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.濟南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南　250022；3.山東宏藝科技股份有限公司，臨沂　276034)

?

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.濟南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南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，對硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿的凝結(jié)時間、流動度、抗壓強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)對不同膠凝體系進行微觀測試分析。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、調(diào)節(jié)砂漿強度等級的作用；同時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； 流動度； 自流平砂漿； 強度

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膠凝材料，其主要原料為硫鋁酸鹽水泥、摻合料、細骨料、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、機場等行業(yè)中的搶險救災(zāi)，堵漏止水，戰(zhàn)時修補機場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，目前在我國工程領(lǐng)域普及推廣勢頭迅猛[4]。但硫鋁酸鹽水泥價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，對自流平砂漿凝結(jié)時間、流動度、收縮率及強度的影響，并對相應(yīng)試樣進行XRD、SEM微觀分析，從而為實現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿在實際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

2　實　驗

2.1實驗原料

2.1.1硫鋁酸鹽水泥

試驗用42.5級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，以下簡稱礦粉。

(2)粉煤灰：山東費縣發(fā)電有限責(zé)任公司，二級灰，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%時減水率為25%。

2.2實驗過程

試驗選用粉煤灰、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硫鋁酸鹽水泥基自流平砂漿性能的影響。試驗按照JC/T 985-2005 《地面用水泥基自流平砂漿》行業(yè)標準規(guī)定執(zhí)行；凝結(jié)時間按照GB/T 1346進行；利用CA砂漿擴展度儀，型號規(guī)格：φ50×150×φ100，測定自流平砂漿的流動度；自流平砂漿干縮試驗采用25 mm×25 mm×280 mm模具，每個配比一組，每組三塊，試塊成型后養(yǎng)護24 h拆模，用BY-280型比長儀測量試塊初始長度，在標準條件下養(yǎng)護3 d、7 d、14 d、21 d、28 d，分別測試試塊長度；自流平砂漿試件成型、強度測試參照標準GB/T 17671；對不同復(fù)合膠凝體系試樣進行XRD、SEM分析。具體試驗配比見表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自流平砂漿凝結(jié)時間的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對自流平砂漿凝結(jié)時間影響的規(guī)律，本節(jié)設(shè)計如下方案：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)時間測定儀測試初凝時間和終凝時間，結(jié)果見圖1。

圖1　摻合料摻加量對自流平砂漿凝結(jié)時間的影響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，水泥凈漿初凝時間和終凝時間都逐漸增大，并且三種礦物摻合料對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。這主要是因為三種礦物摻合料的活性遠小于硫鋁酸鹽水泥，隨著取代硫鋁酸鹽水泥量的增加會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)時間。

3.2礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對自流平砂漿流動度的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對自流平砂漿初始流動度和15 min流動度影響的規(guī)律，按照表2進行試驗，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　摻合料摻加量對砂漿初始流動度的影響Fig.2　Influence of admixture on mortar initial fluidity

圖3　摻合料摻加量對砂漿15 min流動度的影響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、石灰石粉對自流平砂漿流動度的影響各不相同：對于初始流動度，粉煤灰調(diào)節(jié)自流平砂漿流動度的效果最好；對于15 min流動度，摻加石灰石粉的自流平砂漿的流動度趕上甚至超過了摻加粉煤灰的自流平砂漿的流動度，流動度損失最小?？傮w來說，隨著礦物摻合料摻量的增加，自流平砂漿的流動度都逐漸增大。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自流平砂漿起到潤滑作用，而礦粉顆粒不規(guī)則且對水泥基漿體具有粘滯作用，對于自流平砂漿初始流動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度損失最小。

3.3礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對自流平砂漿抗壓強度的影響

為了研究粉煤灰、礦粉、石灰石粉等量替代硫鋁酸鹽水泥對自流平砂漿抗壓強度影響的規(guī)律，按照表2進行試驗，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　摻合料摻加量對砂漿抗壓強度的影響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，摻加礦粉的自流平砂漿1 d、3 d、28 d強度分別為22.4 MPa、32.5 MPa、40.7 MPa，達到水泥基自流平砂漿C35強度等級；摻加粉煤灰和石灰石粉的自流平砂漿28 d強度分別為36.4 MPa和35.1 MPa，達到水泥基自流平砂漿C30強度等級；當(dāng)摻量為50%時，摻加礦物摻合料的自流平砂漿強度顯著下降。這是因為硫鋁酸鹽水泥的水化產(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、調(diào)節(jié)砂漿強度等級的作用，因此可通過改變摻合料的摻量，制備適應(yīng)不同強度等級要求的自流平砂漿。

3.4礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對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之一，收縮率大則砂漿漿體易開裂，嚴重時可影響結(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，收縮率都逐漸增大，到28 d水化齡期時，收縮率基本趨于穩(wěn)定，各組收縮率都遠低于JC/T 985-2005中收縮率標準規(guī)定值。

3.5礦物摻合料替代硫鋁酸鹽水泥對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，標準養(yǎng)護3 d、28 d，分別進行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，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)，只起填充密實作用。這與抗壓強度和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，漿體有很明顯的水化現(xiàn)象，且有較多的細棒狀鈣礬石生成，但漿體內(nèi)部具有一定的空隙率，到水化28 d時，漿體已經(jīng)很致密，宏觀表現(xiàn)為水泥漿體強度大幅度增加。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和強度測試結(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度損失最小;

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

(4)在固定自流平砂漿流動度相同的前提下，摻加粉煤灰、礦粉、石灰石粉的各組試樣收縮率都遠低于JC/T 985-2005中收縮率標準規(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、調(diào)節(jié)砂漿強度等級的作用。

[1] 黃天勇，章銀祥，陳旭峰，等.水泥基自流平砂漿機理研究綜述[J].硅酸鹽通報，2013，34(10)：2864-2869.

[2] 陳福松，陸小軍，朱祥，等.水泥基自流平砂漿配比及性能的研究進展[J].粉煤灰，2012，24(2)：35-39.

[3] 楊斌.地面用水泥基自流平砂漿及其標準[J].新型建筑材料，2006，(2)：11-14.

[4] 劉成樓.水泥基自流平砂漿的研制[J].中國涂料，2008，23(8)：41-44.

[5] 彭明強，葉蓓紅. 脫硫石膏用于自流平砂漿的研究[J].建筑材料學(xué)報，2012，15(03)：406-409

[6] 陳虎. 鐵尾礦砂特性及在自流平砂漿中的應(yīng)用研究[J].混凝土，2014，(07)：125-130.

[7] 霍利強.高鋁水泥對水泥基自流平砂漿性能影響研究[J].施工技術(shù)，2013，42(4)：61-63.

[8] 鄧鑫，張鉻，曹青，等.膠凝材料對水泥基自流平砂漿性能的影響[J].新型建筑材料，2013，40(2)：51-53.

[9] 孟祥謙，葉正茂，程新.硫鋁酸鹽水泥基修補砂漿的力學(xué)性能[J].濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，24(1)：1-4.

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)練計劃項目支持(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