礬石(AFt)。此時(shí)，鈣礬石在慢慢轉(zhuǎn)變，C3A與鈣礬石反應(yīng)AFm。反應(yīng)如式(3)所示。

AFt+2C4AH13=3AFm+2CH+20H

(3)

由圖12分析得到，AFt的量減少，大多數(shù)轉(zhuǎn)化為AFm，C2S也參與反應(yīng)。水化C-S-H的量增大，砂漿早期強(qiáng)度是由于鈣礬石，后期強(qiáng)度增長主要由于初期產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠。粉煤灰中的二氧化硅與加入的堿發(fā)生反應(yīng)，從XRD圖譜可看到二氧化硅的衍射峰降低。粉煤灰中的硅(玻璃狀態(tài))和氧化鋁等物質(zhì)與堿中的OHˉ發(fā)生反應(yīng)生成凝膠。同時(shí)，氫氧化鈣與粉煤灰中的二氧化硅和氧化鋁反應(yīng)，生成一種有序三維結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽凝膠，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，強(qiáng)度增加。

3 自流平砂漿的SEM分析

圖13為水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)形貌，經(jīng)過28d的養(yǎng)護(hù)，總體結(jié)構(gòu)較密實(shí)。圖14為摻入堿激發(fā)劑不同齡期下的微觀形貌，1d的自流平砂漿微觀結(jié)構(gòu)多為粉煤灰球體，表示還沒參與水化反應(yīng)。隨著堿摻量的增加，可以觀察到大量疏松的孔結(jié)構(gòu)以及少量的細(xì)針狀鈣礬石。從圖14d可以觀察到，球狀顆粒減少，針狀結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀，并且存在白色絮凝薄膜形狀的物質(zhì)，此時(shí)自流平砂漿的結(jié)構(gòu)更密實(shí)。從圖14c的SEM圖像分析，水化產(chǎn)物更加密實(shí)的交結(jié)在一起。

圖13 不同緩凝劑自流平砂漿28d的SEM圖

圖14 摻堿不同齡期自流平砂漿的SEM圖

4 結(jié)論

(1)酒石酸、檸檬酸、葡萄糖酸鈉(0.05%～0.25%)三種緩凝劑的加入，使得自流平砂漿的流動(dòng)度增加；隨著摻量的增加，自流平砂漿強(qiáng)度先增加后下降。

(2)隨著兩種不同的堿摻量的增加，自流平砂漿的流動(dòng)度先減少后增大。當(dāng)堿摻量的增加，自流平砂漿強(qiáng)度先增大后減小，氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，堿激發(fā)效果最好，砂漿1d、7d、28d的抗折強(qiáng)度分別提高了77.8%、61.0%、51.8%，抗壓強(qiáng)度分別提高了47.4%、70%、70.2%。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，堿激發(fā)效果最好，砂漿1d、7d、28d的抗折強(qiáng)度分別提高了77.8%、52.6%、59.7%，抗壓強(qiáng)度分別提高了46.8%、70.6%、71.3%。過多的堿不利于強(qiáng)度的提高，因此自流平砂漿中必須控制堿含量。

(3)自流平砂漿主要產(chǎn)物為C4A3S、水化C-S-H凝膠、鈣礬石(AFt)，是產(chǎn)生強(qiáng)度的主要原因。