鋼渣砂水泥砂漿和易性能影響因素研究*

白志平 孫英健 劉云鵬 龐 凌 施志宏

(內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050) (武漢理工大學(xué)材料工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

水泥砂漿主要由水泥、河砂、水等通過一定配比組合而成，其中河砂是主要原料，占砂漿總質(zhì)量的70%左右，但河砂屬于不可再生自然資源，儲(chǔ)量有限[1-4].鋼渣砂與水泥熟料有相似的礦物組成和化學(xué)成分，含大量CaO和鐵氧化物，高堿度鋼渣砂中還含有較多C2S和C3S，具有一定潛在膠凝活性，且自身堅(jiān)硬、棱角豐富，在取代天然河砂作為細(xì)集料應(yīng)用于水泥砂漿時(shí)，有利于改善其強(qiáng)度[5-7].因此，若能最大限度地利用鋼渣資源，不僅能降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能節(jié)約天然礦質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

鋼渣砂具有多孔囊狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面細(xì)粉含量較高，應(yīng)用于水泥砂漿時(shí)存在的問題是和易性能差.熊付剛[8]發(fā)現(xiàn)隨鋼渣砂摻量增大，砂漿拌和物的稠度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并認(rèn)為摻量為40%時(shí)，砂漿稠度和密度最大，保水性最好.蔡肖等[9]在研究鋼渣砂等體積取代天然河砂制備砂漿時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨鋼渣砂摻量增大，鋼渣砂砂漿拌和物的需水量呈線性增加趨勢.和易性能作為鋼渣砂砂漿施工的首要條件，還需進(jìn)一步全面深入研究.對鋼渣砂砂漿和易性影響因素進(jìn)行研究，包括鋼渣砂處理工藝、水灰比、鋼渣砂粒徑范圍、減水劑用量等，研究其對鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律，并提出和易性能較好的優(yōu)選方案.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥 采用某P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥基本物理性能指標(biāo)見表1.

表1 水泥物理性能指標(biāo)

2) 細(xì)集料 熱悶鋼渣砂標(biāo)號記為NM；熱潑鋼渣砂標(biāo)號記為GX；河砂標(biāo)號記為HS.細(xì)集料各項(xiàng)基本性能指標(biāo)見表2，篩分結(jié)果和細(xì)度模數(shù)見表3.

表2 鋼渣砂及河砂基本性能指標(biāo)

表3 鋼渣砂及河砂篩分結(jié)果

3) 外加劑 來自某公司木質(zhì)素磺酸鈉減水劑，黃褐色粉末狀，減水率為10%～15%.

4) 拌和水 采用自來水.

1.2 砂漿配合比

由于鋼渣砂的密度與天然河砂差別較大，故采用等體積替代方法.將0～2.36 mm的兩種鋼渣砂分別以0，25%，50%，75%100%等體積代替天然河砂制備鋼渣砂水泥砂漿，研究鋼渣砂處理工藝、水灰比、鋼渣砂粒徑范圍，以及減水劑用量等因素對鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律，砂漿配合比見表4.

表4 鋼渣砂砂漿試驗(yàn)配合比

河砂100%代表其用量為1 350 g，鋼渣砂的用量是根據(jù)其相對于河砂的密度和比例摻量等體積換算得出.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼渣砂處理工藝

兩種鋼渣砂掃描電鏡圖見圖1，砂漿流動(dòng)度隨鋼渣砂摻量增加的變化曲線見圖2.

圖1 鋼渣砂掃描電鏡圖

圖2 砂漿流動(dòng)度隨鋼渣砂摻量增加變化曲線

由圖1可知，不同處理工藝的鋼渣砂，其形貌孔隙特征有所差異，NM表面形貌較GX均勻平整，且囊狀孔隙較GX少，這就導(dǎo)致NM密度較大，吸水率較小，而GX密度較小，吸水率較大.從外觀來看，NM呈現(xiàn)灰褐色扁平狀，棱角豐富，而GX呈現(xiàn)黃色顆粒狀，且顆粒間細(xì)粉含量比前者高很多，存在于較多的孔隙之中，這可能是由于GX在熱潑處理工藝下有雜質(zhì)產(chǎn)生所致，導(dǎo)致其在相同陳化時(shí)間下，需要更多水分和更好的水環(huán)境才能充分水化.由圖2可知，隨鋼渣砂摻量增加，砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)明顯降低的趨勢；在相同配合比同等摻量下，GX的流動(dòng)性較內(nèi)蒙的差，在摻量為25%～75%之間時(shí)，NM砂漿的流動(dòng)度要平均比GX砂漿高8.0%左右，在鋼渣砂摻量為100%時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和物均較干，基本無流動(dòng)度可言.表明不同處理工藝鋼渣砂，在代替天然河砂制備砂漿時(shí)，對砂漿和易性能影響較大，NM密度較大、孔隙較少，吸水率較小，其砂漿需水量較低，流動(dòng)性較好；而GX密度較小、內(nèi)部孔隙較多，且顆粒表面及內(nèi)部含較多細(xì)粉，吸水率較大，導(dǎo)致其砂漿需水量增加，流動(dòng)性大大降低.

2.2 水灰比

將0～2.36 mm的NM和GX等體積代替25%天然河砂，通過設(shè)置0.45，0.50，0.55，0.60四組梯度的水灰比制備水泥砂漿，研究水灰比對鋼渣砂水泥砂漿和易性能的影響規(guī)律.水灰比對鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖3.

圖3 水灰比對鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖3可知，隨著水灰比增大，即砂漿拌和物用水量增加，兩種鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，且在水灰比為0.50～0.55時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均要比廣西鋼渣砂砂漿流動(dòng)度大7.7%左右，說明水灰比對砂漿流動(dòng)度的影響較大.在水灰比為0.45時(shí)，鋼渣砂砂漿拌和物較干，流動(dòng)性很差；水灰比為0.50時(shí)，拌和狀態(tài)一般，流動(dòng)性也較差；水灰比為0.55時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和狀態(tài)達(dá)到最佳效果，流動(dòng)性最好，砂漿拌和物較均勻，黏聚性最好，且無泌水現(xiàn)象，保水性也最好；水灰比為0.60時(shí)，雖然砂漿流動(dòng)性更好，但表面會(huì)產(chǎn)生氣泡，發(fā)生分層離析和泌水現(xiàn)象，其黏聚性能和保水性不好.因此，在實(shí)際施工時(shí)要選擇合適的水灰比，控制鋼渣砂砂漿具有良好和易性能的最佳用水量.

2.3 鋼渣砂粒徑范圍

選擇兩種鋼渣砂分別以25%摻量等體積代替天然河砂在最佳水灰比0.55下成型制備水泥砂漿，研究在同一摻量相同水灰比條件下不同粒徑范圍鋼渣砂對其砂漿和易性能的影響規(guī)律.不同粒徑范圍的鋼渣砂對其砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖4.

圖4 不同粒徑范圍鋼渣砂對砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖4可知，鋼渣砂摻量為25%時(shí)，在相同水灰比條件下，隨鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，兩種鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，這是因?yàn)殡S著鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，鋼渣砂砂漿中較細(xì)的顆粒部分明顯減少，即比表面積大的部分減少而比表面積小的部分增加，砂漿吸水率減小，拌和時(shí)需水量降低，進(jìn)而砂漿流動(dòng)度有所增加.此外，NM砂漿流動(dòng)度在粒徑范圍為0～2.36 mm變化至0.15～2.36 mm時(shí)增加幅度和GX相當(dāng)，但粒徑范圍由0.15～2.36 mm至0.6～2.36 mm時(shí)，NM砂漿流動(dòng)度增加幅度要明顯比GX砂漿大.從拌和狀態(tài)來看，在水灰比為0.50時(shí)，NM砂漿在粒徑范圍為0.3～2.36 mm時(shí)，砂漿的流動(dòng)性、黏聚性和保水性最佳，即和易性能最好；而GX由于流動(dòng)性能較NM差，其砂漿在粒徑范圍為0.6～2.36 mm時(shí)才能達(dá)到最佳的和易性能.因此，篩去鋼渣砂中較細(xì)的部分有利于其在較低的水灰比下滿足砂漿良好的和易性能要求.

2.4 減水劑用量

選擇兩種鋼渣砂分別以25%摻量等體積代替天然河砂在水灰比為0.50時(shí)成型制備水泥砂漿，每種砂漿分別以水泥用量為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)三種不同用量的木質(zhì)素磺酸鈉減水劑，減水劑用量分別為1.35 g(水泥用量的0.3%)、2.25 g(水泥用量的0.5%)和3.15 g(水泥用量的0.7%)，研究減水劑用量對鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律.減水劑用量對鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖5.

圖5 減水劑用量對鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖5可知，兩種鋼渣砂在同等粒徑下?lián)搅繛?5%、水灰比為0.50時(shí)，使用減水劑的效果要明顯比不加減水劑好很多，且與圖2相比，在減水劑用量為1.35，2.25，3.15 g時(shí)，NM砂漿的流動(dòng)度分別增大了14.0%，29.3%，42.3%，GX砂漿的流動(dòng)度分別增大了12.9%，24.5%，36.7%.這是因?yàn)闇p水劑具有吸附分散和潤濕潤滑作用，在同樣的水灰比下能使砂漿表現(xiàn)出更加濕潤的狀態(tài)，進(jìn)而使砂漿的流動(dòng)性能有所提高.此外，隨著減水劑用量增加，兩種鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度均呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，在減水劑用量為1.35 g(水泥用量的0.3%)時(shí)，GX砂漿流動(dòng)性較差，不能滿足基本使用性能要求，NM砂漿拌和狀態(tài)一般；在減水劑用量為3.15 g(水泥用量的0.7%)時(shí)，GX砂漿拌和狀態(tài)較好，而內(nèi)蒙鋼渣砂拌和狀態(tài)則明顯較稀，且稍微靜置半分鐘，漿體表面立即出現(xiàn)分層離析和泌水現(xiàn)象，并伴隨有氣泡產(chǎn)生，漿體與砂的裹覆性較差，且短時(shí)間內(nèi)即凝結(jié)硬化，表現(xiàn)為砂漿的黏聚性和保水性能較差；而在減水劑用量為2.25 g(水泥用量的0.5%)時(shí)，NM砂漿的拌和性能良好，細(xì)集料砂與水泥的粘接程度較高，保水性也較好.因此，減水劑雖能提高鋼渣砂砂漿和易性能，但要根據(jù)鋼渣砂基本性能控制合適的減水劑用量，確保達(dá)到最佳的砂漿拌和狀態(tài).

3 結(jié) 論

1) 砂漿和易性能由鋼渣砂密度、吸水率、形貌孔隙和顆粒間細(xì)粉含量決定.鋼渣砂處理工藝不同，其形貌孔隙特征有所差異；在摻量為25%～75%時(shí)，內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂砂漿流動(dòng)度平均要比廣西熱潑鋼渣砂砂漿高8.0%.

2) 水灰比為0.50～0.55時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿流動(dòng)度平均要比廣西鋼渣砂砂漿高7.7%左右；且在水灰比為0.55時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和狀態(tài)效果最佳，表現(xiàn)出流動(dòng)性、黏聚性和保水性能均較好.

3) 隨鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，鋼渣砂中比表面積大的顆粒減少而比表面積小的顆粒增加，吸水率減小，對其砂漿和易性能的提高有重要影響.水灰比為0.50時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿在粒徑范圍為0.3～2.36 mm時(shí)達(dá)到最佳和易性能，廣西鋼渣砂砂漿則在0.6～2.36 mm時(shí)才達(dá)到.

4) 減水劑對提高砂漿流動(dòng)性有明顯作用，在減水劑用量為1.35，2.25和3.15 g時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度分別增大了14.0%，29.3%和42.3%，廣西鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度分別增大了12.9%，24.5%和36.7%；合適的減水劑用量是確保砂漿和易性能良好的關(guān)鍵，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿在減水劑用量為2.25 g時(shí)和易性能最佳，而廣西鋼渣砂砂漿則在減水劑用量為3.15 g時(shí)才最佳.