硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿性能的研究

王廣凱，劉梁友，馮恩娟，張　偉

(1. 臨沂大學(xué)建筑學(xué)院，臨沂　276005;2.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南　250022；3.山東宏藝科技股份有限公司，臨沂　276034)

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硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿性能的研究

王廣凱1，劉梁友2，馮恩娟3，張偉1

(1. 臨沂大學(xué)建筑學(xué)院，臨沂276005;2.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250022；3.山東宏藝科技股份有限公司，臨沂276034)

本文研究了粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉三種礦物摻合料分別與硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻，對(duì)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度和收縮率等性能的影響，并借助X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)對(duì)不同膠凝體系進(jìn)行微觀測(cè)試分析。結(jié)果表明：粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉參與膠凝體系水化的程度有限，主要起填充密實(shí)、調(diào)節(jié)砂漿強(qiáng)度等級(jí)的作用；同時(shí)通過改變摻合料的摻量，可以制備適應(yīng)不同工程要求的自流平砂漿。

硫鋁酸鹽水泥； 摻合料； 流動(dòng)度； 自流平砂漿； 強(qiáng)度

1　引　言

硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿是一種理想的水硬性無機(jī)膠凝材料，其主要原料為硫鋁酸鹽水泥、摻合料、細(xì)骨料、填料及各種添加劑。硫鋁酸鹽水泥基砂漿的流平性好、施工速度快、工期短等技術(shù)特性，可以充分發(fā)揮該產(chǎn)品在市政、交通、能源、水利、煤礦、機(jī)場(chǎng)等行業(yè)中的搶險(xiǎn)救災(zāi)，堵漏止水，戰(zhàn)時(shí)修補(bǔ)機(jī)場(chǎng)路面跑道等特殊作用[1-3]。

硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿因其突出的施工和使用性能，目前在我國(guó)工程領(lǐng)域普及推廣勢(shì)頭迅猛[4]。但硫鋁酸鹽水泥價(jià)格比普通硅酸鹽水泥偏高，如果利用礦物摻合料替代部分硫鋁酸鹽水泥作膠凝材料，不僅可以降低成本，取得更高效益，還可以提高固體廢棄物的資源利用率，到達(dá)節(jié)能減排的效果[5-7]。

本文研究了粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉三種礦物摻合料等量取代硫鋁酸鹽水泥，對(duì)自流平砂漿凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、收縮率及強(qiáng)度的影響，并對(duì)相應(yīng)試樣進(jìn)行XRD、SEM微觀分析，從而為實(shí)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

2.1.1硫鋁酸鹽水泥

試驗(yàn)用42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥由曲阜中聯(lián)特種水泥有限公司提供，其物理性能見表1。

表1　42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥基本物理性能

2.1.2礦物摻合料

(1)礦渣微粉：臨沂沂德礦渣微粉有限公司，比表面積412 m2/kg，S95級(jí)，以下簡(jiǎn)稱礦粉。

(2)粉煤灰：山東費(fèi)縣發(fā)電有限責(zé)任公司，二級(jí)灰，比表面積478 m2/kg。

(3)石灰石粉：臨沂市宏原鈣業(yè)有限公司，325目。

2.1.3減水劑

試驗(yàn)用減水劑為山東昌樂縣萬山減水劑廠生產(chǎn)的粉體萘系高效減水劑，摻加1.2%時(shí)減水率為25%。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)選用粉煤灰、礦粉、石灰石粉分別等量替代硫鋁酸鹽水泥，研究不同礦物摻合料對(duì)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿性能的影響。試驗(yàn)按照J(rèn)C/T 985-2005 《地面用水泥基自流平砂漿》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行；凝結(jié)時(shí)間按照GB/T 1346進(jìn)行；利用CA砂漿擴(kuò)展度儀，型號(hào)規(guī)格：φ50×150×φ100，測(cè)定自流平砂漿的流動(dòng)度；自流平砂漿干縮試驗(yàn)采用25 mm×25 mm×280 mm模具，每個(gè)配比一組，每組三塊，試塊成型后養(yǎng)護(hù)24 h拆模，用BY-280型比長(zhǎng)儀測(cè)量試塊初始長(zhǎng)度，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、21 d、28 d，分別測(cè)試試塊長(zhǎng)度；自流平砂漿試件成型、強(qiáng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671；對(duì)不同復(fù)合膠凝體系試樣進(jìn)行XRD、SEM分析。具體試驗(yàn)配比見表2。

表2　硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿的組成及配比

3　結(jié)果與討論

3.1礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿凝結(jié)時(shí)間影響的規(guī)律，本節(jié)設(shè)計(jì)如下方案：粉煤灰、礦粉、石灰石粉分別替代硫鋁酸鹽水泥0%、20%、30%、40%、50%，水膠比為0.3，減水劑摻量為膠凝材料用量的1.2%，采用凈漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀測(cè)試初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，結(jié)果見圖1。

圖1　摻合料摻加量對(duì)自流平砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.1　Influence of mineral admixture on self-leveling mortar setting time

由圖1可以看出，隨著粉煤灰、礦粉、石灰石粉取代硫鋁酸鹽水泥量的增加，水泥凈漿初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都逐漸增大，并且三種礦物摻合料對(duì)水泥凈漿的緩凝效果各不相同，總體來說：石灰石粉>粉煤灰>礦粉。這主要是因?yàn)槿N礦物摻合料的活性遠(yuǎn)小于硫鋁酸鹽水泥，隨著取代硫鋁酸鹽水泥量的增加會(huì)大幅度降低水泥基漿體中鈣礬石和C-S-H凝膠的數(shù)量，同時(shí)水泥基漿體形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的速率也減慢，水化產(chǎn)物交聯(lián)作用減弱。因此，可通過改變礦物摻合料的摻加量，來調(diào)節(jié)自流平砂漿的凝結(jié)時(shí)間。

3.2礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿流動(dòng)度的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿初始流動(dòng)度和15 min流動(dòng)度影響的規(guī)律，按照表2進(jìn)行試驗(yàn)，粉煤灰、礦粉、石灰石粉分別替代硫鋁酸鹽水泥0%、20%、30%、40%、50%，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2　摻合料摻加量對(duì)砂漿初始流動(dòng)度的影響Fig.2　Influence of admixture on mortar initial fluidity

圖3　摻合料摻加量對(duì)砂漿15 min流動(dòng)度的影響Fig.3　Influence of admixture on mortar 15 min fluidity

由圖2和圖3可以看出，粉煤灰、礦粉、石灰石粉對(duì)自流平砂漿流動(dòng)度的影響各不相同：對(duì)于初始流動(dòng)度，粉煤灰調(diào)節(jié)自流平砂漿流動(dòng)度的效果最好；對(duì)于15 min流動(dòng)度，摻加石灰石粉的自流平砂漿的流動(dòng)度趕上甚至超過了摻加粉煤灰的自流平砂漿的流動(dòng)度，流動(dòng)度損失最小。總體來說，隨著礦物摻合料摻量的增加，自流平砂漿的流動(dòng)度都逐漸增大。這是由于相同水膠比下，隨著摻合料的增多和硫鋁酸鹽水泥含量的減少，有效水灰比變大，自流平砂漿中釋放的自由水含量變大；粉煤灰顆粒中的玻璃微珠對(duì)自流平砂漿起到潤(rùn)滑作用，而礦粉顆粒不規(guī)則且對(duì)水泥基漿體具有粘滯作用，對(duì)于自流平砂漿初始流動(dòng)度改善作用明顯小于粉煤灰；石灰石粉較粉煤灰和礦粉活性更低且需水量小，早期幾乎不參與硫鋁酸鹽水泥的水化，其主要起填充作用，因此摻加石灰石粉的自流平砂漿流動(dòng)度損失最小。

3.3礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿抗壓強(qiáng)度影響的規(guī)律，按照表2進(jìn)行試驗(yàn)，粉煤灰、礦粉、石灰石粉分別替代硫鋁酸鹽水泥0%、20%、30%、40%、50%，結(jié)果見圖4。

圖4　摻合料摻加量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4　Influence of admixture on mortar compressive strength

由圖4可以看出，自流平砂漿1 d、3 d、28 d抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰、礦粉及石灰石粉摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)摻量為40%時(shí)，摻加礦粉的自流平砂漿1 d、3 d、28 d強(qiáng)度分別為22.4 MPa、32.5 MPa、40.7 MPa，達(dá)到水泥基自流平砂漿C35強(qiáng)度等級(jí)；摻加粉煤灰和石灰石粉的自流平砂漿28 d強(qiáng)度分別為36.4 MPa和35.1 MPa，達(dá)到水泥基自流平砂漿C30強(qiáng)度等級(jí)；當(dāng)摻量為50%時(shí)，摻加礦物摻合料的自流平砂漿強(qiáng)度顯著下降。這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥的水化產(chǎn)物主要是鈣礬石、鋁膠及C-S-H，決定自流平砂漿強(qiáng)度的主要因素是有效水灰比，礦粉顆粒表面粗糙及其特殊的粘滯作用而改善了水泥基砂漿漿體材料的勻質(zhì)性，因此摻加礦粉的自流平砂漿強(qiáng)度稍高；隨著三種礦物摻合料摻量的增加，膠凝材料體系中硫鋁酸鹽水泥含量同步減少，三種礦物摻合料由于沒有CH的激發(fā)效應(yīng)，其潛在的活性難以發(fā)揮，從而導(dǎo)致自流平砂漿強(qiáng)度顯著降低[8,9]。綜上，粉煤灰、礦粉、石灰石粉在自流平砂漿中參與水泥水化的程度有限，主要起填充密實(shí)、調(diào)節(jié)砂漿強(qiáng)度等級(jí)的作用，因此可通過改變摻合料的摻量，制備適應(yīng)不同強(qiáng)度等級(jí)要求的自流平砂漿。

3.4礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿收縮率的影響

收縮率是自流平砂漿的主要指標(biāo)之一，收縮率大則砂漿漿體易開裂，嚴(yán)重時(shí)可影響結(jié)構(gòu)的耐久性。為此就粉煤灰、礦粉、石灰石粉三種礦物摻合料對(duì)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿收縮率的影響展開研究，粉煤灰、礦粉、石灰石粉分別替代50%硫鋁酸鹽水泥，固定各組自流平砂漿流動(dòng)度為330 mm，水膠比為0.3，膠砂比為0.67，結(jié)果見表3。

表3　礦物摻合料對(duì)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿收縮率的影響

由表3可知，在固定各組自流平砂漿流動(dòng)度相同的前提下，各組自流平砂漿收縮率各不相同：摻加50%礦粉的自流平砂漿收縮率最大，與空白組收縮率相當(dāng)；摻加50%粉煤灰和50%石灰石粉的自流平砂漿收縮率都低于空白組，其中摻加50%粉煤灰的自流平砂漿收縮率最低。隨著齡期的增長(zhǎng)，收縮率都逐漸增大，到28 d水化齡期時(shí)，收縮率基本趨于穩(wěn)定，各組收縮率都遠(yuǎn)低于JC/T 985-2005中收縮率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

3.5礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿體系水化的影響

為了分析不同礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對(duì)自流平砂漿膠凝材料體系水化活性的影響，選擇粉煤灰

礦粉、石灰石粉分別替代50%硫鋁酸鹽水泥，水膠比為0.3，減水劑摻量為膠凝材料用量的1.2%，制備凈漿試樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、28 d，分別進(jìn)行X-射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)微觀分析。

3.5.1XRD分析

圖5和圖6分別為摻加50%礦物摻合料制備的水泥基復(fù)合膠凝材料凈漿3 d、28 d的XRD圖譜。

從圖5和圖6可以看出，未摻加礦物摻合料的空白試樣，其水化礦物主要是AFt、CaCO3和C2S，其中圖5中含有少量無水硫鋁酸鈣。此外，C-S-H凝膠也是一種水化產(chǎn)物，但其結(jié)晶不明顯，在XRD圖譜上衍射峰不明顯。摻加礦物摻合料的復(fù)合膠凝材料體系水化產(chǎn)物種類基本不變，但礦物相數(shù)量變化較大，AFt衍射峰強(qiáng)度低于未摻加礦物摻合料的空白試樣。其中摻加石灰石粉的復(fù)合膠凝材料的CaCO3衍射峰最明顯，這主要是由于石灰石粉中的CaCO3基本不參加反應(yīng)的緣故。同時(shí)，28 d XRD圖譜中已基本沒有無水硫鋁酸鈣衍射峰、C2S衍射峰強(qiáng)度顯著減少，說明水化已基本完成。另外，摻加石灰石粉的復(fù)合膠凝材料中CaCO3衍射峰沒有明顯變化，說明石灰石粉在復(fù)合膠凝材料體系中基本不參加反應(yīng)，只起填充密實(shí)作用。這與抗壓強(qiáng)度和SEM微觀分析結(jié)果相吻合。

圖5　水化3 d的XRD圖譜Fig.5　XRD patterns of on Hydration 3 d

圖6　水化28 d的XRD圖譜Fig.6　XRD patterns of on Hydration 28 d

3.5.2SEM分析

圖7和圖8分別為摻加50%礦物摻合料制備的水泥基復(fù)合膠凝材料凈漿3 d、28 d的SEM照片。

圖7　摻加50%礦物摻合料的水泥基復(fù)合膠凝材料凈漿3 d的SEM照片F(xiàn)ig.7　Cement based composite cementitious material with 50%mineral admixtures photo by 3 d SEM

圖8　摻加50%礦物摻合料的水泥基復(fù)合膠凝材料凈漿28 d的SEM照片F(xiàn)ig.8　Cement based composite cementitious material with 50%mineral admixtures photo by 28 d SEM

從圖7和圖8可以看出，空白組在水化3 d時(shí)，漿體有很明顯的水化現(xiàn)象，且有較多的細(xì)棒狀鈣礬石生成，但漿體內(nèi)部具有一定的空隙率，到水化28 d時(shí)，漿體已經(jīng)很致密，宏觀表現(xiàn)為水泥漿體強(qiáng)度大幅度增加。相比空白組，摻加50%礦物摻合料的試樣水化程度較低，水化產(chǎn)物遠(yuǎn)少于空白組，但孔隙率較空白組低，說明礦物摻合料主要起填充密實(shí)作用，參與水化反應(yīng)的程度有限。其中石灰石粉和粉煤灰起填充作用更明顯，基本不參與水化反應(yīng)，這與XRD和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相吻合。

4　結(jié)　論

(1)隨著粉煤灰、礦粉、石灰石粉取代硫鋁酸鹽水泥量的增加，水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間都逐漸增大，調(diào)凝效果依次為石灰石粉>粉煤灰>礦粉;

(2)在水膠比相同的前提下，三種礦物摻合料都能增大硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿的流動(dòng)度，其中粉煤灰效果最明顯，摻加石灰石粉的自流平砂漿流動(dòng)度損失最小;

(3)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰、礦粉及石灰石粉摻量的增加而逐漸降低；當(dāng)摻量為40%時(shí)，摻加礦粉的自流平砂漿28 d強(qiáng)度為40.7 MPa，達(dá)到C35強(qiáng)度等級(jí)；摻加粉煤灰和石灰石粉的自流平砂漿28 d強(qiáng)度分別為36.4 MPa和35.1 MPa，達(dá)到C30強(qiáng)度等級(jí);

(4)在固定自流平砂漿流動(dòng)度相同的前提下，摻加粉煤灰、礦粉、石灰石粉的各組試樣收縮率都遠(yuǎn)低于JC/T 985-2005中收縮率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且收縮效果依次為礦粉>石灰石粉>粉煤灰;

(5)粉煤灰、礦粉、石灰石粉參與硫鋁酸鹽水泥水化的程度有限，它們主要起填充密實(shí)、調(diào)節(jié)砂漿強(qiáng)度等級(jí)的作用。

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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

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目支持(201410452045)

王廣凱(1993-)，男.主要從事土木工程專業(yè)方面的研究.

張偉，博士，副教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1912-06