礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂水泥基自流平砂漿性能的影響

單俊鴻，張景華*，王榮榮，李 春，趙常齊

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.武漢德毅環(huán)保新材料有限公司，湖北 武漢 430200)

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展和工業(yè)化水平的顯著提高，廠房、商場(chǎng)與住宅等工程建設(shè)趨于施工便捷高效化發(fā)展，這為自流平砂漿的推廣應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。水泥基自流平干混砂漿是由膠凝材料、礦物摻和料(粉煤灰、重鈣粉與硅灰等)、外加劑組成，具有只需人工輔助攤鋪，依靠自重就能夠流動(dòng)找平的特點(diǎn)。由于其市場(chǎng)潛力巨大，自歐美等國家引入中國后發(fā)展相當(dāng)迅速[1]。近年來，天然砂石等建筑材料的短缺現(xiàn)象已然出現(xiàn)，許多專家利用天然巖石或尾礦廢石破碎生產(chǎn)的機(jī)制砂代替天然砂石，這大大緩解了日漸嚴(yán)重的“砂荒”現(xiàn)象。目前，我國機(jī)制砂替代天然河砂制備高性能混凝土在國內(nèi)的應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟，機(jī)制砂在干混砂漿中的性能表現(xiàn)已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可[2-3]，對(duì)礦物摻合料的研究也未曾間斷[4]，廖國勝等[5]人研究了硅灰對(duì)硫鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)摻加5%硅灰對(duì)硫鋁酸鹽水化反應(yīng)的促進(jìn)最顯著；姜博等[6]人復(fù)摻硅灰與粉煤灰實(shí)現(xiàn)了材料的“超疊效應(yīng)”，獲得強(qiáng)度優(yōu)于單組分基準(zhǔn)砂漿；姚武等[7]人采用選擇性溶解法研究了水泥-硅灰-粉煤灰三元膠凝體系的水化特點(diǎn)：硅灰火山灰反應(yīng)要早于粉煤灰，且隨著二者摻量的不同，硅灰與粉煤灰的火山灰反應(yīng)速率均發(fā)生改變。

而利用機(jī)制砂制備自流平砂漿的研究與應(yīng)用相對(duì)較少[8]。為提高機(jī)制砂自流平砂漿的整體性能，本次實(shí)驗(yàn)選用粉煤灰、石灰石粉與硅灰作為礦物摻合料，并通過正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化礦物摻合料摻量，制備全機(jī)制砂水泥基自流平干混砂漿。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

膠凝材料：實(shí)驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥(P·O)42.5：武漢市亞鑫水泥有限公司生產(chǎn)；硫鋁酸鹽水泥(SAC)42.5：河南某公司生產(chǎn)；半水石膏：市售半水石膏；外加劑：粉狀聚羧酸減水劑，粘度為400 mPa·s的羥丙基甲基纖維素醚，瓦克5 044 N乳膠粉、德國明凌AGITANR P803型粉體消泡劑。水泥性能檢測(cè)結(jié)果如表1，礦物摻合料化學(xué)組成見表2—表4。

表1 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 石灰石超細(xì)粉化學(xué)組分 (單位：%)

表3 硅灰化學(xué)成分 (單位：%)

表4 粉煤灰化學(xué)成分 (單位：%)

礦物摻合料：粉煤灰為市售一級(jí)粉煤灰；石灰石粉比表面為650 cm2/g。

砂：本次實(shí)驗(yàn)制備水泥基自流平砂漿采用全機(jī)制砂，機(jī)制砂由武漢德毅環(huán)保新材料有限公司生產(chǎn)，機(jī)制砂物理性能指標(biāo)如表5所示。

表5 機(jī)制砂物理特性

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比

固定三元膠凝材料的用量，普通硅酸鹽水泥25%、硫鋁酸鹽水泥8%、半水石膏2%、可再分散性乳膠粉0.8%、纖維素醚0.04%與消泡劑0.2%，水膠比為0.5。

1.2.2 試件制備

根據(jù)JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂漿》的規(guī)定，砂漿攪拌設(shè)備采用行星式砂漿攪拌機(jī)(符合JC/T 681規(guī)定)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%。

流動(dòng)度檢測(cè)：將表面整潔無水漬的玻璃試板水平放置在實(shí)驗(yàn)室操作臺(tái)上，在玻璃板中央放置流動(dòng)度試模，將待測(cè)自流平砂漿勻速垂直倒入試模內(nèi)，避免砂漿溢出，并刮去試模口多余的砂漿，垂直向上提起50～100 mm并保持10～15 s，使其自流平砂漿自由流動(dòng)，等待4 min使其充分?jǐn)U展分散，沿兩個(gè)垂直方向測(cè)量，取其算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。20 min后低速攪拌15 s，按照同樣的方法測(cè)定20 min流動(dòng)度。

抗壓抗折強(qiáng)度檢測(cè)：按照GB/T17671規(guī)定，采用40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)棱柱體鋼制試模進(jìn)行抗壓抗折強(qiáng)度測(cè)定，將拌和好的砂漿倒入三聯(lián)試模，無需振動(dòng)，1、3、28 d各一組，每組三塊。

尺寸變化率：符合JGJ/T70要求的立式砂漿收縮儀，試模采用內(nèi)部尺寸為10 mm×40 mm×160 mm金屬試模，三個(gè)試件為一組，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h脫模，并標(biāo)注試件編號(hào)與測(cè)定方向，按如下公式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算：

式中：ε為尺寸變化率，%；L0為試件初始長度，單位為mm；L1為自然養(yǎng)護(hù)干燥后試件的長度，單位為mm；L為試件本體的長度，160 mm；Ld為伸縮頭埋入砂漿試件中的長度之和，即(20±2)mm。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過改變石粉與硅灰的摻加量，觀察二者各自對(duì)自流平砂漿流動(dòng)性能與力學(xué)性能的影響，由于兩種礦物摻合料對(duì)需水量的要求不同，調(diào)整減水劑摻量，實(shí)驗(yàn)安排如表6所示。

表6 礦物摻合料實(shí)驗(yàn)安排

利用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化礦物摻合料的最佳摻量，試驗(yàn)采用L9(34)(三因素三水平)正交試驗(yàn)表，三因素分別為粉煤灰、石粉與硅灰。并分別調(diào)整其各自摻量：粉煤灰摻量為3%、5%、7%，石粉摻量為2%、4%、6%，硅灰摻量為0.5%、1.0%、1.5%；控制外加劑摻量，乳膠粉0.8%，減水劑0.2%，纖維素醚0.04%，消泡劑0.15%。其因素水平表以及正交試驗(yàn)安排如表7與表8所示。

表7 正交試驗(yàn)因素水平表

表8 正交試驗(yàn)安排

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉與硅灰對(duì)自流平砂漿性能的影響

2.1.1 石粉與硅灰對(duì)流動(dòng)性能的影響

石粉與硅灰對(duì)機(jī)制砂水泥基自流平砂漿流動(dòng)性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示：

圖1 石粉對(duì)流動(dòng)性的影響Fig.1 Influence of stone powder on fluidity

圖2 硅灰對(duì)流動(dòng)性的影響Fig.2 Influence of stone powder on fluidity

由圖1、圖2可知：石粉摻量為0、2%、4%、6%、8%的初始流動(dòng)度與20 min流動(dòng)度分別為140 mm/137 mm、145 mm/137 mm、146 mm/141 mm、142 mm/139 mm、141 mm/137 mm，石粉摻量為4%時(shí)達(dá)到最優(yōu)流動(dòng)度，較對(duì)比組(L-1)初始與20 min流動(dòng)度分別增大4.3%與2.2%；而隨著硅灰摻量的不斷增加流動(dòng)性能不斷減小，硅灰摻量為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時(shí)分別對(duì)應(yīng)的初始與20 min流動(dòng)度為151 mm/144 mm、149 mm/132 mm、144 mm/136 mm、142 mm/134 mm、140 mm/134 mm，摻量為2.0%時(shí)初始與20 min流動(dòng)度最低。

石灰石粉相較于硅灰水化活性較低，早期需水量較小，石粉在合適摻量下對(duì)自流平砂漿的流動(dòng)性能夠起到一定幫助，增大漿體流動(dòng)度；而硅灰比表面積大，需水量高，隨硅灰摻量的增多，砂漿漿體中自由水含量減少，無法緩沖集料顆粒間的摩擦阻力，導(dǎo)致自流平砂漿流動(dòng)性能受損。硅灰的火山灰活性要高于石灰石粉，故硅灰對(duì)自流平砂漿性能的影響要更顯著。

2.1.2 礦物摻合料對(duì)力學(xué)性能的影響

在砂漿材料中，石粉常以惰性材料作填充集料，而硅灰具有高火山灰活性，常作為早強(qiáng)組分被利用，本次實(shí)驗(yàn)就兩類礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂自流平砂漿力學(xué)性能的影響做具體研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 石粉對(duì)3 d強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of mineral admixtures on 3 d strength

圖4 硅灰對(duì)3 d強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of silica fume on 3d strength

由圖3與圖4可知：石粉摻量為0、2%、4%、6%、8%時(shí)，3 d抗折抗壓強(qiáng)度分別為3.8 MPa/17.5 MPa、4.2 MPa/18.7 MPa、4.4 MPa/18.7 MPa、4.4 MPa/18.3 MPa、4.0 MPa/17.7 MPa；硅灰摻量為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，3 d抗折抗壓強(qiáng)度分別為3.9 MPa/17.8 MPa、4.0 MPa/18.1 MPa、4.3 MPa/18.8 MPa、4.3 MPa/18.9 MPa、4.2 MPa/19.2 MPa；石粉與硅灰對(duì)自流平砂漿的早期強(qiáng)度均產(chǎn)生正面影響，石粉摻量為4%時(shí)達(dá)到最大抗折抗壓強(qiáng)度4.4 MPa /18.7 MPa，但過量石粉的加入導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度降低；硅灰摻量的增加對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度顯著提高，當(dāng)摻量為2%時(shí)抗壓強(qiáng)度為9.2 MPa，較基礎(chǔ)組S-1提高7.9%，當(dāng)硅灰摻量超過1.5%，砂漿抗折強(qiáng)度降低。

石粉與硅灰對(duì)28 d強(qiáng)度的影響如圖5、圖6所示：28 d抗折抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量的增加，出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度在摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值9.7 MPa，抗壓強(qiáng)度在摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值39.7 MPa，石粉摻量為1.5%與2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較對(duì)比組L-1分別降低1.1%與1.3%；硅灰摻量的增加對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的發(fā)展產(chǎn)生了正面影響，28 d抗折強(qiáng)度則在摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值9.1 MPa，而隨著硅灰摻加量的不斷增多，摻量為2.0%時(shí)出現(xiàn)28 d抗折強(qiáng)度低于基礎(chǔ)組S-1，即硅灰對(duì)28 d抗折強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，其反應(yīng)機(jī)理為硅灰的火山灰效應(yīng)消耗漿體中的Ca(OH)2，自流平砂漿漿體堿度降低，膠凝材料水化反應(yīng)受到影響。

圖5 石粉對(duì)28 d強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of stone powder on 28 d strength

圖6 硅灰對(duì)28 d強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of silica fume on 28 d strength

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化自流平配方

試驗(yàn)采用L9(34)正交表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算自流平砂漿流動(dòng)度各水平均值，并對(duì)各因素結(jié)果進(jìn)行極差分析(kmax-kmin)，如表10所示。

表10 流動(dòng)度極差分析

由結(jié)果可知，礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂水泥基自流平砂漿初始流動(dòng)度影響的先后順序?yàn)椋汗杌?粉煤灰>石粉，對(duì)20 min流動(dòng)度影響的先后順序?yàn)椋悍勖夯?硅灰>石粉；各個(gè)影響因素對(duì)流動(dòng)度的優(yōu)化組合為：初始流動(dòng)度為A3B2C1，20 min流動(dòng)度為A3B2C1。

硅灰自身比表面積大，影響自流平砂漿需水量，在固定水灰比的試驗(yàn)條件下，流動(dòng)度減小，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)硅灰加快硫鋁酸鹽的水化速率，縮短水泥的凝結(jié)時(shí)間[6]；粉煤灰多為單個(gè)玻璃微珠狀態(tài)且聚集度小，在自流平砂漿中起到“滾珠效應(yīng)”，降低細(xì)集料之間的摩擦增大流動(dòng)度[9]。

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析，礦物摻合料對(duì)流動(dòng)度影響的重要性而言，20 min流動(dòng)度是影響自流平砂漿工作性能的重要指標(biāo)，自流平砂漿不僅要保證足夠初始流動(dòng)度，而且不能出現(xiàn)過大的20 min流損，本實(shí)驗(yàn)依照20 min流動(dòng)度的大小給出流動(dòng)度最優(yōu)水平：7%的粉煤灰、4%的石灰石粉與0.5%的硅灰。

2.3 抗壓抗折強(qiáng)度

機(jī)制砂制水泥基自流平砂漿正交試驗(yàn)抗壓抗折強(qiáng)度極差分析結(jié)果如表11與表12所示。

表11 抗折強(qiáng)度極差分析

表12 抗壓強(qiáng)度極差分析

對(duì)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，得到三種礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂自流平砂漿抗折抗壓強(qiáng)度影響的先后順序?yàn)椋?/p>

1 d抗折強(qiáng)度：石粉>硅灰>粉煤灰；1 d抗壓強(qiáng)度：石粉>硅灰>粉煤灰。

3 d抗折強(qiáng)度：石粉>硅灰>粉煤灰；3 d抗壓強(qiáng)度：石粉>硅灰>粉煤灰。

28 d抗折強(qiáng)度：石粉>粉煤灰>硅灰；28 d抗壓強(qiáng)度：硅灰>粉煤灰>石粉。

由極差分析的結(jié)果，正交試驗(yàn)的優(yōu)化組合如表13所示。

表13 正交試驗(yàn)優(yōu)化組合

石粉通常被認(rèn)為是一種惰性材料，隨著石粉在各類砂漿材料中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)石粉的抗壓強(qiáng)度比能夠達(dá)到60%，且對(duì)早期強(qiáng)度有較好的提升作用。收塵石灰石粉經(jīng)過球磨機(jī)進(jìn)一步研磨可以達(dá)到較高的比表面積，除本身對(duì)于膠凝體系強(qiáng)度的貢獻(xiàn)之外，還起到物理填充作用，使自流平砂漿更加密實(shí)，具有更好的力學(xué)性能。

硅灰可以有效促進(jìn)水泥的早期水化，硅灰顆粒的“成核”作用，促進(jìn)了水化產(chǎn)物的結(jié)晶析出，加快了膠凝材料的早期水化進(jìn)程。同時(shí)，硅灰可以改善硫酸鹽水泥體系中鈣礬石的形態(tài)，多為粗針狀鈣礬石；另一方面硅灰比表面積大，同樣可以起到物理填充作用，使砂漿材料更加密實(shí)，常作為一種增強(qiáng)組分，應(yīng)用在各類特種砂漿材料之中。

粉煤灰對(duì)早期強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在物理填充作用上[10]，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，砂漿漿體堿度不斷上升，促進(jìn)了粉煤灰與Ca(OH)2的反應(yīng)，即火山灰效應(yīng)，粉煤灰的火山灰效應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，不斷填充砂漿空隙，使自流平砂漿結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高砂漿強(qiáng)度。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且綜合考慮自流平砂漿的各方面性能，選出強(qiáng)度最優(yōu)方案為：7%的粉煤灰、4%的石灰石粉與1.5%的硅灰。

2.4 尺寸變化率

整理正交試驗(yàn)尺寸變化率，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果匯總?cè)绫?4。

表14 尺寸變化率極差分析

從表中可以看到三因素的極差值，對(duì)機(jī)制砂水泥基自流平砂漿尺寸變化率影響的先后順序?yàn)椋悍勖夯?石粉>硅灰，對(duì)自流平砂漿的尺寸變化率影響最大的為粉煤灰，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能夠發(fā)現(xiàn)，粉煤灰、石粉與硅灰均會(huì)引起自流平砂漿的尺寸收縮，隨著粉煤灰、石粉與硅灰摻量的增加自流平砂漿自收縮增大，但對(duì)自流平砂漿尺寸變化率的影響不大，綜合考慮推薦自流平砂漿中的配比為：7%粉煤灰、2%石粉、1%硅灰。

3 結(jié)論

1)石灰石粉對(duì)自流平砂漿流動(dòng)度的影響不大，摻加石灰石粉對(duì)自流平砂漿的1、3與28 d強(qiáng)度具有提高，石灰石粉相較于粉煤灰與硅灰的活性指數(shù)低，在自流平砂漿體系中主要起到微集料作用，提高自流平砂漿密實(shí)度。

2)硅灰具有較高的比表面積，顆粒粒徑小，填充自流平砂漿中的微孔，增強(qiáng)砂漿密實(shí)性，且在水化早期就體現(xiàn)出較高的火山灰活性，與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，隨硅灰摻量增加自流平砂漿抗壓強(qiáng)度提高，自流平砂漿的流動(dòng)度減小，抗折強(qiáng)度隨硅灰摻量的增加先增大后減小，摻量為1.0%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到優(yōu)。

3)粉煤灰可以增大機(jī)制砂水泥基自流平砂漿的流動(dòng)性，粉煤灰早期火山灰活性低于硅灰，粉煤灰在自流平砂漿膠凝材料水化早期主要起到物理填充作用，使砂漿更加密實(shí)，水化后期隨著漿體內(nèi)堿度上升，粉煤灰發(fā)生火山灰效應(yīng)，提高自流平砂漿強(qiáng)度。

4)通過正交試驗(yàn)優(yōu)化礦物摻合料的最佳摻量為：7%粉煤灰、4%石粉、1%硅灰，可得到流動(dòng)度滿足要求、力學(xué)性能優(yōu)異且表面無開裂的機(jī)制砂水泥基自流平砂漿。