摻加水泥對地質聚合物砂漿性能的影響研究

陳金梅 高明 謝政專 黎碧云

摘要：文章探究了摻加普通硅酸鹽水泥對粉煤灰-礦渣基地質聚合物砂漿性能的影響。結果表明：（1）隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，地聚物砂漿擴展度呈現先變小后變大又保持不變，最后變小的規律，當水泥摻量為2%和3%時，地聚物砂漿擴展度相同，均為210 mm;（2）隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗折強度變大，地聚物砂漿28 d抗壓強度呈現先變大后變小的規律，當水泥摻量為4%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強度，為5.1 MPa，當水泥摻量為3%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗壓強度，為38.3 MPa;（3）綜合地聚物砂漿的擴展度、3 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優。

關鍵詞：粉煤灰;礦粉;地質聚合物;水泥;擴展度;強度

0 引言

水泥生產需要經過“兩磨一燒”的工藝步驟，需要消耗天然資源，產生大量污染物，對人類生存環境產生極大的影響。地質聚合物是由激發劑激發活性質材料生成的膠結材料，其性能的影響因素很多，例如水玻璃模數、水膠比、Si/Al等[1-3]。原材料不同，制備出的地質聚合物性能不同。研究表明，在體系中加入礦渣可以縮短凝結時間，提高強度[4-7]。尚建麗[8]以礦渣和粉煤灰為原料制備地質聚合物，礦渣/粉煤灰比例分別為2、1和0.5，發現隨著礦渣摻量增大，地質聚合物強度增加。賈屹海[9]研究粉煤灰/礦渣基地質聚合物，發現當礦渣/粉煤灰>1∶9時，地質聚合物7 d強抗壓強度達到80.7 MPa，28 d抗壓強度達到103.1 MPa。但Nath[10]等研究發現礦渣只能在一定范圍內增加地質聚合物強度，當礦渣摻量超過膠凝材料總量的40%時，地質聚合物強度反而下降。同時，礦渣的加入也會縮短地質聚合物反應的時間[11]。本文以水泥作為外摻劑，以粉煤灰和礦粉為膠凝材料，天然河砂為骨料，水泥分別占到膠材質量的0、1%、2%、3%、4%，制備地質聚合物，探究水泥對地質聚合物砂漿性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

采用華新水泥廠生產的42.5#普通硅酸鹽水泥，比表面積為4 320 cm2/g，物理性能見表1，化學成分見表2。普通Ⅱ級粉煤灰（Ⅱ FA）和礦渣（BFS）的化學組成見表2。

1.2 試驗配比

本實驗中，FA/BFS配比按照5∶5，模數統一為1.4，水膠比為0.5。具體配合比見表3。

1.3 試驗方法

將粉煤灰、礦粉、砂子和水泥預先混合作為固體組分，硅酸鈉和NaOH溶液混合作為液體組分，NaOH溶液用于調節水玻璃模數，將固體組分和液體組分混合攪拌90 s后，澆筑入模（4 cm×4 cm×16 cm）成型，在室溫下養護1 d后，拆模放入標準養護室養護至3 d測試強度，砂漿擴展度和強度分別參照《水泥膠砂流動度試驗方法》（GB/T2419-2005）和《水泥膠砂強度試驗方法》（GB/T17671-1999）進行。綜合考慮砂漿擴展度和強度，選用較優配比進行微觀表征。

2 結果與討論

2.1 砂漿擴展度和強度試驗結果

根據表4試驗結果繪制出不同水泥摻量下地聚物砂漿擴展度、砂漿抗折強度以及砂漿抗壓強度，如圖1、圖2所示。

圖1是不同配合比砂漿的擴展度圖。由圖可知，對于上述不同水泥摻量，地聚物砂漿擴展度呈現先變小后變大又保持不變，最后變小的規律。水泥摻量為0時，地聚物砂漿擴展度最大，為220 mm;水泥摻量為2%時，地聚物砂漿擴展度開始變小，為205 mm;水泥摻量為3%～4%時，地聚物砂漿擴展度變大并且具有相同擴展度，為215 mm;水泥摻量為4%時，地聚物砂漿擴展度最小，為190 mm。綜上，水泥摻量在0～4%范圍時，地聚物砂漿擴展度在190～220 mm范圍，最大擴展度與最小擴展度相差30 mm。

圖2為不同水泥摻量下地聚物砂漿的28 d抗折強度和抗壓強度圖。由圖2（a）可知，地聚物砂漿28 d抗折強度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。對于圖2（a），當水泥摻量為4%時，地聚物砂漿28 d具有最大抗折強度，為5.1 MPa;未摻水泥時，地聚物砂漿28 d抗折強度最小，為3.0 MPa。對于圖2（b），水泥摻量增加，地聚物砂漿28 d抗壓強度呈現先變大后變小的規律，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時，地聚物砂漿28 d抗壓強度最小為29.4 MPa，最大抗壓強度與最小抗壓強度兩者相差8.9 MPa。水泥摻量為4%時，地聚物28 d抗壓強度小于水泥摻量為3%時地聚物砂漿的28 d抗壓強度。綜合地聚物砂漿的擴展度、28 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優。

2.2 配比4號地聚物砂漿的掃描電鏡圖分析及礦物分析

圖3為水泥摻量為3%時（配比4號）的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，樣品基體生成相比較明顯，整體結構致密，說明內部有大量無定形地質聚合物凝膠相生成，水泥的加入可以和礦渣同時為體系提供大量Ca2+，加速反應的進行，生成大量“C-S-H”以及“C-A-S-H”無定型凝膠產物，對整個體系強度也起到了增強作用[12-13]，同時基體中有少量裂縫出現，推測原因可能是摻加礦渣，前期水化熱變大，水化速率加快導致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

2.3 XRD

圖4為用X射線測定的水泥摻量為3%時（配比4號）的礦物分析圖。從圖中可以看出，其在20o～40o范圍有明顯的峰包出現，說明此時有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”無定形凝膠產物生成，進一步驗證了掃描電鏡圖中觀察到大量無定形地質聚合物凝膠相的現象。水泥和礦渣為整個體系提供了大量的Ca2+，還可看出有“C-S-H”凝膠產物和Ca（OH）2晶體的形成，“C-S-H”的形成能促進體系中Si和Al的溶出，加速地聚反應的進行，生成大量的“N-A-S-H”，使基體結構更致密[14]。Ca2+對地質聚合物早期強度的提高起到了至關重要的作用。圖4中沸石相的出現可能是由“N-A-S-H”轉化生成。

3 結語

（1）從砂漿擴展度可以得出，隨著水泥摻量增加，地聚物砂漿擴展度呈現先變小后變大又保持不變，最后變小的規律。水泥摻量在0～4%范圍時，地聚物砂漿擴展度在190～220 mm范圍，最大擴展度與最小擴展度相差30 mm。

（2）從砂漿強度可以得出地聚物砂漿28 d抗折強度隨水泥摻量增加而增大，28 d抗壓強度均隨水泥摻量的增加，先變大后變小。水泥摻量為3%時，地聚物砂漿具有28 d最大抗壓強度，為38.3 MPa;水泥摻量為0時，地聚物砂漿28 d抗壓強度最小為29.4 MPa，最大抗壓強度與最小抗壓強度兩者相差8.9 MPa。綜合地聚物砂漿的擴展度、3 d抗折和抗壓強度，水泥摻量為3%時，地聚物砂漿性能最優。

（3）通過X射線衍射圖譜和掃描電鏡觀察可得試塊基體結構較為密實，有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”凝膠生成，但同時出現了裂縫，推測原因可能是摻加礦渣，水化速率加快。同時水化熱變大導致溫度升高，漿體失水速率加快，干縮形成裂縫。

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