矿物掺合料对水泥砂浆性能的影响

2021-09-04谢群李海波王火明

中外公路 2021年3期

谢群，李海波，王火明，3

(1.江西省赣北公路勘察设计院，江西九江 332000； 2.重庆交通大学土木工程学院； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司)

在基础建设领域，水泥混凝土是用量最大、用途最广泛、对生态环境影响最大的产品之一。早在1998年，吴中伟在回顾了水泥混凝土发展历程之后，便富有创造性地提出了绿色混凝土的概念，并认为绿色混凝土也属于高性能混凝土，进一步提出发展绿色高性能混凝土(GHPC)的倡议。吴中伟指出绿色高性能混凝土应该具有以下特征：① 更多地节约熟料水泥，降低能耗和环境污染；② 更多地掺加以工业废料为主的细掺料；③ 更大地发挥高性能混凝土的优势，减少水泥和混凝土的用量。因此，探究矿物掺合料对水泥砂浆的工作性能和力学性能的影响，有助于矿物掺合料的合理利用，推动绿色高性能混凝土的发展。目前，采用矿物掺合料配制的无粗骨料混凝土也相对较多，比如：活性粉末混凝土(RPC)、无宏观缺陷水泥基复合材料(MDF)、高延性水泥基复合材料(ECC)和地质聚合物混凝土。

矿物掺合料的种类很多，常见的矿物掺合料主要有粉煤灰、矿粉、硅灰、微珠等。在水泥砂浆或水泥混凝土中加入矿物掺合料有以下几个主要目的：① 合理利用废弃材料，变废为宝，提高资源利用率，保护生态环境；② 提高水硬性材料的工作性能，以满足特定的施工环境；③ 降低水泥水化热反应，提高水硬性材料的界面强度，从而提高水硬性材料的力学性能；④ 提高水硬性材料的耐久性。

该文主要采用正交试验法研究不同掺量的S95级矿粉(PS)、粉煤灰(FA)、微珠超细粉(MB)、硅灰(SF)在复掺情况下对水泥砂浆流动性、强度以及收缩性能的影响，确定矿物掺合料最佳组合与掺量，有效提高矿物掺合料的利用率。

1 试验

1.1 原材料

(1) 水泥采用P.O.52.5级水泥，3 d实测抗压强度为25.6 MPa，28 d实测抗压强度为58.6 MPa。

(2) 矿物掺合料。Ⅰ级粉煤灰、S95级矿粉、微珠超细粉、超细硅灰。微珠是一种全球状、连续粒径分布、超细、实心、硅铝酸盐精细沉珠，国外也称为改性粉煤灰，其粒径分布于粉煤灰与硅灰之间。

(3) 减水剂。WR-4聚羧酸早强减水剂,减水率为25%以上。

(4) 石英砂、自来水。

矿物掺合料的化学组成及物理性质见表1。

表1 矿物掺合料的化学组成及物理性质

1.2 试验方法

无粗骨料混凝土的流动度试验参照JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》的方法，试验仪器为内径(30±0.1) mm、高(50±0.1) mm的金属空心圆柱体和面积大于300 mm×300 mm的平板玻璃。无粗骨料混凝土的成型、养护、抗压和抗折强度试验参照GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm的三联模成型试件。

无粗骨料混凝土的收缩试验参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，成型标养48 h后，采用收缩仪和千分表测定无粗骨料混凝土的收缩值。

1.3 试验设计

试验设定的4因素分别为：因素A(硅粉)、因素B(粉煤灰)、因素C(矿粉)、因素D(微珠)，每个因素按照水泥质量比例(以外掺法掺入水泥用量的3%、6%、9%)设定了3个水平。正交试验水平表见表2。每组试验的砂子用量为1 350 g，水泥用量为528.5 g，矿物掺合料按照水泥质量的比例进行调整，水胶比采用0.24，高效减水剂为胶凝材料的1%。

表2 正交试验表

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

无粗骨料混凝土流动度、抗压抗折强度及收缩值的试验结果如表3所示。

表3 正交试验结果

2.2 极差分析

对表3的正交试验结果进行处理后，得到了表4的水平均值与极差表。表4中：R值大小反映了矿物掺合料对无粗骨料混凝土各项性能的影响程度。例如，将矿物掺合料按对流动度的影响程度大小排序依次为：微珠、粉煤灰、矿粉、硅灰，最佳组合为D3B3C3A1。同理，可从表4中得到矿物掺合料对其他性能的影响程度排序以及最优组合方式。

2.2.1 流动度影响分析

由表4可知：在该文试验的3个水平掺量下，水泥砂浆流动度随矿物掺合料的掺量单调递增，并在微珠处于水平3掺量时取得最大值。

表4 水平均值和极差

究其原因：① 粉煤灰、矿粉和微珠的颗粒形状几乎都为球状体，减少了颗粒之间的摩擦阻力，从而提高了水泥砂浆的流动性；② 单一的水泥颗粒，遇水之后，存在团聚现象。在水泥中加入矿物掺合料，能够降低水分子的表面能，从而提高水泥颗粒的分散效果。此外，相比于水泥颗粒的粒径，矿物掺合料的粒径相对较小，加入一定量的矿物掺合料，能够优化水泥的颗粒级配，从而提高水泥浆体的流动性。

与此同时，一般认为比表面积越大，需水量也较大，从表1可以看出，相比于其他3种矿物掺合料，硅灰的比表面积高出了一个数量级，因此，随着硅灰掺量的增加，水泥浆体流动度下降。

2.2.2 强度影响分析

由表4可知：① 混凝土的7 d抗压强度会随硅灰、粉煤灰、矿粉的掺量增大而单调递减。但微珠掺量增大时，混凝土7 d抗压强度先增大，后减小，说明适量的微珠能够提高无粗骨料混凝土的7 d抗压强度；② 7 d抗折强度折线的变化趋势与7 d抗压强度基本一致，同样只有适量的微珠能够提高无粗骨料混凝土的7 d抗折强度；③ 适量硅灰、矿粉和微珠均能提高无粗骨料混凝土的28 d抗压强度。其中，28 d抗压强度随硅灰、矿粉掺量增大而单调递增，但后期增幅较小，随微珠掺量增大先增大后减小。但同时，粉煤灰掺量的不断增大，使得混凝土28 d抗压强度逐渐减小；④ 各28 d抗折强度折线的变化趋势与28 d抗压强度基本一致，主要差别在于变化幅度。

根据中心质效应假说，水泥砂浆中的细集料是第一层次的中心质，水泥净浆是第一层次的介质，在水泥净浆和细集料之间存在着第一层次的界面过渡层，未掺加矿物掺合料的水泥砂浆只存在第一个层次的强度叠加效应。矿物掺合料的粒径相对较小，能够填充水泥净浆中的微小空隙，可以构成以水泥颗粒为第二层次中心质、以矿物掺合料为第二层次介质的密实填充结构模型，掺加矿物掺合料的水泥砂浆存在两个层次的强度叠加效应。因此，掺加矿物掺合料的力学强度相对较高。

硅灰、粉煤灰、矿粉和微珠化学组成成分中含有大量的SiO2和Al2O3，在这些矿物掺合料中，SiO2和Al2O3都具有一定的活性，可以和水泥水化反应的产物(氢氧化钙和高碱度的水化硅酸钙)发生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱度水化硅酸钙，从而改善水泥石的界面强度和水泥浆体的强度，提高水泥砂浆的整体强度。矿物掺合料的活性作用处于水泥砂浆的二次反应阶段，发挥矿物掺合料的活性作用需要一定的时间，因此，随着硅灰、粉煤灰和矿粉体积掺量的增加，水泥砂浆的7 d力学强度逐渐下降。

硅灰比表面积很大，二氧化硅含量较高，硅灰的活性作用在28 d的时间内能显现出来，因此，随着硅灰掺量的增加，水泥砂浆的28 d强度逐渐升高。

矿粉的比表面积虽然较小，却是一种非结晶细颗粒状玻璃态的粉末材料，且经历了水淬、干燥、粉磨的过程，化学性质极不稳定，其活性作用在28 d的时间内能显现出来，因此，随着矿粉掺量的增加，水泥砂浆的28 d强度逐渐升高。

粉煤灰是燃煤电厂收集的烟道灰，化学性质较为稳定，比表面积相对较小，其活性作用在28 d的时间内不能显现出来，因此，随着粉煤灰掺量的增加，水泥砂浆的28 d强度逐渐下降。

微珠的比表面积相对较大，粒径较细，颗粒中球体比例相对较大，能够抑制水泥砂浆的收缩性能，相比于粉煤灰，其成分中的二氧化硅含量相对较高，因此，在合适的掺量条件下，能够提高水泥砂浆的7、28 d强度。

此外，由于硅灰中的二氧化硅含量最高，因此，硅灰对水泥砂浆强度的影响最为显著。

2.2.3 收缩性能影响分析

由表4可知：随着粉煤灰掺量、矿粉掺量和微珠掺量的增加，无粗骨料混凝土的早期收缩量逐渐降低，而随着硅灰掺量的增加，无粗骨料混凝土的7 d收缩量逐渐增大。

这主要是由于水泥砂浆在终凝后，未充分水化的水泥颗粒在渗水压力的作用下，在接触水分子之后，会继续发生水化反应，消耗水分子，从而引起水分子迁移，造成毛细孔负压的产生，引起混凝土的塑性收缩。相比于水泥粒径，粉煤灰、矿粉和微珠的粒径相对较小，其能够在水分子迁移过程中，阻碍水分子的迁移速度，降低毛细孔负压，降低水泥石的塑性收缩。因此，随着粉煤灰、矿粉和微珠掺量的增加，水泥砂浆的7 d收缩量逐渐降低。而粉煤灰的活性效应需要较长时间才能充分发挥出来，在水泥砂浆体积稳定后，粉煤灰的活性效应能够消耗水泥石中的自由水和弱结合水，从而转化为体积稍大、状态更加稳定的晶体结构，填充水分子毛细孔，降低水泥砂浆的干燥收缩。因此，粉煤灰对水泥砂浆收缩性能的影响较为显著。硅灰由于比表面积较大，需水量也较大，从松散的粉末状态到密实型的固体状态，引起的体积变化也相对较大，不利于水泥砂浆收缩的控制。因此，随着硅灰掺量的增加，水泥砂浆的7 d收缩量逐渐升高。