沸石粉砂漿流變性能和強(qiáng)度的根本控制因素研究

溫夢(mèng)丹，陳嘉健，馬岸民，高御審

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

為改善混凝土性能、配置低水泥量的綠色環(huán)?；炷?，越來(lái)越多的礦物摻合料被用來(lái)替代部分水泥.沸石粉由天然沸石經(jīng)粉磨后制得，是一種以SiO2和Al2O3為主的天然礦物，能與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣等一系列水化產(chǎn)物[1]，是一種活性比較高的礦物摻合料，且沸石在我國(guó)儲(chǔ)量巨大，廉價(jià)易得[2]，用此來(lái)替代水泥應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)是切實(shí)可行的.部分學(xué)者表示沸石粉能使水泥石中孔細(xì)化，降低總孔隙率，提高混凝土強(qiáng)度[3-5]；也有學(xué)者認(rèn)為雖然摻入沸石粉降低了水泥強(qiáng)度[6]；但沸石粉適量取代水泥可以有效預(yù)防混凝土堿硅酸反應(yīng)[7-9]；且沸石粉適量摻入對(duì)混凝土的早齡期抗裂性、干燥收縮、流動(dòng)性和粘性均有較好的影響[10-12]；一些學(xué)者也研究了砂的比重、粗細(xì)對(duì)其混凝土的性能影響，砂子越細(xì)，砂率越大，都有利于提高混凝土抗壓強(qiáng)度[13-14].然而，文獻(xiàn)檢索表明，目前對(duì)于探索沸石粉、砂子對(duì)材料性能影響的根本控制因素涉及甚少.

本研究選取水泥砂漿為研究對(duì)象，探索沸石粉、膠砂比（膠凝材料與砂的體積比）對(duì)混凝土性能的影響.作者認(rèn)為沸石粉、膠砂比對(duì)水泥砂漿的流動(dòng)性能、強(qiáng)度、平均水（漿）層厚度均有影響.為進(jìn)一步探索不同膠砂比沸石粉砂漿流動(dòng)性的影響機(jī)理，本研究通過(guò)試驗(yàn)得到沸石粉對(duì)固相材料填充密度的影響，從而進(jìn)一步計(jì)算出綜合了填充密度和總表面積影響的參數(shù)平均水（漿）層厚度，對(duì)水膜厚度單變量、水膜厚度和漿膜厚度雙變量對(duì)沸石粉砂漿流動(dòng)性的定量影響規(guī)律進(jìn)行了敘述.

1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中使用的材料其化學(xué)組成與物理性能見(jiàn)表1.水泥為產(chǎn)自廣東省佛山市的海螺牌P·C 32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥；沸石粉產(chǎn)自寧夏石嘴山市，色白，平均粒徑為12.6μm；減水劑為德國(guó)巴斯夫股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸液態(tài)高效減水劑，密度經(jīng)測(cè)量為1030 kg?m-3，摻量統(tǒng)一為膠凝材料的2%；標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門(mén)艾思?xì)W有限公司生產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，細(xì)度模數(shù)為2.48.

表1 水泥、沸石粉和砂的化學(xué)組成與物理性能

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段：第一階段配制了共24組不同配比的沸石粉砂漿試樣，試樣配比數(shù)據(jù)中變量為水膠比（W/B）、沸石粉摻量、膠砂比（C/S），測(cè)量了砂漿的流動(dòng)性（半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的擴(kuò)展度測(cè)量和動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的流速測(cè)量）、1.25 mm方孔篩的過(guò)篩率和28 d抗壓強(qiáng)度.其中，砂漿的W/B分別為1.4和1.3；沸石粉摻量分別為0%至15%，以5%為級(jí)差；C/S分別為0.75、0.65及0.55.第二階段測(cè)量上階段試樣的膠凝材料與砂混合后的填充密度以及砂的填充密度，為其各試樣水膜厚度、漿膜厚度計(jì)算提供依據(jù).各試樣詳細(xì)配比及其流動(dòng)性等測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 各試樣配比和流動(dòng)性、過(guò)篩率、強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

配比編號(hào)（Z-沸石粉摻量-W/B-C/S） 水泥 沸石粉 減水劑 水 砂 擴(kuò)展度/mm 流速1質(zhì)量配合比3/kg?m- 流動(dòng)性/(mL?s-)1.25 mm過(guò)篩率/%28 d強(qiáng)度/MPa Z-5-1.3-0.75 817.6 30.8 8.7 357.8 908.6 276.0 36.8 30.0 35.1 Z-10-1.4-0.75 753.8 60.0 9.0 375.0 884.3 305.0 46.3 54.6 23.0 Z-10-1.3-0.75 774.6 61.7 9.3 357.8 908.6 272.0 32.6 17.4 27.3 Z-15-1.4-0.75 712.0 90.0 9.6 375.0 884.3 282.0 40.7 28.8 18.9 Z-15-1.3-0.75 731.5 92.5 9.9 357.8 908.6 246.5 27.4 17.3 22.5 Z-0-1.4-0.65 794.0 00.0 7.5 355.5 967.2 301.0 34.6 93.3 23.2 Z-0-1.3-0.65 814.6 00.0 7.7 338.7 992.4 240.0 22.7 78.6 25.9 Z-5-1.4-0.65 754.3 28.5 8.0 355.5 967.2 315.0 40.3 86.0 26.7 Z-5-1.3-0.65 773.9 29.2 8.3 338.7 992.4 272.5 29.0 58.9 29.9 Z-10-1.4-0.65 714.6 56.9 8.6 355.5 967.2 298.0 33.8 69.8 20.5 Z-10-1.3-0.65 733.2 58.4 8.8 338.7 992.4 252.5 25.8 43.7 24.4 Z-15-1.4-0.65 674.9 85.4 9.1 355.5 967.2 263.4 30.2 54.1 17.6 Z-15-1.3-0.65 692.5 87.6 9.3 338.7 992.4 227.5 23.5 44.7 23.1 Z-0-1.4-0.55 741.3 00.0 7.0 331.9 1 067.2 272.5 21.5 83.4 18.0 Z-0-1.3-0.55 759.3 00.0 7.2 315.7 1 093.2 194.0 07.6 30.0 20.3 Z-5-1.4-0.55 704.2 26.6 7.5 331.9 1 067.2 285.0 30.2 79.0 23.5 Z-5-1.3-0.55 721.3 27.2 7.7 315.7 1 093.2 216.0 14.5 29.6 27.0 Z-10-1.4-0.55 667.2 53.1 8.0 331.9 1 067.2 267.5 26.2 24.6 14.9 Z-10-1.3-0.55 683.4 54.4 8.2 315.7 1 093.2 193.5 10.6 07.0 23.6 Z-15-1.4-0.55 630.1 79.7 8.5 331.9 1 067.2 222.5 22.2 17.8 14.8 Z-15-1.3-0.55 645.4 81.6 8.7 315.7 1 093.2 159.5 10.2 06.6 21.5

3 實(shí)驗(yàn)第一階段

3.1 流動(dòng)性測(cè)量

3.1.1 測(cè)量方法

試樣半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的測(cè)量采用小型坍落度筒作擴(kuò)展度測(cè)試，動(dòng)態(tài)流動(dòng)性的測(cè)量采用V型漏斗（圖1）作流速測(cè)試[15-17]，擴(kuò)展度為提起坍落度筒后沸石粉砂漿在水平面上的兩個(gè)垂直方向的直徑平均值減去坍落度筒底面直徑之差；流速為V型漏斗體積與充滿V型漏斗的砂漿全部流出所需時(shí)間之比值.

圖1 小型坍落度筒和V型漏斗

3.1.2 測(cè)量結(jié)果

流動(dòng)性結(jié)果載于表2第7、8欄及圖2.

結(jié)果表明，W/B、C/S一定時(shí)，擴(kuò)展度、流速隨沸石粉摻量的增加先增大后減小，在5%時(shí)達(dá)到最大值.這是因?yàn)榉惺垲w粒小，少量加入時(shí)，填充了水泥顆粒間的空隙，增大了膠凝材料的密實(shí)性，砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，用于填充內(nèi)部空隙的需水量減少，用于提供砂漿流動(dòng)性的水相對(duì)增多；當(dāng)沸石粉大量加入時(shí)，因沸石粉自身比表面積較大，對(duì)流動(dòng)性的增加起到抑制作用.W/B、沸石粉一定時(shí)，擴(kuò)展度、流速隨C/S增大而增大，流速的變化幅度比擴(kuò)展度變化幅度大，這是因?yàn)榇驝/S，表示單位體積砂漿含砂量少，漿體相對(duì)多，流動(dòng)性增強(qiáng).

圖2 擴(kuò)展度和流速隨W/B、C/S變化情況

3.2 黏聚性測(cè)試

3.2.1 測(cè)量方法

本研究由過(guò)篩率大小表征試樣的黏聚性大小，其過(guò)篩率測(cè)量方法是把攪拌完成后的約250 g沸石粉砂漿從孔篩正上方300 mm高處傾倒，讓其通過(guò)1.25 mm方孔孔篩，靜置2 min讓砂漿通過(guò)濾篩落至下方托盤(pán)，稱得托盤(pán)收集的砂漿質(zhì)量與所傾倒的砂漿總質(zhì)量的比值作為該試樣的過(guò)篩率.若沸石粉砂漿黏聚性較高，則只有較少試樣能夠通過(guò)孔篩，過(guò)篩率較低；反之則相反.

3.2.2 測(cè)量結(jié)果

過(guò)篩率結(jié)果載于表2第9欄和圖3.結(jié)果表明，W/B、C/S一定時(shí)，過(guò)篩率隨沸石粉摻量的增加先減小后增大，在摻量為15%時(shí)達(dá)到最小值，與未摻沸石粉的空白試樣相比，摻沸石粉試樣的過(guò)篩率均有所降低，表明沸石粉的摻入會(huì)使砂漿黏聚性有所提高.這主要是因?yàn)榉惺鄣膿饺肟赡軐?dǎo)致沸石粉砂漿顆粒間粘結(jié)性增強(qiáng)，黏聚性提高.沸石粉摻量、W/B一定時(shí)，過(guò)篩率隨C/S減小先增大后減小，在C/S為0.65時(shí)為最大值，即適當(dāng)提高砂漿中砂的比重，黏聚性降低，繼續(xù)提高砂的比重，黏聚性有所回升，這可能是因?yàn)镃/S的適當(dāng)降低，砂漿內(nèi)部漿體含量減少，固體顆粒之間粘結(jié)性減弱，黏聚性降低，C/S持續(xù)降低，砂漿流動(dòng)性大幅度減小影響了砂漿過(guò)篩率.

圖3 1.25 mm過(guò)篩率隨W/B、C/S變化情況

3.3 強(qiáng)度測(cè)量

3.3.1 測(cè)量方法

試樣強(qiáng)度取3個(gè)相同配比、同步制作、同步測(cè)試的70.7 mm立方體試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到28天齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度的平均值.

3.3.2 測(cè)量結(jié)果

強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果載于表2最后一欄和圖4.結(jié)果表明，適量沸石粉等體積替代水泥會(huì)提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，W/B、C/S一定時(shí)，沸石粉砂漿的強(qiáng)度隨著沸石粉摻量的增加先增大后減小，在摻量為5%時(shí)為最大值.這主要是由于沸石粉能夠與水化產(chǎn)物Ca(OH)2作用生成更致密的水化硅酸鈣凝膠，導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度的提高，當(dāng)沸石粉摻量過(guò)大時(shí)，大量沸石粉會(huì)附著在水泥顆粒表面阻止水泥水化，導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度降低.沸石粉摻量、W/B一定時(shí)，砂漿強(qiáng)度隨C/S的減小而減小.這是因?yàn)镃/S減小時(shí)，骨料的空隙率會(huì)增大，砂漿密實(shí)度減小，強(qiáng)度降低.

圖4 28 d抗壓強(qiáng)度隨W/B、C/S變化情況

4 實(shí)驗(yàn)第二階段

4.1 填充密度測(cè)量

4.1.1 測(cè)量方法

固相材料填充密度的測(cè)量采用水測(cè)緊密值法.水測(cè)緊密值法是指在不同水量下砂漿中固體顆粒組合能達(dá)到的填充率（既固體顆粒在砂漿中所占體積的百分比）最大值為固相材料的填充密度.固相材料填充率最大值出現(xiàn)在固體顆粒剛好能被水包裹形成濕潤(rùn)水泥漿的時(shí)候，此時(shí)顆粒間距最小，粘結(jié)最為緊密.當(dāng)W/B較大時(shí)，固體顆粒會(huì)隨充分的水量呈散布而非緊密狀態(tài)，密實(shí)度降低，此時(shí)降低W/B能提高密實(shí)度；當(dāng)W/B較小時(shí)，沒(méi)有足夠水把固體顆粒包裹成水泥漿，此時(shí)提高W/B能提高砂漿的密實(shí)度.

4.1.2 測(cè)量結(jié)果

填充密度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3和圖5.結(jié)果表明，C/S一定時(shí)，適量沸石粉的摻入會(huì)顯著提高固相材料的填充密度，隨著摻量的不斷增大，填充密度呈曲線變化；沸石粉摻量一定時(shí)，C/S越小，填充密度越小.

圖5 填充密度隨C/S變化情況

4.2 平均水（漿）層厚度計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

在取得固相材料（砂）的填充密度后，平均水（漿）層厚度可通過(guò)下式計(jì)算[18]

式中，T為平均水（漿）層厚度，μm；We為剩余水體積，mL；A為固相材料（砂）的總表面積，m2；Vw為試樣的實(shí)際用水體積，mL；Vp為顆粒間空隙體積，mL；Mc、Mz、Ms分別為試樣中所用水泥、沸石粉和砂的實(shí)際質(zhì)量，g；ρc、ρz、ρs為水泥、沸石粉和砂的密度，kg?m-3；Pmax為固相材料（砂）的填充密度；Sc、Sz、Ss為水泥、沸石粉和砂的比表面積，m2?kg-1.

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

水膜厚度、漿膜厚度計(jì)算結(jié)果載于表3和圖6.結(jié)果表明，相同W/B、C/S下，水膜厚度隨沸石粉摻量的增大呈曲線變化，固相材料總表面積隨沸石粉摻量的增大而增大，漿膜厚度隨沸石粉摻量的增大無(wú)明顯變化；相同沸石粉摻量、W/B下，C/S的適當(dāng)增大能提高砂漿的水膜厚度、固相材料總表面積以及漿膜厚度.由表3可得，沸石粉的摻入改變了固相材料的填充密度及固體顆?？偙砻娣e，結(jié)合式（1～4）揭示了水膜厚度變化是受固相材料填充密度和固體顆?？偙砻娣e相互制約的結(jié)果，漿膜厚度是砂填充密度和砂總表面積相互制約的結(jié)果.

表3 水泥砂漿試樣水膜厚度、漿膜厚度

圖6 水膜厚度、漿膜厚度隨沸石粉摻量變化的情況

5 沸石粉砂漿流動(dòng)性控制因素

5.1 水膜厚度對(duì)沸石粉砂漿流動(dòng)性的影響

平均水膜厚度對(duì)擴(kuò)展度、流速的影響示于圖7.回歸分析結(jié)果表明，在固定C/S情況下，水膜厚度單一參量與流速、擴(kuò)展度的相關(guān)系數(shù)平方2R均已達(dá)到0.9以上.由此可見(jiàn)，沸石粉砂漿的半動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能擴(kuò)展度、動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能流速的大小主要控制因素均是水膜厚度的大小和C/S.在固定C/S情況下，水膜厚度提高，流動(dòng)性增大，水膜厚度下降，流動(dòng)性減小.

圖7 擴(kuò)展度、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)沸石粉砂漿流動(dòng)性的影響可得知，沸石粉對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響原因在對(duì)其固相材料填充密度和固相材料總表面積的改變，綜合原因?yàn)閷?duì)水膜厚度的改變.

5.2 水膜厚度、漿膜厚度對(duì)沸石粉砂漿流動(dòng)性的影響

水膜厚度、漿膜厚度共同對(duì)砂漿流動(dòng)性影響示于圖8.回歸分析結(jié)果表明，水膜厚度與漿膜厚度雙變量共同決定了不同C/S情況下所有砂漿的流動(dòng)性.水膜厚度、漿膜厚度為砂漿流速、擴(kuò)展度的根本控制因素.沸石粉的摻入和C/S的調(diào)整對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響實(shí)質(zhì)上均是通過(guò)改變砂漿水膜厚度和漿膜厚度而產(chǎn)生影響.

圖8 水膜厚度、漿膜厚度對(duì)流動(dòng)性影響圖

6 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)24組不同沸石粉摻量、不同C/S的沸石粉砂漿流動(dòng)性、1.25 mm過(guò)篩率、28 d強(qiáng)度和12組砂漿固相材料填充密度的測(cè)量和水膜厚度的計(jì)算以及砂填充密度測(cè)量和漿膜厚度的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)W/B、C/S一定時(shí)，擴(kuò)展度、流速隨沸石粉摻量的增加先增大后減小，在5%時(shí)達(dá)到最大值；黏聚性隨沸石粉摻量增加而提高，在摻量為15%時(shí)達(dá)到最佳；適量沸石粉摻入會(huì)提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，在摻量5%時(shí)達(dá)到最佳，提高約30%；C/S一定時(shí)，適量沸石粉摻入會(huì)顯著提高固相材料的填充密度.進(jìn)一步得出平均水(漿)層厚度可以量化填充密度和總表面積的綜合影響，水膜厚度與漿膜厚度雙變量共同決定了砂漿的流動(dòng)性.沸石粉摻量和C/S對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響實(shí)質(zhì)上均是通過(guò)改變砂漿水膜厚度和漿膜厚度而產(chǎn)生影響.

基于本研究得到的結(jié)果，摻加沸石粉和優(yōu)化C/S可使混凝土流動(dòng)性增加以便于施工的進(jìn)行，可使強(qiáng)度提高以減少混凝土用量，可通過(guò)減少水泥、砂用量降低單位混凝土量生產(chǎn)成本、減小環(huán)境污染，為配制高流動(dòng)性綠色混凝土提供良好摻和料和更優(yōu)配比.發(fā)現(xiàn)了砂漿流動(dòng)性的根本控制因素，對(duì)未來(lái)砂漿混凝土的配比設(shè)計(jì)提供了解決思路.