偏高嶺土/海泡石對(duì)水泥凈漿工作性能與強(qiáng)度的影響

張博飛

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司神華項(xiàng)目管理部，天津 300220)

硅酸鹽類(lèi)礦物或工業(yè)廢棄物，如偏高嶺土、粉煤灰及礦渣等，因具有一定的活性及特殊的物理性能，被廣泛的應(yīng)用在水泥基材料當(dāng)中，一定程度上實(shí)現(xiàn)了水泥基材料的綠色高性能化。而海泡石是一種富含鎂的纖維狀硅酸鹽粘土礦物，近年來(lái)，也受到水泥基材料研究者的關(guān)注；T. Kavas等[1]研究了海泡石纖維摻量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，并認(rèn)為10%的海泡石纖維能夠增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度，同時(shí)指出海泡石纖維在水泥基體中的搭接狀態(tài)是影響最佳摻量的重要原因。S. Martinez-Rankirez等[2]的研究認(rèn)為，海泡石對(duì)石灰砂漿強(qiáng)度影響不大，但可以降低砂漿的碳化速率。S. Andrejkovic ov等[3-4]研究顯示，海泡石對(duì)摻高嶺土的石灰砂漿的抗折強(qiáng)度有利，并發(fā)現(xiàn)海泡石的保水效果為其它活性物質(zhì)提供了反應(yīng)基礎(chǔ)，使石灰砂漿的后期強(qiáng)度得到顯著改善。He C[5]利用模擬水泥孔隙液，探究了海泡石在水泥基堿性條件下的作用情況；并對(duì)海泡石進(jìn)行了煅燒改性，以化學(xué)鋁收縮試驗(yàn)監(jiān)測(cè)煅燒改性前后海泡石的反應(yīng)速率，得出了改性海泡石的最佳煅燒溫度及其在水泥砂漿中的強(qiáng)度發(fā)展情況。Gonzalo Mrmol等[6]將海泡石加入MgO-SiO2體系的纖維水泥中，結(jié)果表明，海泡石的加入可以促進(jìn)MgO-SiO2體系水泥漿體的水化，同時(shí)海泡石的加入顯著改善了纖維水泥的均勻性。胡亞敏等[7]以海泡石纖維、水泥、乳膠粉及硅微粉等為原料，獲得了工作性及力學(xué)性能良好的修補(bǔ)砂漿。孫凱利等[8-9]系統(tǒng)研究了海泡石與粉煤灰對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度和耐久性的影響。偏高嶺土在水泥基材料中的研究，相對(duì)成熟，其在水泥水化中與Ca(OH)2反應(yīng)并使其含量大大減少，水化硅酸鈣(C-S-H)的含量相應(yīng)增多，生成板狀晶體與絮凝狀物質(zhì)，并可以引起內(nèi)部平均孔徑的顯著減少，孔結(jié)構(gòu)比純水泥凈漿更優(yōu)越。但關(guān)于海泡石與偏高嶺土的研究還不多見(jiàn)，特別是對(duì)于新拌水泥基材料的性能影響，還很少報(bào)道，是否二者的協(xié)同作用會(huì)提高水泥基材料的綜合性能，還有待研究。正因如此，本文開(kāi)展關(guān)于偏高嶺土與海泡石對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度等性能與微結(jié)構(gòu)的影響的綜合研究。

1 原材料的物理性能及化學(xué)組成

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用的是強(qiáng)度等級(jí)為42.5的P.I基準(zhǔn)水泥，主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，化學(xué)組成見(jiàn)表2；偏高嶺土和海泡石的主要化學(xué)組成見(jiàn)表2。減水劑采用2T-CAG6型號(hào)的萘系高效減水劑。

表1 P.I 42.5水泥物理性能指標(biāo)

表2 P.I 42.5水泥、偏高領(lǐng)土和海泡石的化學(xué)組成 %

1.2 配合比

經(jīng)過(guò)前期研究，目前所采用的配合比見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)配合比 g

2 試驗(yàn)方法

2.1 水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)

水泥凈漿流動(dòng)性試驗(yàn)參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077-2012)執(zhí)行。在攪拌過(guò)程中，采用手控程序，慢速攪拌120 s，停止15 s，同時(shí)將攪拌鍋鍋壁的膠材用刮刀刮下，再高速轉(zhuǎn)動(dòng)120 s。攪拌停止后，將拌好的水泥凈漿迅速注入已經(jīng)用濕抹布擦好并放在水平玻璃板上的水泥凈漿流動(dòng)度試模中，用刮刀刮平，將水泥凈漿流動(dòng)度試模垂直方向提起，同時(shí)用秒表記錄水泥凈漿在玻璃板上流動(dòng)時(shí)間至30 s，用直尺測(cè)量互相垂直且兩個(gè)直徑最大值的平均值作為水泥凈漿的流動(dòng)度。

2.2 水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2011)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。本試驗(yàn)主要測(cè)定復(fù)摻海泡石與偏高嶺土對(duì)水泥凈漿性能的影響，主要包括標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與初凝、終凝時(shí)間。

2.3 水泥凈漿強(qiáng)度試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要以測(cè)定不同復(fù)摻比例的海泡石與偏高嶺土在不同齡期下對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度的影響為目的，并探究海泡石與偏高嶺土對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度影響的發(fā)展規(guī)律。

按照配合比稱(chēng)取原料，用攪拌鍋按照標(biāo)準(zhǔn)將原料制成漿體，立即將水泥漿體裝入試驗(yàn)試模。模具尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，成型3組，每組6個(gè)試塊，24 h后對(duì)其拆模編號(hào)，再將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20±1℃，相對(duì)濕度不小于90%)中，養(yǎng)護(hù)至預(yù)先制定的三種齡期(3 d、7 d和28 d)后應(yīng)用試驗(yàn)壓力機(jī)測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，記錄數(shù)據(jù)并分析得到海泡石與偏高嶺土復(fù)摻的最佳比例摻量。

3 結(jié)果與討論

水泥凈漿的原料為:42.5強(qiáng)度等級(jí)的P.I基準(zhǔn)水泥，偏高嶺土與海泡石。偏高嶺土采用內(nèi)摻方法替代水泥，選取0、10%、20%、30%、40%等五個(gè)摻量；海泡石采用外摻，摻量依次為0、5%、10%、15%、20%。通過(guò)均勻試驗(yàn)法，探究不同配比海泡石和偏高嶺土的摻入對(duì)水泥凈漿基本性能的影響。試驗(yàn)中，所有組的水灰比均為0.4。

3.1 擴(kuò)展度特征

取水泥凈漿的流動(dòng)度為基準(zhǔn)，擴(kuò)展度為120 mm×120 mm，向其他不同配比的水泥凈漿中摻入外加劑，當(dāng)其達(dá)到相同于基準(zhǔn)組的擴(kuò)展度時(shí)，記錄相應(yīng)的減水劑的摻加量。

從圖1中可以看出：當(dāng)海泡石摻量一定時(shí)，向其中摻加偏高嶺土后，隨著偏高嶺土摻量的增加，使其達(dá)到基準(zhǔn)組的擴(kuò)展度所需要的減水劑不斷增加，且在單位變量中，同組中增加的趨勢(shì)在逐漸減小，即整個(gè)增長(zhǎng)的過(guò)程總體上呈一種減緩的趨勢(shì)。圖2中可以看出：當(dāng)偏高嶺土的摻量一定時(shí)，向其中摻加海泡石，隨著海泡石的摻量增加，摻加的減水劑的量也在不斷地增大，以滿(mǎn)足相同要求的擴(kuò)展度。在海泡石摻量為10%之前，減水劑的增加呈一種平緩的趨勢(shì)；在10%之后，減水劑用量顯著增加。

圖1 海泡石摻量對(duì)減水劑摻量的影響

圖2 偏高嶺土摻量對(duì)減水劑摻量的影響

由此可以分析出，隨著摻加海泡石與偏高嶺土的摻量不斷增加，其相應(yīng)的水泥凈漿的擴(kuò)展度在不斷減小，需要更多的減水劑來(lái)達(dá)到基準(zhǔn)組的擴(kuò)展度。對(duì)于摻加的偏高嶺土的水泥凈漿，由于偏高嶺土加入后與水發(fā)生反應(yīng)，減少體系中自由水的量；其次，其特有的片層狀結(jié)構(gòu)和粒徑小的特點(diǎn)，不具有“微滾珠”效應(yīng)，其對(duì)水與減水劑分子的吸附能力大于硅酸鹽水泥，因此作用于整個(gè)水泥凈漿體系中減水劑的量就隨著偏高嶺土含量的增多而增加[10]。海泡石呈纖維狀管狀，對(duì)于水有極強(qiáng)的吸附性，自由水進(jìn)一步減少，因此分散作用會(huì)比較弱，進(jìn)而擴(kuò)展度會(huì)減小，需要更多的減水劑；其次，海泡石對(duì)于漿體中的微顆粒吸附阻止其相對(duì)自由的運(yùn)用，纖維間相互交錯(cuò)阻攔，進(jìn)而帶動(dòng)著水泥與偏高嶺土顆粒的運(yùn)動(dòng)遲滯。綜合兩者的原因，隨著兩者的摻量不斷增加，因此需要更多的減水劑，讓漿體中有更多的自由水來(lái)分散潤(rùn)滑，讓漿體有更大的擴(kuò)展度[11]。

3.2 水泥凈漿粘度特征

表4中只列出了部分配比的水泥凈漿的粘度值，在實(shí)際水泥凈漿制備中，隨著海泡石與偏高嶺土的摻加量不斷增大，漿體不斷變稠、變粘，并逐漸不能形成視覺(jué)上的漿體，部分粘度太大，儀器無(wú)法測(cè)出，粘度也無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，以下只列出能測(cè)出粘度值的水泥凈漿相關(guān)數(shù)據(jù)。

表4 部分水泥凈漿粘度及塑性屈服強(qiáng)度

表4中可以看出隨著海泡石摻量的增加，水泥凈漿的粘度在逐漸增大，由于偏高嶺土特殊的結(jié)構(gòu)及較大的比表面積，需水量顯著增加；另一方面海泡石成纖維狀，其加入對(duì)于水的需求也逐漸增大，偏高嶺土與海泡石的效應(yīng)疊加，導(dǎo)致水泥凈漿中的自由水減少，分散潤(rùn)滑作用減弱，同時(shí)纖維結(jié)構(gòu)比較密集，粘度增長(zhǎng)呈曲線(xiàn)狀態(tài)發(fā)展，導(dǎo)致很大部分配比的水泥凈漿粘度太大[12]。

3.3 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

海泡石與偏高嶺土在不同摻量下，水泥漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量如圖3和圖4所示。

圖3 海泡石摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

圖4 偏高嶺土摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

從圖3中看出：當(dāng)海泡石摻量一定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著偏高嶺土的摻量增大而增大。從整體上看，當(dāng)摻加量不超過(guò)20%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加的比較平緩；在20%及以后會(huì)有較大幅度的增加。從圖4中看出：當(dāng)偏高嶺土摻量一定時(shí)，水泥凈漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量隨著海泡石的摻量增大而變大，海泡石摻量為10%時(shí)為一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，在該摻量下前后會(huì)有截然不同的變化。從圖3、圖4中的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)上看，當(dāng)另一變量一定時(shí)，偏高嶺土的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的變化率比海泡石小。

3.4 對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

海泡石與偏高嶺土在不同摻量下的凝結(jié)時(shí)間如圖5和圖6所示。

圖5 海泡石摻量對(duì)水泥凈漿初凝時(shí)間的影響

圖6 海泡石摻量對(duì)水泥凈漿終凝時(shí)間的影響

在圖5和圖6兩圖中，從橫向上看，隨著海泡石的摻量的增加，水泥凈漿的初凝時(shí)間與終凝時(shí)間都在不斷增加，并呈曲線(xiàn)增加，初始的增長(zhǎng)趨勢(shì)比較平緩，但是在海泡石摻量為10%后開(kāi)始迅速增加；在縱向上看，隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間也在不斷增加中，當(dāng)摻量為0～20%時(shí)，其初凝時(shí)間與終凝時(shí)間的變化相差不大，但是在20%之后的變化就比較增長(zhǎng)明顯。

3.5 對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度的影響

3.5.1 單摻海泡石的影響

單摻海泡石的水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度數(shù)值如圖7所示，在試驗(yàn)中偏高嶺土的摻量為0。

從圖7中可以看出，隨著海泡石摻量的增加，同齡期下水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度在不斷增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的趨勢(shì)在不斷減緩。

圖7 單摻海泡石對(duì)水泥凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

分析其原因，摻入海泡石后，由于其幾乎不發(fā)生水化反應(yīng)，還是保持一種纖維狀態(tài)存在，在水泥的水化過(guò)程中，生成的水化硅酸鈣(C-S-H)與鈣礬石等膠凝物質(zhì)會(huì)黏連附著在海泡石的表面甚至?xí)纬砂?，比較好的促進(jìn)微集料效應(yīng)，在一定程度上促進(jìn)了水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)海泡石的加入由于其較強(qiáng)的吸附特性，會(huì)將一部分水吸附于海泡石內(nèi)部，一定程度上減小了水灰比，提高了其強(qiáng)度；但當(dāng)海泡石的摻量過(guò)高時(shí)，單位體積中的膠凝材料減少，海泡石的含量升高，水泥水化生成的膠凝性物質(zhì)相應(yīng)的逐漸減少，反應(yīng)速率也相對(duì)較慢，海泡石所占據(jù)得空間比重比較大，對(duì)水泥凈漿的強(qiáng)度起到微弱的作用，因此，在后期中強(qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢[13]。

3.5.2 單摻偏高嶺土的影響

單摻偏高嶺土的水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度數(shù)值如圖8所示，試驗(yàn)中海泡石的摻量為0。

圖8 單摻偏高嶺土對(duì)水泥凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

從圖8中可以看出，當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時(shí)，其7 d、28 d的水泥凈漿試塊抗壓強(qiáng)度比同齡期的基準(zhǔn)組水泥都有不同程度的增長(zhǎng)，而3 d有適度的下降；當(dāng)摻量大于10%后，各齡期的強(qiáng)度都在不同程度的降低；在縱向上看3 d、7 d強(qiáng)度發(fā)展比較緩慢，而28 d的強(qiáng)度發(fā)展比較快。

分析其原因，偏高嶺土的火山灰活性比較低，在水泥水化早期進(jìn)程中水化速度比水泥的慢，自由水的相對(duì)含量比較高，抑制了水泥的凝結(jié)硬化，因此在3 d的齡期中比基準(zhǔn)組水泥凈漿強(qiáng)度偏低。在后期水化進(jìn)程中偏高嶺土的水化程度增大，與水泥水化生成的CH反應(yīng)生成具有水硬性的物質(zhì)；由于偏高嶺土顆粒比水泥顆粒小，原料及其產(chǎn)物有效的填充在水泥顆粒及其產(chǎn)物的空隙中，生成填充效應(yīng)，密實(shí)度更加提高，抗壓強(qiáng)度因此有增加；其次，反應(yīng)的同時(shí)CH的減少促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)向正向進(jìn)行，降低了水泥凈漿體系中堿的量，再加上偏高嶺土表面的成核效應(yīng)，水泥水化的部分組分在偏高嶺土表面形核生長(zhǎng)，共同促進(jìn)了水泥的水化，因此在大齡期的成長(zhǎng)中強(qiáng)度會(huì)有增加。隨著偏高嶺土取代水泥的摻量逐漸增大，水泥用量在不斷減少，其產(chǎn)生具有凝結(jié)強(qiáng)度的物質(zhì)在不斷減少，偏高嶺土不具有水硬性，因此在相同齡期下隨著偏高嶺土摻量增加其強(qiáng)度在不斷減小[14]。

3.5.3 海泡石和偏高嶺土復(fù)摻的影響

不同摻量配比下的水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度數(shù)值如圖9所示。

圖9 偏高嶺土不同摻量對(duì)水泥凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

從圖9中可以看出在偏高嶺土摻量為定值時(shí)，同齡期的水泥凈漿試件的抗壓強(qiáng)度在海泡石摻量較少時(shí)明顯增長(zhǎng)；后期摻量增加時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度有不同的減少或者是增加。在縱向上比較，當(dāng)海泡石的摻量一定時(shí)，隨著偏高嶺土的摻入增加，其強(qiáng)度逐漸減少。

究其原因，在宏觀上，由于偏高嶺土與海泡石的需水量比較大，隨著摻量的不斷增加，在攪拌過(guò)程中逐漸形成半固體，流動(dòng)性很差，在振搗密實(shí)過(guò)程中密實(shí)狀態(tài)很差，因此導(dǎo)致試塊抗壓強(qiáng)度在摻量不同時(shí)有不同程度的增大與降低。在微觀上，一是由于偏高嶺土的火山灰活性與外貌形態(tài)，較低的摻量對(duì)于試塊抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，而較大的摻量影響水泥水化的進(jìn)程，對(duì)強(qiáng)度有不利影響；其次是海泡石摻量較少時(shí)，其相應(yīng)的纖維結(jié)構(gòu)會(huì)增加水泥凈漿的強(qiáng)度，結(jié)合偏高嶺土的微集料效應(yīng)更好的促進(jìn)強(qiáng)度的發(fā)展；摻量增加時(shí)，拌和水量的相應(yīng)比例減少，海泡石纖維在水泥凈漿中分布不均勻且占據(jù)較大的體積空間，因此摻量較大時(shí)試件強(qiáng)度會(huì)有不同程度的增加與減少。

3.6 水化產(chǎn)物的SEM分析

為了更加直接的探究在不同海泡石與偏高嶺土摻量下，水泥凈漿水化3 d、7 d和28 d等不同齡期下的水化產(chǎn)物組成，采用SEM分析在不同條件下水泥凈漿水化的微觀形貌，具體SEM圖見(jiàn)圖10。

從圖10(b)中可以看出，單摻10%海泡石的水泥凈漿水化過(guò)程中的水化產(chǎn)物附著在海泡石的纖維上，其水化產(chǎn)物的“密集度”不如基準(zhǔn)組的水泥；圖10(c)中單摻偏高嶺土空間更為密實(shí)，無(wú)明顯孔隙，原因是顆粒較小的偏高嶺土及其水化產(chǎn)物填充在顆粒較大的水泥顆粒中間，微觀結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，但Ca(OH)2晶體明顯減少[15]；圖10(d)為復(fù)摻海泡石與偏高嶺土的水泥凈漿微觀形貌，在海泡石與偏高嶺土的相互作用下，密實(shí)度更高。偏高嶺土的密實(shí)作用與海泡石纖維的被附著連接，且后期水化程度變高，使得孔隙更加小[16]。

圖10 不同配比的水泥凈漿28 d的SEM圖

4 結(jié)論

(1)在水泥凈漿的基本性能試驗(yàn)中，復(fù)摻海泡石與偏高嶺土?xí)r，隨著二者的摻量不斷增大，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間在不斷增大；擴(kuò)展度在減小，同時(shí)達(dá)到基準(zhǔn)組的擴(kuò)展度所需要的減水劑在不斷增加；粘度隨著二者的摻量增加而急劇增大。

(2)在水泥凈漿的強(qiáng)度試驗(yàn)中，其強(qiáng)度隨著偏高嶺土的摻量先增加后降低，隨著海泡石的摻量增加而升高，當(dāng)偏高嶺土摻量10%、海泡石摻量為20%時(shí)其強(qiáng)度達(dá)到復(fù)摻最佳值。

(3)在水泥凈漿水化的微觀試驗(yàn)中，復(fù)摻海泡石與偏高嶺土有助于提高水泥凈漿的密實(shí)程度。