摻加水泥對地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響研究

陳金梅 高明 謝政專 黎碧云

摘要：文章探究了摻加普通硅酸鹽水泥對粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響。結(jié)果表明：（1）隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，地聚物砂漿擴展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律，當水泥摻量為2%和3%時，地聚物砂漿擴展度相同，均為210 mm;（2）隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗折強度變大，地聚物砂漿28 d抗壓強度呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，當水泥摻量為4%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強度，為5.1 MPa，當水泥摻量為3%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗壓強度，為38.3 MPa;（3）綜合地聚物砂漿的擴展度、3 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;礦粉;地質(zhì)聚合物;水泥;擴展度;強度

0 引言

水泥生產(chǎn)需要經(jīng)過“兩磨一燒”的工藝步驟，需要消耗天然資源，產(chǎn)生大量污染物，對人類生存環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。地質(zhì)聚合物是由激發(fā)劑激發(fā)活性質(zhì)材料生成的膠結(jié)材料，其性能的影響因素很多，例如水玻璃模數(shù)、水膠比、Si/Al等[1-3]。原材料不同，制備出的地質(zhì)聚合物性能不同。研究表明，在體系中加入礦渣可以縮短凝結(jié)時間，提高強度[4-7]。尚建麗[8]以礦渣和粉煤灰為原料制備地質(zhì)聚合物，礦渣/粉煤灰比例分別為2、1和0.5，發(fā)現(xiàn)隨著礦渣摻量增大，地質(zhì)聚合物強度增加。賈屹海[9]研究粉煤灰/礦渣基地質(zhì)聚合物，發(fā)現(xiàn)當?shù)V渣/粉煤灰>1∶9時，地質(zhì)聚合物7 d強抗壓強度達到80.7 MPa，28 d抗壓強度達到103.1 MPa。但Nath[10]等研究發(fā)現(xiàn)礦渣只能在一定范圍內(nèi)增加地質(zhì)聚合物強度，當?shù)V渣摻量超過膠凝材料總量的40%時，地質(zhì)聚合物強度反而下降。同時，礦渣的加入也會縮短地質(zhì)聚合物反應(yīng)的時間[11]。本文以水泥作為外摻劑，以粉煤灰和礦粉為膠凝材料，天然河砂為骨料，水泥分別占到膠材質(zhì)量的0、1%、2%、3%、4%，制備地質(zhì)聚合物，探究水泥對地質(zhì)聚合物砂漿性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

采用華新水泥廠生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥，比表面積為4 320 cm2/g，物理性能見表1，化學(xué)成分見表2。普通Ⅱ級粉煤灰（Ⅱ FA）和礦渣（BFS）的化學(xué)組成見表2。

1.2 試驗配比

本實驗中，F(xiàn)A/BFS配比按照5∶5，模數(shù)統(tǒng)一為1.4，水膠比為0.5。具體配合比見表3。

1.3 試驗方法

將粉煤灰、礦粉、砂子和水泥預(yù)先混合作為固體組分，硅酸鈉和NaOH溶液混合作為液體組分，NaOH溶液用于調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，將固體組分和液體組分混合攪拌90 s后，澆筑入模（4 cm×4 cm×16 cm）成型，在室溫下養(yǎng)護1 d后，拆模放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至3 d測試強度，砂漿擴展度和強度分別參照《水泥膠砂流動度試驗方法》（GB/T2419-2005）和《水泥膠砂強度試驗方法》（GB/T17671-1999）進行。綜合考慮砂漿擴展度和強度，選用較優(yōu)配比進行微觀表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿擴展度和強度試驗結(jié)果

根據(jù)表4試驗結(jié)果繪制出不同水泥摻量下地聚物砂漿擴展度、砂漿抗折強度以及砂漿抗壓強度，如圖1、圖2所示。

圖1是不同配合比砂漿的擴展度圖。由圖可知，對于上述不同水泥摻量，地聚物砂漿擴展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律。水泥摻量為0時，地聚物砂漿擴展度最大，為220 mm;水泥摻量為2%時，地聚物砂漿擴展度開始變小，為205 mm;水泥摻量為3%～4%時，地聚物砂漿擴展度變大并且具有相同擴展度，為215 mm;水泥摻量為4%時，地聚物砂漿擴展度最小，為190 mm。綜上，水泥摻量在0～4%范圍時，地聚物砂漿擴展度在190～220 mm范圍，最大擴展度與最小擴展度相差30 mm。

圖2為不同水泥摻量下地聚物砂漿的28 d抗折強度和抗壓強度圖。由圖2（a）可知，地聚物砂漿28 d抗折強度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。對于圖2（a），當水泥摻量為4%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強度，為5.1 MPa;未摻水泥時，地聚物砂漿28 d抗折強度最小，為3.0 MPa。對于圖2（b），水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗壓強度呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時，地聚物砂漿28 d抗壓強度最小為29.4 MPa，最大抗壓強度與最小抗壓強度兩者相差8.9 MPa。水泥摻量為4%時，地聚物28 d抗壓強度小于水泥摻量為3%時地聚物砂漿的28 d抗壓強度。綜合地聚物砂漿的擴展度、28 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

2.2 配比4號地聚物砂漿的掃描電鏡圖分析及礦物分析

圖3為水泥摻量為3%時（配比4號）的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，樣品基體生成相比較明顯，整體結(jié)構(gòu)致密，說明內(nèi)部有大量無定形地質(zhì)聚合物凝膠相生成，水泥的加入可以和礦渣同時為體系提供大量Ca2+，加速反應(yīng)的進行，生成大量“C-S-H”以及“C-A-S-H”無定型凝膠產(chǎn)物，對整個體系強度也起到了增強作用[12-13]，同時基體中有少量裂縫出現(xiàn)，推測原因可能是摻加礦渣，前期水化熱變大，水化速率加快導(dǎo)致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

2.3 XRD

圖4為用X射線測定的水泥摻量為3%時（配比4號）的礦物分析圖。從圖中可以看出，其在20o～40o范圍有明顯的峰包出現(xiàn)，說明此時有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”無定形凝膠產(chǎn)物生成，進一步驗證了掃描電鏡圖中觀察到大量無定形地質(zhì)聚合物凝膠相的現(xiàn)象。水泥和礦渣為整個體系提供了大量的Ca2+，還可看出有“C-S-H”凝膠產(chǎn)物和Ca（OH）2晶體的形成，“C-S-H”的形成能促進體系中Si和Al的溶出，加速地聚反應(yīng)的進行，生成大量的“N-A-S-H”，使基體結(jié)構(gòu)更致密[14]。Ca2+對地質(zhì)聚合物早期強度的提高起到了至關(guān)重要的作用。圖4中沸石相的出現(xiàn)可能是由“N-A-S-H”轉(zhuǎn)化生成。

3 結(jié)語

（1）從砂漿擴展度可以得出，隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿擴展度呈現(xiàn)先變小后變大又保持不變，最后變小的規(guī)律。水泥摻量在0～4%范圍時，地聚物砂漿擴展度在190～220 mm范圍，最大擴展度與最小擴展度相差30 mm。

（2）從砂漿強度可以得出地聚物砂漿28 d抗折強度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。水泥摻量為3%時，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時，地聚物砂漿28 d抗壓強度最小為29.4 MPa，最大抗壓強度與最小抗壓強度兩者相差8.9 MPa。綜合地聚物砂漿的擴展度、3 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優(yōu)。

（3）通過X射線衍射圖譜和掃描電鏡觀察可得試塊基體結(jié)構(gòu)較為密實，有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”凝膠生成，但同時出現(xiàn)了裂縫，推測原因可能是摻加礦渣，水化速率加快。同時水化熱變大導(dǎo)致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

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