水泥砂漿礦物摻和料的篩選及性能

謝 遷，陳小平，溫麗瑗，郎春燕

(1.廣東石油化工學院工業催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大學材料與化學化工學院，成都 610059)

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水泥砂漿礦物摻和料的篩選及性能

謝 遷1,2，陳小平1，溫麗瑗1，郎春燕2

(1.廣東石油化工學院工業催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大學材料與化學化工學院，成都 610059)

礦物摻和料被廣泛用于水泥砂漿的制備，但由于其成份、粒度、比表面等因素，致使礦物摻和料對水泥砂漿性能的改善產生一定差異。如何篩選出使水泥砂漿性能達到最佳的礦物摻和料是制備高性能水泥砂漿的重要考慮因素。本文選取粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣、偏高嶺土5種物質作為水泥砂漿礦物摻和料，通過對其水膠比、保水率、凝結時間、抗壓強度、收縮率等性能進行綜合對比篩選，并采取掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射(XRD)對其水化產物形貌進行微觀表征。結果表明：鋼渣與礦渣更適合作為砂漿礦物摻和料，當其摻量分別為30%和40%，對砂漿改性效果較佳。

水泥砂漿； 礦物摻和料； 性能； 篩選

1 引 言

近年來高性能水泥砂漿的快速發展帶動了礦物摻和料的應用，由于礦物摻和料含有大量SiO2、Al2O3等活性成份，在常溫下能與水泥水化產物發生“火山灰效應”以及自身兼有的“顆粒形態效應”、“微集填料效應”，將其代替膠凝材料而摻入砂漿，對砂漿和易性、力學性能、耐久性能等發展具有較好的優勢[1,2]。因此，礦物摻和料成為發展高性能水泥砂漿過程中不可缺少的成份，目前用于砂漿的礦物摻和料主要源于工業固體廢棄物及天然礦物，如粉煤灰[3]、鋼渣[4]、礦渣[5]、煤渣[6]、偏高嶺土[7]等，而各類礦物摻和料由于其自身因素(細度、比表面、化學成份等)的影響，對砂漿性能的改性效果存在一定差異。因此，開展水泥砂漿礦物摻和料的篩選工作，不僅為礦物摻和料應用于水泥砂漿提供理論性的依據及參考，還對發展高性能水泥基材料產業賦予優異的經濟及環境效益。

據文獻顯示，硅灰改性水泥基材料通常外摻形式引入砂漿[8]，而石灰石主要成分為碳酸鈣，在水化過程中表現為非火山灰效應[9]。因此，本文選取粉煤灰、礦渣、鋼渣、煤渣及偏高嶺土5種常用且具有火山灰活性的物質作為水泥砂漿礦物摻和料，根據砂漿的流動性能、保水性能、凝結時間、力學性能及收縮性能的變化規律以及其水化產物的微觀分析，對5種礦物摻和料進行綜合對比篩選研究。

2 實 驗

2.1 原材料

水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥；5種礦物摻和料：粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，由茂名某混凝土攪拌站提供，比表面為456 m2/kg；礦渣為茂名礦渣廠磨制，其比表面為442 m2/kg；鋼渣為北海某鋼廠磨細鋼渣粉，比表面為468 m2/kg；煤渣為茂名某煤炭廠排放，經磨細比表面為450 m2/kg；偏高嶺土為茂名本地資源，比表面為444 m2/kg；砂為細度模數為2.65左右的天然河中砂，化學外加劑：保水增稠劑(HPMC)、可再分散乳膠粉(EVA)、消泡劑、潔凈自來水。

2.2 實驗方法

砂漿膠砂比為1∶3，通過用水量調節漿體稠度為(100±2) mm(該方法更符合施工現場要求)；HPMC摻量為膠凝材料0.15%，EVA摻量為膠凝材料1.5%，消泡劑摻量為膠凝材料0.15%；礦物摻和料采用內摻法代替部分水泥作膠凝材料，每種礦物摻和料取代水泥的質量分數均為10%、20%、30%、40%、50%。砂漿制備過程采取先干混后濕拌，干混、濕攪時間均不低于3 min；各性能測試方法均參考JGJ 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》。

3 結果與討論

3.1 礦物摻合料對砂漿水膠比、保水性能、凝結時間影響

圖1通過水膠比的變化規律展示了各礦物摻和料對砂漿流動性能的影響規律，可看出粉煤灰、礦渣、鋼渣隨其摻量增加，水膠比下降，主要因為粉煤灰、礦渣、鋼渣由球狀顆粒的玻璃體構成，具有“顆粒形態效應”，在水泥顆粒間起到潤滑作用而提高砂漿流動性；對于偏高嶺土，砂漿水膠比略有增加趨勢，對流動性影響不明顯；而煤渣因其表面疏松多孔，具有一定吸水作用，導致砂漿水膠比上升，使流動性下降。上述分析可看出，鋼渣、礦渣、粉煤灰具有提高砂漿流動性作用，且粉煤灰>礦渣>鋼渣，偏高嶺土與煤渣使砂漿流動性降低，煤渣降低幅度較大。

圖1 5種礦物摻和料摻量對砂漿水膠比影響 Fig.1 Effect of five mineral admixtures content on mw/mb of mortar

圖2 5種礦物摻和料摻量對砂漿保水率影響 Fig.2 Effect of five mineral admixtures content on setting time of mortar

由圖2可看出，粉煤灰、鋼渣、礦渣、偏高嶺土有利于提高砂漿保水性能，主要是由于礦物摻合料粒徑小、比表面高，對水的吸附能力、漿體粘聚性、中斷漿體泌水通道的連續性具有促進作用，間接起到保水功能[1]，其中粉煤灰、鋼渣、偏高嶺土提高幅度相當，礦渣次之。而煤渣對砂漿保水性能具有負面影響，主要因為煤渣顆粒表面疏松多孔，形貌為斜四棱柱體，結晶度較差，其顆粒間儲存水分“空間”加大，致使砂漿泌水性不斷變大[10]。由此可判定該5種摻和料改善砂漿保水性能規律為：粉煤灰、鋼渣、偏高嶺土效果較好，礦渣次之，煤渣具有降低保水性能缺陷。

圖3 5種礦物摻和料摻量對砂漿凝結時間影響Fig.3 Effect of five mineral admixtures content on water-retention rate of mortar

圖3為5種礦物摻合料對砂漿凝結時間的影響，由于礦物摻和料顆粒填充于水泥顆粒之間而減小水泥與水之間接觸面積，并且其水化活性較水泥熟料要低，通常情況下礦物摻合料對水泥漿體具有緩凝效應。從圖3可看出，礦渣、粉煤灰緩凝作用較強；而鋼渣、煤渣在其摻量為30%之前，幾乎無緩凝效果，摻量大于30%之后，緩凝效果逐漸增加；而偏高嶺土同其它4種摻合料有較大差異，隨其摻量增加砂漿凝結時間逐漸縮短，主要是偏高嶺土具有較好分散性，對水泥顆粒溶解產生稀釋效應，同時其自身的大比表面積為水泥水化提供“晶核”，起到加速水化產物析出、沉淀作用[7]。通過分析可得到結論：粉煤灰與礦渣緩凝效果較強烈，鋼渣與煤渣緩凝效果較弱；而偏高嶺土對砂漿具有促凝作用，不利于施工。

3.2 礦物摻合料對砂漿力學性能影響

圖4 5種礦物摻和料摻量對砂漿7 d抗壓強度影響 Fig.4 Effect of five mineral admixtures content on 7 d compressive strength of mortar

圖5 5種礦物摻和料摻量對砂漿28 d抗壓強度影響 Fig.5 Effect of five mineral admixtures content on 28 d compressive strength of mortar

由圖4、圖5可知，部分礦物摻和料摻入對砂漿力學性能發展有利，主要是礦物摻和料中的活性組分同水泥水化產物發生火山灰反應生成的凝膠對砂漿力學強度具有貢獻作用[1]，但不同礦物摻合料對砂漿的7 d、28 d抗壓強度的發展具有一定差異。如粉煤灰拌制的砂漿7 d抗壓強度隨其摻量增加逐漸下降，28 d抗壓強度隨其摻量增加呈現先增加后降低趨勢，在摻量為10%時達最大，較空白試件提高8.3%。礦渣、偏高嶺土、鋼渣拌制的砂漿7 d、28 d抗壓強度發展規律較相似，都呈現先增加后降低趨勢，其7 d抗壓強度在各自摻量為40%、10%、30%時，較空白試件提高20.3%、14.3%、24.8%；28 d抗壓強度在各自摻量為40%、30%、30%時較空白試件提高26%、30.7%、22%。但煤渣拌制的砂漿7 d、28 d抗壓強度總體上隨其摻量增加出現不同層次下降，僅在摻量為10%時，7 d、28 d抗壓強度較空白提高3.7%、4.9%。由上述分析可知，粉煤灰、礦渣、偏高嶺土對砂漿抗壓強度表現為前期提升幅度低，后期提升幅度高；煤渣、鋼渣對砂漿抗壓強度表現為前后期提升幅度相當，但煤渣遠不如鋼渣。

通過對比各種摻和料對砂漿前后期抗壓強度的影響規律，可推斷出5種礦物摻和料的改善效果為：偏高嶺土與礦渣效果最好，鋼渣次之，粉煤灰與煤渣效果最差。

3.3 礦物摻和料對砂漿干縮性能影響

圖6～圖10展示了5種礦物摻和料對砂漿各齡期的收縮影響。

圖6 粉煤灰對砂漿收縮率的影響 Fig.6 Effect of fly-ash on drying shrinkage strain of cement mortar

圖7 鋼渣對砂漿收縮率的影響Fig.7 Effect of steel slag on drying shrinkage strain of cement morta

圖8 礦渣對砂漿收縮率的影響 Fig.8 Effect of blast-furnace slag on drying shrinkage strain of cement mortar

圖9 煤渣對砂漿收縮率的影響Fig.9 Effect of coal gangue on drying shrinkage strain of cement mortar

由圖6～圖10可知各礦物摻和料水泥砂漿干燥自收縮具有一定抑制，主要由于摻和料顆粒的“微集填料效應”及后期的“火山灰反應”產生的凝膠促使水泥石抵抗自收縮能力增強。由圖6、圖7、圖8、圖10可發現隨粉煤灰、鋼渣、礦渣、偏高嶺土各自摻量增加，砂漿收縮率不同層次下降，該4種礦物摻和料在摻量為50%時，砂漿干燥收縮率達最低，較空白試件分別降低16.6%、24.2%、29.1%、30.8%。圖9可發現隨煤渣摻量增加，砂漿干燥收縮率呈現先減小后增加趨勢，主要因為煤渣水化活性較低，僅通過顆粒填充效應不足以彌補大摻量下水泥水化的化學收縮及內部干燥導致的自收縮，在摻量為30%時，干縮率較空白僅降低19.1%。以上研究結果表明：偏高嶺土與礦渣對砂漿干燥收縮改善效果最好，鋼渣次之，粉煤灰較差，煤渣最差，尤其在大摻量煤渣對砂漿收縮具有負面影響。

4 微觀分析

由于礦物摻和料主要通過影響水泥水化進程、水化產物而改善砂漿力學性能及耐久性能，因此，將水泥凈漿及5種含30%的礦物摻和料-水泥漿體水化28 d試樣分別進行XRD與SEM表征，其分析結果如下：

4.1 XRD分析

圖10 偏高嶺土對砂漿收縮率的影響Fig.10 Effect of metakaolin on drying shrinkage strain of cement mortar

圖11 空白試件及5種礦物摻和料-水泥水化28 d XRD圖 Fig.11 XRD patterns of hydration products of blank specimen and five mineral admixtures and cement hydrated for 28 d

圖11為5種礦物摻和料-水泥漿體及空白漿體的28 d XRD圖譜，由圖譜可看出各礦物摻和料-水泥漿體的水化產物主要有Ca(OH)2、C3S(硅酸三鈣)、C2S(硅酸二鈣)及少量的AFt(鈣礬石)等，其中C3S、C2S等在一定程度形成C-S-H(凝膠)，可填充水泥石結構中的空隙，對水泥石的力學性能、耐久性能起到較好的改善(由于C-S-H為非晶型，在X射線衍射中無法觀察到)。通過對比各摻和料圖譜，可看出礦渣-水泥、偏高嶺土-水泥、鋼渣-水泥漿體試件相對空白試件的Ca(OH)2衍射峰明顯降低，C3S、C2S、C3A衍射峰明顯增強，可推斷礦渣、鋼渣、偏高嶺土中水化活性較強；同時礦渣C3S、C2S衍射峰強度高于偏高嶺土、鋼渣，說明礦渣活性優于鋼渣與偏高嶺土。其中礦渣與偏高嶺土主要是其內部的活性物質與水泥水化產物Ca(OH)2反應所致，而鋼渣-水泥只是在一定程度改變彼此的水化環境，從而促進二者的水化速率及水化程度[11]。對于粉煤灰-水泥、煤渣-水泥，其Ca(OH)2、C-S-H衍射峰均低于空白試件，表明粉煤灰、煤渣水化活性較低，隨膠凝材料的減少，水化產物生成量降低，同時通過衍射峰強度可看出粉煤灰活性高于煤渣。

4.2 SEM分析

圖12 空白試件及5種礦物摻和料-水泥水化28 d SEM圖(a)28 d水泥凈漿;(b)28 d粉煤灰-水泥; (c)28 d鋼渣-水泥;(d)28 d礦渣-水泥;(e)28 d煤渣-水泥;(f)28 d偏高嶺土-水泥 Fig.12 SEM images of hydration products of blank specimen and five mineral admixtures and cement hydrated for 28 d

由圖12a清晰可見，空白水泥凈漿28 d水化后形成的水化產物結構疏松，其中CH晶體呈現塊狀，同時也有部分C2S、C3S的水化產物C-S-H凝膠及鈣礬石交織于CH晶體塊狀層間、表面共同生長。圖12c、f分別顯示了鋼渣-水泥、偏高嶺土-水泥漿體28 d水化產物的微觀形貌圖，鋼渣、偏高嶺土塊狀CH晶體被大量團絮狀C-S-H凝膠顆粒連續覆蓋，其結構相對空白水泥凈漿顯得致密、穩定。圖12d顯示了礦渣-水泥漿體微觀形貌圖，大量無定型的C-S-H凝膠使在CH在晶體層表面呈板狀且光滑，同鋼渣、偏高嶺土相比，板狀結構顯得更致密、穩定。圖12b、f分別顯示了粉煤灰-水泥、煤渣-水泥漿體微觀形貌，可觀察出二者的表面塊狀CH晶體邊緣被少量C-S-H凝膠包裹，其菱角較光滑，其中粉煤灰-水泥漿體結構間仍存在間歇，顯得較疏松；而煤渣-水泥的CH晶體層間仍有大量清晰可見未水化的黑色煤矸石顆粒，主要是因為煤渣的礦物相由黏土礦物(蒙脫石、伊利石)、石英、方解石等較為穩定的結晶相組成，活性較差。

通過SEM與XRD微觀分析，可發現該5種礦物摻和料水化活性大小為：礦渣、偏高嶺土最好，鋼渣次之，粉煤灰較差，煤渣最差。

5 結 論

本文選取粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣、偏高嶺土5種物質作為水泥砂漿礦物摻和料，考察了其對砂漿流動性、保水率、凝結時間、抗壓強度、收縮率的影響，結論如下：

(1)對于砂漿流動性能改善，鋼渣、礦渣、粉煤灰具有提高作用，且鋼渣>礦渣>煤渣，偏高嶺土使砂漿流動性能略有降低，而煤渣使砂漿流動性大幅度降低。對于保水性能改善，粉煤灰、鋼渣、偏高嶺土改善效果較好，礦渣次之，煤渣具有降低保水性能缺陷。同時粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣對砂漿具有緩凝作用，其中粉煤灰、礦渣緩凝作用較強烈，鋼渣、煤渣緩凝作用較??；而偏高嶺土對砂漿具有促凝作用，不利于施工;

(2)5種礦物摻和料對砂漿7 d、28 d的抗壓強度發展均有不同層次貢獻，其結果為：鋼渣、偏高嶺土效果最好，礦渣稍次，粉煤灰與煤渣效果最差;

(3)5種礦物摻和料均有利于降低砂漿干燥收縮，其降低效果為：偏高嶺土與礦渣改善效果最好，鋼渣次之，粉煤灰較差，煤渣最差;

(4)通過XRD與SEM對5種礦物摻和料-水泥水化產物的衍射峰強度及形貌進行微觀分析，可判斷出該5種礦物摻和料的水化活性大小為：礦渣、偏高嶺土、鋼渣較好，粉煤灰次之，煤渣最差;

綜合考慮粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣、偏高嶺土5種礦物摻和料對砂漿各性能的改善及微觀結構的影響，可以篩選得出：鋼渣與礦渣更適合作為砂漿礦物摻和料，尤其在摻量分別為30%和40%，對砂漿改善效果較佳。

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Screening and Performance of Mineral Admixtures for Cement Mortar

XIEQian1,2，CHENXiao-ping1，WENLi-yuan1，LANGChun-yan2

(1.Institute of Industrial Catalysis,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China;2.College of Materials and Chemical Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Mineral admixtures is widely used in the preparation of cement mortar, how to choose mineral admixture which can make cement mortar performance achieve the best is an important consideration factor for prepare high performance cement mortar. Fly-ash, steel slag, blast furnace slag, coal cinder, metakaolin was selected as mineral admixtures of cement mortar in this paper, and the screening studies based on the water/cement ratio, water-retention, setting time, compressive strength and drying shrinkage strain of cement mortar were analyzed, and the morphology of hydrated products were characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The results show that: steel slag and blast furnace slag are more suitable for mortar mineral admixture, and the mortar modified effect is better when its content is 30% and 40%, respectively.

cement mortar；mineral admixtures；performance；selection

謝 遷(1988-)，男，碩士研究生.主要從事建筑材料的開發及研究.

陳小平，博士，研究員.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2665-06