矿物掺合料对干粉砂浆物理性能及孔结构的影响

矿物掺合料对干粉砂浆物理性能及孔结构的影响

庄梓豪1, 2, 周春英1, 2, 余其俊1, 2, 韦江雄1, 2, 徐昕3, 李新华3
(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510640;2.华南理工大学特种功能材料教育部重点试验室,广东广州510640;3.澳门水泥厂有限公司,澳门)

0 前言
近年来,粉煤灰、细磨矿渣粉和石灰石粉等已广泛应用于混凝土和普通砂浆的生产,起到了改善水泥基材料的综合性能、降低生产成本和减轻环境负荷的作用[1- 3]。干粉砂浆作为一种新产品在我国出现的时间尚短,现有研究工作主要集中于纤维素醚和乳胶粉等聚合物上,而对矿物掺合料在干粉砂浆中的作用通常是基于或参考普通混凝土在该方面的理论和认识。但是,与普通混凝土或水泥砂浆相比,干粉砂浆中另掺有一定数量的纤维素醚和乳胶粉,它们对矿物掺合料的效用有何影响?矿物掺合料对干粉砂浆的工作性能、力学性能和孔结构等有何影响?目前研究甚少。因此,开展掺合料对干粉砂浆性能和结构影响的研究,对矿物掺合料在干粉砂浆中的有效、高效应用具有一定的意义。本文探讨了在固定水胶比和掺有改性膨润土、纤维素醚和可再分散乳胶粉条件下,分别掺入石灰石、矿渣或粉煤灰对砂浆流动度、保水率、砂浆硬化体抗压、抗折、粘结强度和劈裂强度以及砂浆硬化体孔结构的影响,并探讨了它们的相互关系。

1 原材料与试验
1.1 原材料
珠江水泥厂生产的P·II 42.5 水泥;粒径为0.315~0.63mm的河砂;C8564 甲基羟乙基纤维素醚(纤维素醚);RhoximatPSB150 可再分散乳胶粉;改性膨润土;广东省韶钢集团公司生产的磨细矿渣;广州市黄埔电厂Ⅱ级粉煤灰;清远产石灰石。3 种矿物掺合料均采用Φ500×500 mm 标准试验磨磨细。水泥及3 种矿物掺合料的化学组成、物理性质及颗粒分布分别见表1 和表2(其中D50 表示中值粒径)。

1.2 主要试验方法及设备
砂浆试样的养护、抗压和抗折强度的测定参照GB/T17671—1999 执行;粘结拉力试验和保水率试验参照电力行业标准DL/T 5126—2001《聚合物改性砂浆试验规程》中的有关规定执行;劈裂强度试验参照《水下不分散混凝土试验规程》中有关规定执行。砂浆硬化体的孔结构分析,采用美国康塔公司产PoreMaster 60 压汞仪分析。图1 是砂浆粘结拉力和劈裂强度试验装置示意图。

图1 砂浆粘结拉力试验方法
2 试验配比及结果讨论
2.1 试验配比设计
试验中固定胶砂比为1∶3,水灰比为0.68;石灰石、矿渣和粉煤灰3 种掺合料替代水泥的质量百分比分别为0、10%、20%、30%、40%和50%;改性膨润土、纤维素醚和乳胶粉3 种外加剂的掺量分别占胶凝材料掺量的6%、0.2%和2%。
2.2 矿物掺合料对砂浆流动度和保水率的影响
纤维素醚和膨润土能够显著的提高砂浆保水性能,当纤维素醚掺量达到0.35%时,砂浆保水率达到99%[4],因此,本文首先探讨在不掺纤维素醚、乳胶粉和膨润土这3 种外加剂的条件下,砂浆流动度和保水性随矿物掺合料掺量变化的规律,并将其与掺外加剂的砂浆流动度和保水性的变化规律进行对比,探讨两者之间的差异。图2 和图3 分别是在有外加剂和没有外加剂作用下,砂浆流动度随掺合料掺量的变化情况。

图2 未掺外加剂时掺合料对干粉砂浆流动度的影响

图3 掺外加剂后掺合料对干粉砂浆流动度的影响
由图2 和图3 比较发现,两者变化规律基本相似。就粉煤灰而言,当粉煤灰掺量小于30%时,砂浆流动度随其掺量增加而加大;当粉煤灰掺量超过30%时,砂浆流动度则有所降低。其原因是:一方面,粉煤灰颗粒为圆珠状,起着滚珠作用,从而提高砂浆流动性[5],因此,砂浆流动度提高;另一方面,由于粉煤灰颗粒粒径较小,比表面积较大,当其掺量较大时,如大于30%,表面润湿需水量的增加超过了其形貌的减水作用,同时,粉煤灰密度较水泥的小,等质量取代水泥后粉体体积量增大,因而需水量增加。矿渣略能提高砂浆流动度,但提高幅度不大。其原因是:一方面矿渣能减少水泥初期水化产物的互相搭接,在水泥水化初期,矿渣颗粒分散并包裹在水泥颗粒的表面,对水泥水化产物的搭接有隔离作用,从而起到增加水泥砂浆流动度的作用[6];另一方面,矿渣为多棱角状,在浆体中不能象粉煤灰颗粒一样起到“轴承滚珠”的作用,因此,流动度提高不明显。石灰石在一定程度上使得砂浆的流动度降低。这可能是由于所使用的石灰石粉粒径较小,比表面积较大,故表面润湿需水量较大。
图4 和图5 分别为未掺外加剂和有外加剂作用下砂浆保水率的变化。

比较图4 和图5 可以发现,保水率的变化规律基本趋于一致,但未掺加外加剂的砂浆保水率变化幅度更为显著。随着石灰石掺量的增加,砂浆的保水性略有提高,在没有外加剂作用下,砂浆保水率由86.7%(基准样)提高到89.8%,效果较为显著。而在外加剂作用下,保水率仅由98.5%(基准样)提高到98.7%。但粉煤灰和矿渣略降低砂浆的保水率。石灰石能够提高砂浆保水率的原因可能是由于石灰石微细颗粒较多,且比表面积较大,填充水泥絮凝结构中的孔隙,可以明显改善水泥的颗粒群分布,使水泥颗粒空隙率降低,增加水泥浆体的密实度[7],从而提高砂浆保水性。而在具有强保水性能的外加剂(纤维素醚和膨润土)作用下,石灰石粉对提高保水性能的效应则不很明显。粉煤灰和矿渣略降低砂浆的保水性可能是由于掺加粉煤灰和矿渣的浆体在静置时, 由于重力作用,水泥颗粒沉降,原处于浆体结构内部的部分自由水上升集于浆体表面, 形成泌水,并且在搅拌过程持续上浮, 进而造成浆体的不均匀和失去连续性。随矿渣和粉煤灰取代水泥量的增加, 浆体中自由水量呈增大趋势,浆体的泌水量也就随之增大,保水率因此下降。

2.3 矿物掺合料对干粉砂浆力学性能的影响
2.3.1 石灰石、矿渣和粉煤灰对干粉砂浆抗压和抗折强度的影响
石灰石、矿渣和粉煤灰3 种掺合料对干粉砂浆的抗压和抗折强度的影响,见图6、图7。

图6 掺合料对干粉砂浆抗压强度的影响

图7 掺合料对干粉砂浆抗折强度的影响
由图6 和图7 可以看出,3 种掺合料均在一定程度上降低了砂浆的抗压和抗折强度。随着石灰石掺量的增加, 后期强度降低尤为明显,当石灰石粉和粉煤灰的掺量达到50%时,其28 d 抗压强度下降分别达到62.3%和52.6%;28 d 抗折强度下降分别达48.7%和38.1%;而矿渣会大幅度降低砂浆的早期强度(3 d 和7 d),但28 d 抗压强度与基准样(0 号)基本持平,抗折强度相比却下降4.0%。3 种掺合料对砂浆抗压和抗折强度下降的影响顺序为石灰石>粉煤灰>矿渣。
掺合料对砂浆压折比的影响见图8。折压比反映了砂浆的柔性,折压比越高,砂浆塑性和韧性越好[8]。图8 掺合料对干粉砂浆折压比的影响由图8 可以看出,石灰石和粉煤灰均能在一定程度上提高砂浆的折压比,掺量在50%时,砂浆硬化体的折压比分别提高36.2%和30.9%;而矿渣会小幅降低砂浆的折压比,掺量达到50%时,折压比下降6.4%。因此,掺加石灰石的砂浆韧性最好,粉煤灰居中,矿渣最差。

2.3.2 石灰石、矿渣和粉煤灰对砂浆的粘结拉力和劈裂强度的影响(见图9)

图9 掺合料对干粉砂浆劈裂强度的影响
由图9 可以看出,砂浆的劈裂强度随着矿物掺合料掺量的增加呈下降趋势,当石灰石、矿渣和粉煤灰掺量达到50%时,砂浆的劈裂强度分别下降70.8%、7.5%和36.1%。劈裂强度反应砂浆本身粘结力大小,随着掺合料掺量的增加,砂浆劈裂强度下降,即砂浆自身的粘结拉力下降。粘结拉力反应的是砂浆与其它材料(如墙体)的粘结力情况,与墙面的开裂和空鼓有着直接的联系,是干粉砂浆一个重要性能。干粉砂浆的粘结拉力试验分别采用加气混凝土砌块(A)和砂浆砌块(B)2 种不同材料作为基底,探讨其在不同基材上粘结拉力的变化情况。3 种掺合料对砂浆粘结拉力的影
响见图10。

图10 掺合料对干粉砂浆粘结强度的影响
由图10 可以看出,干粉砂浆与B 的粘结拉力比与A 的粘结拉力大。以没有掺矿物掺合料的基准样(0 号)为例,干粉砂浆与A 和B 的28 d 的粘结拉力分别为0.34 MPa 和0.58 MPa,强度的差异可能是由于一方面加气混凝土砌块(A)的吸水性较强,吸走砂浆中的部分水分,使得砂浆中没有足够的水分继续进行水化反应,降低砂浆与A 粘结拉力强度;另一方面可能由于A 表面较为光滑平整,在其表面挂浆难度较大,因此,与干粉砂浆的粘结力相对较弱。随着矿物掺合料掺量的增加,干粉砂浆的粘结拉力均呈下降趋势,石灰石、矿渣和粉煤灰掺量达到50%时砂浆与B 的粘结拉力分别下降44.83%、13.79%和32.76%;与A 的粘结拉力分别下降38.24%、8.82%和20.59%。在3 种矿物掺合料中,石灰石试样的粘结拉力下降的幅度最大,粉煤灰次之,而矿渣最小。

由上述试验结果及分析可以看出,随着石灰石、矿渣和粉煤灰3 种掺合料掺量的增加,砂浆的28 d 力学性能均有不同程度下降,主要是由于掺合料的活性不如水泥,在较短的龄期内(28 d)未能与水泥浆体中CH 反应产生足够的后期强度,提高砂浆的力学性能。而随着龄期(90 d 后)的增长,掺合料反应程度的提高,砂浆的力学性能也会随之慢慢提高[9]。另一方面,石灰石能够提高砂浆的保水性,维持浆体中有足够的水分进行后期水化反应,减少砂浆的干缩开裂和空鼓,提高砂浆的耐久性。综合考虑选用石灰石和矿渣作为干粉砂浆的掺合料能够降低干粉砂浆的生产成本,提高砂浆的保水性和柔韧性,并在一定程度上提高砂浆后期(90d 后)力学性能[9]。

2.3.3 砂浆抗折强度与劈裂强度的关系
劈裂强度是干粉砂浆的一个重要性能指标,但劈裂试验过程比较复杂,而砂浆的抗折试验相对较简单,通过试验建立两者之间的关系式,只测试试样的抗折强度即可推算出其劈裂强度。抗折强度与劈裂强度的关系按模型Y=aXn[10]建立,其中Y 为抗折强度,X 为劈裂强度。通过图7 和图9 中抗折强度和劈裂强度数据进行回归分析,得出抗折强度与劈裂强度之间的关系式如表3 所示。
表3 不同掺合料的砂浆抗折强度与劈裂强度的关系式

2.3.4 矿物掺合料对干粉砂浆孔结构的影响
本试验探讨石灰石、矿渣和粉煤灰3 种掺合料分别对干粉砂浆孔隙率及孔体积的影响,对砂浆28 d 硬化体进行压汞试验,结果如表4 所示。其中0 号为标准样,CA- 2 和CA- 5 分别代表石灰石替代水泥质量为20%和50%的试样,同样,SG-2 和SG- 5 分别代表矿渣替代量为20%和50%的试样,FA- 2和FA- 5 代表粉煤灰替代量为20%和50%的试样。
表4 掺合料对砂浆总孔隙率的影响

由表4 可以看出,随着掺合料替代量的增加,砂浆的孔隙率也随着增加。基准样(0 号)的孔隙率为11.6%,当石灰石掺量达到50%(CA- 5)时,砂浆孔隙率增加10.2%;当矿渣掺量为50%(SG- 5)时,砂浆孔隙率增加7.7%;当粉煤灰掺量达到50%(FA- 5)时,砂浆孔隙率增加1.3%。Mehta 教授指出孔径d<20 nm 为无害孔;d 在20~50 nm为少害孔;d 在50~100 nm 为有害孔;d>100 nm 为多害孔[12]。砂浆硬化体中孔径d>100 nm 的孔对砂浆的强度有较大的危害,当掺合料掺量为50%时,石灰石和粉煤灰砂浆中d>100nm 多害孔的总量分别增加24.0%和0.3%,而矿渣则减少6.5%。因此在28 d 龄期时,矿渣能够在一定程度上减少砂浆中多害孔的数量,使多害孔向少害孔和无害孔转变,优化砂浆中孔结构的分布;粉煤灰和石灰石则在一定程度上增加砂浆中多害孔的数量。砂浆孔隙率及有害孔变化趋势的原因可能是由于一方面掺合料的细度不够,微细颗粒较少,微集料填充效应不明显。另一方面由砂浆28 d 力学性能结果可以看出,石灰石和粉煤灰与矿渣相比活性较低,且反应龄期较短,掺合料反应程度较低,仅生成少量的C—S—H 凝胶填充孔隙,使得砂浆强度低且结构疏松,从而提高砂浆孔隙率。
本文对纤维素醚、乳胶粉和膨润土作用下干粉砂浆的工作性能、力学性能和孔结构的变化规律进行探讨,并且与文献[9]、[11- 13]掺合料对普通砂浆影响规律相对比,发现掺合料对干粉砂浆的性能和孔结构的影响趋势与普通砂浆基本相同,但对其性能和孔隙率的影响幅度有所不同,这对指导矿物掺合料在干粉砂浆中的有效、高效应用具有一定的意义。

3 结论
(1)通过掺合料对干粉砂浆和普通砂浆的流动度和保水率影响规律对比试验发现,两者的变化规律基本相似。随着粉煤灰掺量的增加,砂浆的流动度先增加后减小;矿渣能略提高砂浆的流动度;石灰石粉降低砂浆流动度。同时,石灰石粉能够提高砂浆的保水率,而矿渣和粉煤灰略降低砂浆的保水率。
(2)随着石灰石、粉煤灰和矿渣3 种掺合料掺量的增加,干粉砂浆的抗压和抗折强度、粘结强度和劈裂强度均呈下降趋势,影响的顺序为石灰石>粉煤灰>矿渣。
(3)与空白样相比,内掺有水泥质量50%的石灰石、矿渣和粉煤灰时,28 d 砂浆硬化体的总孔隙率分别增加10.2%、7.7%和1.3%。石灰石和粉煤灰替代水泥量为50%的干粉砂浆28 d 硬化体中孔径d>100 nm 的多害孔总量分别增加24.0%和0.3%,而矿渣则减少6.5%。
(4)通过掺合料对干粉砂浆的工作性能、力学性能和孔结构的影响规律与普通砂浆相对比,发现掺合料对干粉砂浆的性能和孔结构的影响趋势与普通砂浆基本相同,但对其性能和孔隙率的影响幅度有所不同。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注