彭月月，吳發(fā)紅

(1．安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南232001;2．鹽城工學院土木工程學院，江蘇鹽城224002)

水泥基材料因具有抗壓強度高、耐久性好、使用壽命長和成本低等優(yōu)點被廣泛應用于建筑與市政設施領域。隨著科學技術的不斷進步，水泥基材料逐漸向高強、高性能方向發(fā)展，添加功能填料是制備高性能水泥基材料的有效途徑，其中納米材料、纖維材料是功能填料的首選。

國內外諸多學者研究表明，納米與纖維材料對水泥砂漿物理與力學性能有明顯影響。Byung-Wan Jo等[1]研究發(fā)現(xiàn)，摻6%NS的水泥砂漿7 d抗壓強度增加了52%。曾凱龍[2]研究了BF對水泥砂漿力學性能的影響。結果表明，隨BF摻量增大，其抗折強度先提高后降低，抗壓強度變化不顯著。潘慧敏[3]研究發(fā)現(xiàn)，摻1.0%～2.0%BF能提高混凝土的抗壓、抗折強度。李歡歡[4]研究發(fā)現(xiàn)Al2O3能促進水泥水化，增強砂漿的抗壓強度、抗折強度。

現(xiàn)有文獻報道多為單一功能材料摻加對水泥砂漿物理與力學性能的影響，對復摻功能材料對水泥砂漿物理與力學性能影響的研究較少。本文主要研究W/C與NS、BF、Al2O3等功能材料摻量對水泥砂漿流動性、抗壓強度、抗折強度的影響，通過四因素三水平的正交試驗，確定最優(yōu)配合比，對制備高性能水泥砂漿作研究探討。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

水泥采用鹽城某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，質量符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求[5]。砂采用中砂，細度模數(shù)2.56；Al2O3(300目)購自河南鄭州某公司；NS(純度為99.99%)由上海某公司生產(chǎn)，直徑為50 nm；BF由上海某公司提供，長度為18 mm ；液體聚羧酸高性能減水劑(TC-PCA)購自西安某公司，減水率為25%。

1.2 試塊制備和測試方法

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試件的抗壓、抗折強度測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行[6]，流動度測試按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行[7]。攪拌好的新鮮砂漿一部分測其流動性，另一部分倒入模具中成型，振搗密實，放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至7 d與28 d測其強度。

1.3 試驗配合比

正交試驗配合比如表1所示，以水泥量為單位1，Al2O3、BF、NS的量采用外摻法。

表1 正交試驗配合比Table 1 Orthogonal test mix ratio

2 結果與討論

2.1 流動性分析

水泥砂漿流動性試驗測試值如圖1所示。

圖1 水泥砂漿流動度Fig 1 Fluidity of cement mortar

由圖1可知，各因素對砂漿流動性的影響趨勢為Al2O3：2.5%>5%>7.5%；BF:0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0 %>0.5 %>1.5 %；W/C：0.45>0.40>0.35。根據(jù)正交試驗的極差分析，即圖1中每個因素的最大值減去最小值，得出的差值越大對流動性的影響也越大，因此可以得出影響流動性最主要的因素是W/C，其次是BF摻量，繼而是NS摻量，Al2O3摻量影響最低。最優(yōu)配比為水膠比0.45，Al2O3、BF、NS摻量分別為2.5%、0.1%、1.0%。

隨著Al2O3摻量的增加，水泥砂漿的稠度增大，流動性減小。隨著BF摻量的增加，水泥砂漿流動性呈先上升后下降的趨勢，這可能是由于當摻量較少時BF均勻分散在砂漿中，纖維平均間距較小，對砂漿流動的阻礙影響小，可改善砂漿流動性；當摻量增加時，BF在砂漿中隨機分布形成空間網(wǎng)絡結構，阻礙砂漿流動，造成流動性下降[8-9]。NS是一種高活性的納米顆粒，具有較大的比表面積，會迅速吸收水分子，少量的NS可以填充于砂漿的空隙之中，起到潤滑作用，使砂漿流動性變大；但是隨著NS摻量的增加，NS的誘導反應加速了水泥水化反應，水化產(chǎn)物增加，堵塞孔隙，砂漿的流動性降低[10-11]。

2.2 抗壓強度分析

試樣7 d和28 d的抗壓強度值如圖2、圖3所示。

圖2 水泥砂漿7 d抗壓強度Fig 2 7 d compressive strength of cement mortar

圖3 水泥砂漿28 d抗壓強度Fig 3 28 d compressive strength of cement mortar

從圖2和圖3可以看出，各因素對砂漿28 d抗壓強度的影響趨勢為Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0%>0.5%>1.5%；W/C：0.35>0.45>0.4。影響試樣7 d和28 d抗壓強度最主要的因素是W/C，其次是Al2O3摻量，繼而是BF摻量，NS摻量影響最低。最優(yōu)配比為水膠比0.35、Al2O3摻量5%、BF摻量0.1%、NS摻量1.0%。

當W/C分別為0.40、0.45時，相對于W/C為0.35，試樣7 d抗壓強度分別下降了13%、6.7%、28 d抗壓強度分別下降了11%、4.9%；當Al2O3粉末摻量分別為5%、7.5%時，相對于Al2O3摻量2.5%，試樣7 d抗壓強度分別上升15.2%、12.9%，28 d抗壓強度分別上升10.3%、8.6%；當BF摻量分別為0.1%、0.15%時，相對于BF摻量0.05%，試樣7 d抗壓強度分別上升3.6%、下降2.2%，28 d抗壓強度相對于0.05%分別上升8.3%、3.2%；當NS摻量分別為1%、1.5%時，相對于NS摻量0.5%，試樣7 d抗壓強度分別上升5.8%、4.5 %，28 d抗壓強度分別上升8.03%、5.05%。

這是由于Al2O3粉末粒徑小，低摻量時完全分散在砂漿的孔隙中，可以改善砂漿的抗壓性能，同時Al2O3粉末中存在Na2O、CaO等氧化物，與水反應生成NaOH和Ca(OH)2，從而提高砂漿的抗壓強度；低摻量時BF能在砂漿中均勻分散，與砂漿同時受力，提高其抗壓強度，隨著摻量增加，BF在砂漿中易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，纖維分布不均勻，導致基體內部出現(xiàn)孔洞和空隙，從而使砂漿密實度下降，抗壓強度也下降；低摻量時NS完全分散在砂漿中，使其水化反應充分，生成大量C—S—H凝膠，從而提高砂漿的抗壓強度，隨著NS摻量增加，NS不能完全分散，包裹著水泥顆粒且吸收大量水分，使水泥水化反應速率減慢，水化產(chǎn)物減少，導致抗壓強度降低[12]。

2.3 抗折強度分析

試樣7 d和28 d的抗折強度值如圖4、圖5所示。

圖4 水泥砂漿7 d抗折強度Fig 4 7 d flexural strength of cement mortar

圖5 水泥砂漿28 d抗折強度Fig 5 28 d flexural strength of cement mortar

從圖4和圖5可知，各因素對砂漿7 d和28 d抗折強度的影響趨勢。Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.15%>0.05%；NS：1.0%>0.5%>0.15%；W/C：0.45>0.35>0.4。影響7 d和28 d抗折強度最主要的因素是Al2O3摻量，其次是BF摻量，繼而是NS摻量，W/C影響最低。最優(yōu)配比為W/C 0.45、Al2O3摻量5%、BF摻量0.1%、NS摻量1.0%。

當Al2O3粉摻量分別為5%、7.5%時，相對于Al2O3摻量2.5%，試樣7 d抗折強度分別上升19%、8.2%，28 d抗折強度分別上升13.5%、4%；當BF摻量分別為0.1%、0.15%時，相對于BF摻量0.05%，試樣7 d抗折強度分別上升3.02%、下降10.2%，28 d抗折強度分別上升10.8%、5.6%；當NS摻量分別為1%、1.5%時，相對于NS摻量0.5%，試樣7 d抗折強度分別上升6.3%、下降2.4%，28 d抗折強度分別上升10.1%、5.5%。

這是由于低摻量時Al2O3填充在砂漿空隙之中，使砂漿更加密實，從而提高抗折強度，當其摻量增加時，會導致水泥水化反應不充分，使抗折強度有所下降。在水泥砂漿中摻入BF，BF平均間距小，能減少裂縫尖端的應力集中，在外力作用下，BF之間相互搭接，能夠抑制裂縫的發(fā)展，提高抗折強度。NS為納米顆粒，具有填充效應，能夠改善水泥砂漿孔隙結構，增加密實度；同時，NS比表面積大，又具有很強的活性，可與水泥水化產(chǎn)物中Ca(OH)2反應生成較大尺度水化產(chǎn)物，從而增強漿體抗折強度[13]。

3 結論

(1)流動性的最優(yōu)配比為W/C 0.45、Al2O32.5%、BF 0.1%、NS 1.0%。水膠比越大，流動性越大；BF摻量為0.05%～0.10%可以改善砂漿的流動性，當BF摻量超過一定量后，隨其摻量增加，砂漿流動性降低。

(2)試樣7 d、28 d抗壓強度的最優(yōu)配比為W/C 0.35、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。NS摻量1.0%和Al2O3摻量5.0%可明顯提高砂漿的抗壓強度?？拐蹚姸鹊淖顑?yōu)配比為W/C 0.45、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。隨著Al2O3、BF、NS摻量增加，砂漿抗折強度減小。本文所研發(fā)的復摻功能材料砂漿可應用于沿海風機設備基礎混凝土外表面，延長其使用壽命。