王广凯，刘梁友，冯恩娟，张　伟

(1. 临沂大学建筑学院，临沂　276005;2.济南大学材料科学与工程学院，济南　250022；3.山东宏艺科技股份有限公司，临沂　276034)



硫铝酸盐水泥基自流平砂浆性能的研究

王广凯1，刘梁友2，冯恩娟3，张伟1

(1. 临沂大学建筑学院，临沂276005;2.济南大学材料科学与工程学院，济南250022；3.山东宏艺科技股份有限公司，临沂276034)

本文研究了粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉三种矿物掺合料分别与硫铝酸盐水泥复掺，对硫铝酸盐水泥基自流平砂浆的凝结时间、流动度、抗压强度和收缩率等性能的影响，并借助X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对不同胶凝体系进行微观测试分析。结果表明：粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉参与胶凝体系水化的程度有限，主要起填充密实、调节砂浆强度等级的作用；同时通过改变掺合料的掺量，可以制备适应不同工程要求的自流平砂浆。

硫铝酸盐水泥； 掺合料； 流动度； 自流平砂浆； 强度

1　引　言

硫铝酸盐水泥基自流平砂浆是一种理想的水硬性无机胶凝材料，其主要原料为硫铝酸盐水泥、掺合料、细骨料、填料及各种添加剂。硫铝酸盐水泥基砂浆的流平性好、施工速度快、工期短等技术特性，可以充分发挥该产品在市政、交通、能源、水利、煤矿、机场等行业中的抢险救灾，堵漏止水，战时修补机场路面跑道等特殊作用[1-3]。

硫铝酸盐水泥基自流平砂浆因其突出的施工和使用性能，目前在我国工程领域普及推广势头迅猛[4]。但硫铝酸盐水泥价格比普通硅酸盐水泥偏高，如果利用矿物掺合料替代部分硫铝酸盐水泥作胶凝材料，不仅可以降低成本，取得更高效益，还可以提高固体废弃物的资源利用率，到达节能减排的效果[5-7]。

本文研究了粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉三种矿物掺合料等量取代硫铝酸盐水泥，对自流平砂浆凝结时间、流动度、收缩率及强度的影响，并对相应试样进行XRD、SEM微观分析，从而为实现硫铝酸盐水泥基自流平砂浆在实际工程中的应用提供依据。

2　实　验

2.1实验原料

2.1.1硫铝酸盐水泥

试验用42.5级快硬硫铝酸盐水泥由曲阜中联特种水泥有限公司提供，其物理性能见表1。

表1　42.5级快硬硫铝酸盐水泥基本物理性能

2.1.2矿物掺合料

(1)矿渣微粉：临沂沂德矿渣微粉有限公司，比表面积412 m2/kg，S95级，以下简称矿粉。

(2)粉煤灰：山东费县发电有限责任公司，二级灰，比表面积478 m2/kg。

(3)石灰石粉：临沂市宏原钙业有限公司，325目。

2.1.3减水剂

试验用减水剂为山东昌乐县万山减水剂厂生产的粉体萘系高效减水剂，掺加1.2%时减水率为25%。

2.2实验过程

试验选用粉煤灰、矿粉、石灰石粉分别等量替代硫铝酸盐水泥，研究不同矿物掺合料对硫铝酸盐水泥基自流平砂浆性能的影响。试验按照JC/T 985-2005 《地面用水泥基自流平砂浆》行业标准规定执行；凝结时间按照GB/T 1346进行；利用CA砂浆扩展度仪，型号规格：φ50×150×φ100，测定自流平砂浆的流动度；自流平砂浆干缩试验采用25 mm×25 mm×280 mm模具，每个配比一组，每组三块，试块成型后养护24 h拆模，用BY-280型比长仪测量试块初始长度，在标准条件下养护3 d、7 d、14 d、21 d、28 d，分别测试试块长度；自流平砂浆试件成型、强度测试参照标准GB/T 17671；对不同复合胶凝体系试样进行XRD、SEM分析。具体试验配比见表2。

表2　硫铝酸盐水泥基自流平砂浆的组成及配比

3　结果与讨论

3.1矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆凝结时间的影响

为了研究粉煤灰、矿粉、石灰石粉等量替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆凝结时间影响的规律，本节设计如下方案：粉煤灰、矿粉、石灰石粉分别替代硫铝酸盐水泥0%、20%、30%、40%、50%，水胶比为0.3，减水剂掺量为胶凝材料用量的1.2%，采用净浆凝结时间测定仪测试初凝时间和终凝时间，结果见图1。

图1　掺合料掺加量对自流平砂浆凝结时间的影响Fig.1　Influence of mineral admixture on self-leveling mortar setting time

由图1可以看出，随着粉煤灰、矿粉、石灰石粉取代硫铝酸盐水泥量的增加，水泥净浆初凝时间和终凝时间都逐渐增大，并且三种矿物掺合料对水泥净浆的缓凝效果各不相同，总体来说：石灰石粉>粉煤灰>矿粉。这主要是因为三种矿物掺合料的活性远小于硫铝酸盐水泥，随着取代硫铝酸盐水泥量的增加会大幅度降低水泥基浆体中钙矾石和C-S-H凝胶的数量，同时水泥基浆体形成空间网状结构的速率也减慢，水化产物交联作用减弱。因此，可通过改变矿物掺合料的掺加量，来调节自流平砂浆的凝结时间。

3.2矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆流动度的影响

为了研究粉煤灰、矿粉、石灰石粉等量替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆初始流动度和15 min流动度影响的规律，按照表2进行试验，粉煤灰、矿粉、石灰石粉分别替代硫铝酸盐水泥0%、20%、30%、40%、50%，结果见图2、图3。

图2　掺合料掺加量对砂浆初始流动度的影响Fig.2　Influence of admixture on mortar initial fluidity

图3　掺合料掺加量对砂浆15 min流动度的影响Fig.3　Influence of admixture on mortar 15 min fluidity

由图2和图3可以看出，粉煤灰、矿粉、石灰石粉对自流平砂浆流动度的影响各不相同：对于初始流动度，粉煤灰调节自流平砂浆流动度的效果最好；对于15 min流动度，掺加石灰石粉的自流平砂浆的流动度赶上甚至超过了掺加粉煤灰的自流平砂浆的流动度，流动度损失最小。总体来说，随着矿物掺合料掺量的增加，自流平砂浆的流动度都逐渐增大。这是由于相同水胶比下，随着掺合料的增多和硫铝酸盐水泥含量的减少，有效水灰比变大，自流平砂浆中释放的自由水含量变大；粉煤灰颗粒中的玻璃微珠对自流平砂浆起到润滑作用，而矿粉颗粒不规则且对水泥基浆体具有粘滞作用，对于自流平砂浆初始流动度改善作用明显小于粉煤灰；石灰石粉较粉煤灰和矿粉活性更低且需水量小，早期几乎不参与硫铝酸盐水泥的水化，其主要起填充作用，因此掺加石灰石粉的自流平砂浆流动度损失最小。

3.3矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆抗压强度的影响

为了研究粉煤灰、矿粉、石灰石粉等量替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆抗压强度影响的规律，按照表2进行试验，粉煤灰、矿粉、石灰石粉分别替代硫铝酸盐水泥0%、20%、30%、40%、50%，结果见图4。

图4　掺合料掺加量对砂浆抗压强度的影响Fig.4　Influence of admixture on mortar compressive strength

由图4可以看出，自流平砂浆1 d、3 d、28 d抗压强度均随粉煤灰、矿粉及石灰石粉掺量的增加而逐渐降低。当掺量为40%时，掺加矿粉的自流平砂浆1 d、3 d、28 d强度分别为22.4 MPa、32.5 MPa、40.7 MPa，达到水泥基自流平砂浆C35强度等级；掺加粉煤灰和石灰石粉的自流平砂浆28 d强度分别为36.4 MPa和35.1 MPa，达到水泥基自流平砂浆C30强度等级；当掺量为50%时，掺加矿物掺合料的自流平砂浆强度显著下降。这是因为硫铝酸盐水泥的水化产物主要是钙矾石、铝胶及C-S-H，决定自流平砂浆强度的主要因素是有效水灰比，矿粉颗粒表面粗糙及其特殊的粘滞作用而改善了水泥基砂浆浆体材料的匀质性，因此掺加矿粉的自流平砂浆强度稍高；随着三种矿物掺合料掺量的增加，胶凝材料体系中硫铝酸盐水泥含量同步减少，三种矿物掺合料由于没有CH的激发效应，其潜在的活性难以发挥，从而导致自流平砂浆强度显著降低[8,9]。综上，粉煤灰、矿粉、石灰石粉在自流平砂浆中参与水泥水化的程度有限，主要起填充密实、调节砂浆强度等级的作用，因此可通过改变掺合料的掺量，制备适应不同强度等级要求的自流平砂浆。

3.4矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆收缩率的影响

收缩率是自流平砂浆的主要指标之一，收缩率大则砂浆浆体易开裂，严重时可影响结构的耐久性。为此就粉煤灰、矿粉、石灰石粉三种矿物掺合料对硫铝酸盐水泥基自流平砂浆收缩率的影响展开研究，粉煤灰、矿粉、石灰石粉分别替代50%硫铝酸盐水泥，固定各组自流平砂浆流动度为330 mm，水胶比为0.3，胶砂比为0.67，结果见表3。

表3　矿物掺合料对硫铝酸盐水泥基自流平砂浆收缩率的影响

由表3可知，在固定各组自流平砂浆流动度相同的前提下，各组自流平砂浆收缩率各不相同：掺加50%矿粉的自流平砂浆收缩率最大，与空白组收缩率相当；掺加50%粉煤灰和50%石灰石粉的自流平砂浆收缩率都低于空白组，其中掺加50%粉煤灰的自流平砂浆收缩率最低。随着龄期的增长，收缩率都逐渐增大，到28 d水化龄期时，收缩率基本趋于稳定，各组收缩率都远低于JC/T 985-2005中收缩率标准规定值。

3.5矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆体系水化的影响

为了分析不同矿物掺合料替代硫铝酸盐水泥对自流平砂浆胶凝材料体系水化活性的影响，选择粉煤灰

矿粉、石灰石粉分别替代50%硫铝酸盐水泥，水胶比为0.3，减水剂掺量为胶凝材料用量的1.2%，制备净浆试样，标准养护3 d、28 d，分别进行X-射线衍射分析(XRD)和扫描电镜(SEM)微观分析。

3.5.1XRD分析

图5和图6分别为掺加50%矿物掺合料制备的水泥基复合胶凝材料净浆3 d、28 d的XRD图谱。

从图5和图6可以看出，未掺加矿物掺合料的空白试样，其水化矿物主要是AFt、CaCO3和C2S，其中图5中含有少量无水硫铝酸钙。此外，C-S-H凝胶也是一种水化产物，但其结晶不明显，在XRD图谱上衍射峰不明显。掺加矿物掺合料的复合胶凝材料体系水化产物种类基本不变，但矿物相数量变化较大，AFt衍射峰强度低于未掺加矿物掺合料的空白试样。其中掺加石灰石粉的复合胶凝材料的CaCO3衍射峰最明显，这主要是由于石灰石粉中的CaCO3基本不参加反应的缘故。同时，28 d XRD图谱中已基本没有无水硫铝酸钙衍射峰、C2S衍射峰强度显著减少，说明水化已基本完成。另外，掺加石灰石粉的复合胶凝材料中CaCO3衍射峰没有明显变化，说明石灰石粉在复合胶凝材料体系中基本不参加反应，只起填充密实作用。这与抗压强度和SEM微观分析结果相吻合。

图5　水化3 d的XRD图谱Fig.5　XRD patterns of on Hydration 3 d

图6　水化28 d的XRD图谱Fig.6　XRD patterns of on Hydration 28 d

3.5.2SEM分析

图7和图8分别为掺加50%矿物掺合料制备的水泥基复合胶凝材料净浆3 d、28 d的SEM照片。

图7　掺加50%矿物掺合料的水泥基复合胶凝材料净浆3 d的SEM照片Fig.7　Cement based composite cementitious material with 50%mineral admixtures photo by 3 d SEM

图8　掺加50%矿物掺合料的水泥基复合胶凝材料净浆28 d的SEM照片Fig.8　Cement based composite cementitious material with 50%mineral admixtures photo by 28 d SEM

从图7和图8可以看出，空白组在水化3 d时，浆体有很明显的水化现象，且有较多的细棒状钙矾石生成，但浆体内部具有一定的空隙率，到水化28 d时，浆体已经很致密，宏观表现为水泥浆体强度大幅度增加。相比空白组，掺加50%矿物掺合料的试样水化程度较低，水化产物远少于空白组，但孔隙率较空白组低，说明矿物掺合料主要起填充密实作用，参与水化反应的程度有限。其中石灰石粉和粉煤灰起填充作用更明显，基本不参与水化反应，这与XRD和强度测试结果相吻合。

4　结　论

(1)随着粉煤灰、矿粉、石灰石粉取代硫铝酸盐水泥量的增加，水泥净浆凝结时间都逐渐增大，调凝效果依次为石灰石粉>粉煤灰>矿粉;

(2)在水胶比相同的前提下，三种矿物掺合料都能增大硫铝酸盐水泥基自流平砂浆的流动度，其中粉煤灰效果最明显，掺加石灰石粉的自流平砂浆流动度损失最小;

(3)硫铝酸盐水泥基自流平砂浆抗压强度均随粉煤灰、矿粉及石灰石粉掺量的增加而逐渐降低；当掺量为40%时，掺加矿粉的自流平砂浆28 d强度为40.7 MPa，达到C35强度等级；掺加粉煤灰和石灰石粉的自流平砂浆28 d强度分别为36.4 MPa和35.1 MPa，达到C30强度等级;

(4)在固定自流平砂浆流动度相同的前提下，掺加粉煤灰、矿粉、石灰石粉的各组试样收缩率都远低于JC/T 985-2005中收缩率标准规定值，且收缩效果依次为矿粉>石灰石粉>粉煤灰;

(5)粉煤灰、矿粉、石灰石粉参与硫铝酸盐水泥水化的程度有限，它们主要起填充密实、调节砂浆强度等级的作用。

[1] 黄天勇，章银祥，陈旭峰，等.水泥基自流平砂浆机理研究综述[J].硅酸盐通报，2013，34(10)：2864-2869.

[2] 陈福松，陆小军，朱祥，等.水泥基自流平砂浆配比及性能的研究进展[J].粉煤灰，2012，24(2)：35-39.

[3] 杨斌.地面用水泥基自流平砂浆及其标准[J].新型建筑材料，2006，(2)：11-14.

[4] 刘成楼.水泥基自流平砂浆的研制[J].中国涂料，2008，23(8)：41-44.

[5] 彭明强，叶蓓红. 脱硫石膏用于自流平砂浆的研究[J].建筑材料学报，2012，15(03)：406-409

[6] 陈虎. 铁尾矿砂特性及在自流平砂浆中的应用研究[J].混凝土，2014，(07)：125-130.

[7] 霍利强.高铝水泥对水泥基自流平砂浆性能影响研究[J].施工技术，2013，42(4)：61-63.

[8] 邓鑫，张铬，曹青，等.胶凝材料对水泥基自流平砂浆性能的影响[J].新型建筑材料，2013，40(2)：51-53.

[9] 孟祥谦，叶正茂，程新.硫铝酸盐水泥基修补砂浆的力学性能[J].济南大学学报(自然科学版)，2010，24(1)：1-4.

Properties of Sulpho-Aluminate Cement Based Self-Leveling Mortar

WANGGuang-kai1,LIULiang-you2,FENGEn-juan3,ZHANGWei1

(1.School of Architecture,Linyi University,Linyi 276005,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China;3.Shandong Hongyi Technology Co.Ltd,Linyi 276034,China)

This paper studies the effect of fly ash, slag powder, limestone powder mixed with sulpho-aluminate cement on the sulpho-aluminate cement based self-leveling mortar properties, such as setting time, fluidity, compressive strength and shrinkage rate. The samples were characterized by XRD and SEM. The results show that fly ash, slag powder and limestone powder in cementitious system hydration degree is very limited, which plays on the main filling effect and adjusts the strength level of self-leveling mortar. At the same time, by changing the content of the admixture, self-leveling mortar can be prepared to meet the requirements of different projects.

sulpho-aluminate cement;admixture;fluidity;self-leveling mortar;strength

大学生创新创业训练计划项目支持(201410452045)

王广凯(1993-)，男.主要从事土木工程专业方面的研究.

张伟，博士，副教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1912-06