謝 遷，陳小平，溫麗瑗，郎春燕

(1.廣東石油化工學(xué)院工業(yè)催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)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(xué)院工業(yè)催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)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(duì)水泥砂漿性能的改善產(chǎn)生一定差異。如何篩選出使水泥砂漿性能達(dá)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(zhì)作為水泥砂漿礦物摻和料，通過(guò)對(duì)其水膠比、保水率、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、收縮率等性能進(jìn)行綜合對(duì)比篩選，并采取掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射(XRD)對(duì)其水化產(chǎn)物形貌進(jìn)行微觀表征。結(jié)果表明：鋼渣與礦渣更適合作為砂漿礦物摻和料，當(dāng)其摻量分別為30%和40%，對(duì)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(lái)高性能水泥砂漿的快速發(fā)展帶動(dòng)了礦物摻和料的應(yīng)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(chǎn)物發(fā)生“火山灰效應(yīng)”以及自身兼有的“顆粒形態(tài)效應(yīng)”、“微集填料效應(yīng)”，將其代替膠凝材料而摻入砂漿，對(duì)砂漿和易性、力學(xué)性能、耐久性能等發(fā)展具有較好的優(yōu)勢(shì)[1,2]。因此，礦物摻和料成為發(fā)展高性能水泥砂漿過(guò)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(yè)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(xì)度、比表面、化學(xué)成份等)的影響，對(duì)砂漿性能的改性效果存在一定差異。因此，開(kāi)展水泥砂漿礦物摻和料的篩選工作，不僅為礦物摻和料應(yīng)用于水泥砂漿提供理論性的依據(jù)及參考，還對(duì)發(fā)展高性能水泥基材料產(chǎn)業(yè)賦予優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。

據(jù)文獻(xiàn)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(guò)程中表現(xiàn)為非火山灰效應(yīng)[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(zhì)作為水泥砂漿礦物摻和料，根據(jù)砂漿的流動(dòng)性能、保水性能、凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能及收縮性能的變化規(guī)律以及其水化產(chǎn)物的微觀分析，對(duì)5種礦物摻和料進(jìn)行綜合對(duì)比篩選研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

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(jí)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(xì)鋼渣粉，比表面為468 m2/kg；煤渣為茂名某煤炭廠排放，經(jīng)磨細(xì)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(xì)度模數(shù)為2.65左右的天然河中砂，化學(xué)外加劑：保水增稠劑(HPMC)、可再分散乳膠粉(EVA)、消泡劑、潔凈自來(lái)水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

砂漿膠砂比為1∶3，通過(guò)用水量調(diào)節(jié)漿體稠度為(100±2) mm(該方法更符合施工現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%、20%、30%、40%、50%。砂漿制備過(guò)程采取先干混后濕拌，干混、濕攪時(shí)間均不低于3 min；各性能測(cè)試方法均參考JGJ 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦物摻合料對(duì)砂漿水膠比、保水性能、凝結(jié)時(shí)間影響

圖1通過(guò)水膠比的變化規(guī)律展示了各礦物摻和料對(duì)砂漿流動(dòng)性能的影響規(guī)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?yàn)榉勖夯?、礦渣、鋼渣由球狀顆粒的玻璃體構(gòu)成，具有“顆粒形態(tài)效應(yīng)”，在水泥顆粒間起到潤(rùn)滑作用而提高砂漿流動(dòng)性；對(duì)于偏高嶺土，砂漿水膠比略有增加趨勢(shì)，對(duì)流動(dòng)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(dǎo)致砂漿水膠比上升，使流動(dòng)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(dòng)性作用，且粉煤灰>礦渣>鋼渣，偏高嶺土與煤渣使砂漿流動(dòng)性降低，煤渣降低幅度較大。

圖1 5種礦物摻和料摻量對(duì)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(duì)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(duì)水的吸附能力、漿體粘聚性、中斷漿體泌水通道的連續(xù)性具有促進(jìn)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(dāng)，礦渣次之。而煤渣對(duì)砂漿保水性能具有負(fù)面影響，主要因?yàn)槊涸w粒表面疏松多孔，形貌為斜四棱柱體，結(jié)晶度較差，其顆粒間儲(chǔ)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(guī)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(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)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(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)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(duì)水泥漿體具有緩凝效應(yīng)。從圖3可看出，礦渣、粉煤灰緩凝作用較強(qiáng)；而鋼渣、煤渣在其摻量為30%之前，幾乎無(wú)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(jié)時(shí)間逐漸縮短，主要是偏高嶺土具有較好分散性，對(duì)水泥顆粒溶解產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，同時(shí)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(chǎn)物析出、沉淀作用[7]。通過(guò)分析可得到結(jié)論：粉煤灰與礦渣緩凝效果較強(qiáng)烈，鋼渣與煤渣緩凝效果較弱；而偏高嶺土對(duì)砂漿具有促凝作用，不利于施工。

3.2 礦物摻合料對(duì)砂漿力學(xué)性能影響

圖4 5種礦物摻和料摻量對(duì)砂漿7 d抗壓強(qiáng)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(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)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(duì)砂漿力學(xué)性能發(fā)展有利，主要是礦物摻和料中的活性組分同水泥水化產(chǎn)物發(fā)生火山灰反應(yīng)生成的凝膠對(duì)砂漿力學(xué)強(qiáng)度具有貢獻(xiàn)作用[1]，但不同礦物摻合料對(duì)砂漿的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的發(fā)展具有一定差異。如粉煤灰拌制的砂漿7 d抗壓強(qiáng)度隨其摻量增加逐漸下降，28 d抗壓強(qiáng)度隨其摻量增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在摻量為10%時(shí)達(dá)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(qiáng)度發(fā)展規(guī)律較相似，都呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，其7 d抗壓強(qiáng)度在各自摻量為40%、10%、30%時(shí)，較空白試件提高20.3%、14.3%、24.8%；28 d抗壓強(qiáng)度在各自摻量為40%、30%、30%時(shí)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(qiáng)度總體上隨其摻量增加出現(xiàn)不同層次下降，僅在摻量為10%時(shí)，7 d、28 d抗壓強(qiáng)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(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為前期提升幅度低，后期提升幅度高；煤渣、鋼渣對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為前后期提升幅度相當(dāng)，但煤渣遠(yuǎn)不如鋼渣。

通過(guò)對(duì)比各種摻和料對(duì)砂漿前后期抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)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(duì)砂漿干縮性能影響

圖6～圖10展示了5種礦物摻和料對(duì)砂漿各齡期的收縮影響。

圖6 粉煤灰對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yīng)”及后期的“火山灰反應(yīng)”產(chǎn)生的凝膠促使水泥石抵抗自收縮能力增強(qiáng)。由圖6、圖7、圖8、圖10可發(fā)現(xiàn)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(shí)，砂漿干燥收縮率達(dá)最低，較空白試件分別降低16.6%、24.2%、29.1%、30.8%。圖9可發(fā)現(xiàn)隨煤渣摻量增加，砂漿干燥收縮率呈現(xiàn)先減小后增加趨勢(shì)，主要因?yàn)槊涸钚暂^低，僅通過(guò)顆粒填充效應(yīng)不足以彌補(bǔ)大摻量下水泥水化的化學(xué)收縮及內(nèi)部干燥導(dǎo)致的自收縮，在摻量為30%時(shí)，干縮率較空白僅降低19.1%。以上研究結(jié)果表明：偏高嶺土與礦渣對(duì)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(duì)砂漿收縮具有負(fù)面影響。

4 微觀分析

由于礦物摻和料主要通過(guò)影響水泥水化進(jìn)程、水化產(chǎn)物而改善砂漿力學(xué)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(jìn)行XRD與SEM表征，其分析結(jié)果如下：

4.1 XRD分析

圖10 偏高嶺土對(duì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)中的空隙，對(duì)水泥石的力學(xué)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(wú)法觀察到)。通過(guò)對(duì)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(duì)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(qiáng)，可推斷礦渣、鋼渣、偏高嶺土中水化活性較強(qiáng)；同時(shí)礦渣C3S、C2S衍射峰強(qiáng)度高于偏高嶺土、鋼渣，說(shuō)明礦渣活性優(yōu)于鋼渣與偏高嶺土。其中礦渣與偏高嶺土主要是其內(nèi)部的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)所致，而鋼渣-水泥只是在一定程度改變彼此的水化環(huán)境，從而促進(jìn)二者的水化速率及水化程度[11]。對(duì)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(chǎn)物生成量降低，同時(shí)通過(guò)衍射峰強(qiáng)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(jiàn)，空白水泥凈漿28 d水化后形成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，其中CH晶體呈現(xiàn)塊狀，同時(shí)也有部分C2S、C3S的水化產(chǎn)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(zhǎng)。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(chǎn)物的微觀形貌圖，鋼渣、偏高嶺土塊狀CH晶體被大量團(tuán)絮狀C-S-H凝膠顆粒連續(xù)覆蓋，其結(jié)構(gòu)相對(duì)空白水泥凈漿顯得致密、穩(wěn)定。圖12d顯示了礦渣-水泥漿體微觀形貌圖，大量無(wú)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(jié)構(gòu)顯得更致密、穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jiàn)未水化的黑色煤矸石顆粒，主要是因?yàn)槊涸牡V物相由黏土礦物(蒙脫石、伊利石)、石英、方解石等較為穩(wěn)定的結(jié)晶相組成，活性較差。

通過(guò)SEM與XRD微觀分析，可發(fā)現(xiàn)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(jié) 論

本文選取粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣、偏高嶺土5種物質(zhì)作為水泥砂漿礦物摻和料，考察了其對(duì)砂漿流動(dòng)性、保水率、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、收縮率的影響，結(jié)論如下：

(1)對(duì)于砂漿流動(dòng)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(dòng)性能略有降低，而煤渣使砂漿流動(dòng)性大幅度降低。對(duì)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(shí)粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣對(duì)砂漿具有緩凝作用，其中粉煤灰、礦渣緩凝作用較強(qiáng)烈，鋼渣、煤渣緩凝作用較?。欢邘X土對(duì)砂漿具有促凝作用，不利于施工;

(2)5種礦物摻和料對(duì)砂漿7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)展均有不同層次貢獻(xiàn)，其結(jié)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(guò)XRD與SEM對(duì)5種礦物摻和料-水泥水化產(chǎn)物的衍射峰強(qiáng)度及形貌進(jìn)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(duì)砂漿各性能的改善及微觀結(jié)構(gòu)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(duì)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(kāi)發(fā)及研究.

陳小平，博士，研究員.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2665-06