詹奇淇，章家海，王曉海，陳 慧，項(xiàng)炳泉

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

0 引 言

在我國(guó)工程建設(shè)規(guī)模日益增長(zhǎng)的環(huán)境下，使用機(jī)制砂替代天然砂配制砂漿和混凝土有效解決了建筑用砂緊缺的問(wèn)題，但機(jī)制砂中石粉含量過(guò)高時(shí)會(huì)破壞膠凝體系硬化后的緊密堆積結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低力學(xué)性能和耐久性[1]。此外,機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中常使用水洗或風(fēng)選收集的方式控制石粉含量，也增加了污水排放,淤泥堆積和生產(chǎn)能耗，對(duì)周邊環(huán)境和能源供應(yīng)造成極大的壓力[2]。因此，改善高石粉含量下機(jī)制砂砂漿的力學(xué)性能和耐久性，擴(kuò)大石粉的利用率具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，添加纖維是優(yōu)化水泥制品性能的主要手段，可有效提高水泥制品的韌性，以達(dá)到良好的力學(xué)性能和耐久性[3]。亓松彬[4]使用玻璃纖維改善了水泥砂漿內(nèi)部的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥砂漿的密實(shí)度。何健輝等[5]在此基礎(chǔ)上使用玻璃纖維有效抑制了水泥砂漿塑性收縮開(kāi)裂，并發(fā)現(xiàn)纖維直徑越小阻裂效果越明顯。何順愛(ài)等[6]在水泥砂漿中摻入不同摻量和不同尺度的玄武巖纖維，水泥砂漿孔隙率降低幅度最高為56.2%，抗折強(qiáng)度最大增長(zhǎng)幅度為27.1%。王磊[7]通過(guò)外加適量聚丙烯纖維有效提高了水泥砂漿的抗折強(qiáng)度，但對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不大，其中纖維摻量為1.2 kg/m3，長(zhǎng)度為12～18 mm時(shí)，水泥砂漿的干燥收縮最小。劉明輝等[8]采用硫酸鈣晶須與聚丙烯纖維進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，機(jī)制砂中的石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至15%時(shí)，硫酸鈣晶須可顯著提高試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，而相同條件下聚丙烯纖維的改性作用不明顯。

基于上述研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多集中于人造纖維，其中玻璃纖維生產(chǎn)過(guò)程中的塑料粉塵易致癌，聚丙烯纖維難降解，玄武巖纖維、碳纖維和硫酸鈣晶須較為環(huán)保，但價(jià)格高昂。海泡石纖維作為一種理想的天然礦物纖維，主要成分為富鎂硅酸鹽，因特殊的層間結(jié)構(gòu)使其比表面積遠(yuǎn)高于一般礦物，具有優(yōu)異的性能，且價(jià)格低廉[9]。因此，本文采用海泡石纖維，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)、干燥收縮試驗(yàn)、熱重分析(TG)、壓汞測(cè)試(MIP)和微觀試驗(yàn)(SEM)，系統(tǒng)研究了不同長(zhǎng)度和摻量下海泡石纖維對(duì)高石粉含量機(jī)制砂砂漿性能的影響，并對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：巢湖海螺42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，有關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 硅酸鹽水泥的指標(biāo)

(2)機(jī)制砂:中電建安徽長(zhǎng)九新材料股份有限公司提供，主要成分為石灰?guī)r，細(xì)度模數(shù)為3.1，Ⅱ區(qū)級(jí)配砂，堆積密度為1 463 kg/m3，緊密密度為1 720 kg/m3，表觀密度為2 720 kg/m3，石粉含量為8.2%，泥塊含量為2.2%，吸水率為0.8%，含水率為0.5%，壓碎指標(biāo)為23.4%，MB值(亞甲藍(lán)值)為0.7，百分號(hào)均表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(3)石粉：取自長(zhǎng)九公司干法制砂生產(chǎn)線，灰罐中儲(chǔ)存的粒徑小于0.075 mm的顆粒。

(4)粉煤灰：取自合肥東凱新型建材有限公司，Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量為104%，細(xì)度為24.55%，含水量為0.1%，燒失量為2.1%，百分號(hào)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(5)減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，聚羧酸高性能減水劑，固含量為14.6%，減水率為30%，百分號(hào)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(6)海泡石纖維：分子式MgO[Si6O15]2(OH)4·12H2O[10]，由靈壽縣百勝礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)，體積質(zhì)量為1 280 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為219 kPa，彈性模量為6.403 MPa。海泡石纖維懸浮液(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω=10%)pH值為9，比表面積為873 m2/g(廠家提供)，呈現(xiàn)出一種纖維狀多孔的微觀形態(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1 海泡石纖維的微觀形態(tài)

(7)拌和用水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配合比和試件制備

選用直徑相同、長(zhǎng)度不同的海泡石纖維進(jìn)行試驗(yàn)，長(zhǎng)度分別為1 mm、3 mm、5 mm，每種長(zhǎng)度纖維的體積摻量均設(shè)置0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%五種水平，并與空白組進(jìn)行對(duì)比分析。以質(zhì)量計(jì)算，砂漿膠砂比1 ∶3，水膠比0.76，機(jī)制砂用量1 450 kg/m3，粉煤灰按水泥質(zhì)量的20%進(jìn)行取代。為保證漿體良好的工作性，在水泥質(zhì)量的0.6%～1.8%之間調(diào)節(jié)減水劑外摻量。

石粉含量為機(jī)制砂中公稱粒徑小于80 μm且礦物組成和化學(xué)成分與被加工原巖相同的顆粒含量。當(dāng)石粉含量過(guò)高時(shí)，尤其是泥粉存在時(shí)，會(huì)對(duì)水泥膠砂的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著有害影響?！镀胀ɑ炷劣蒙?、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)和《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)均規(guī)定機(jī)制砂中的石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)10%，較嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加劇了工程技術(shù)人員對(duì)高石粉含量機(jī)制砂產(chǎn)品的不認(rèn)可，石粉含量的接受度需大量數(shù)據(jù)和試驗(yàn)佐證才能獲得推廣。在此背景下，試驗(yàn)配合比中機(jī)制砂中的石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至20%。水泥砂漿配合比如表2所示。

表2 砂漿試驗(yàn)配合比

砂漿拌合物裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模用于3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，剩余漿料裝入40 mm×40 mm×160 mm試模用于28 d干燥收縮測(cè)試，收縮測(cè)試后試件用于28 d抗折強(qiáng)度測(cè)定。成型后用塑料薄膜覆蓋試件澆筑面，以避免試件表面水分散失，并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模?？箟簭?qiáng)度待測(cè)試件置于溫度20 ℃、相對(duì)濕度90%以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)；干燥收縮待測(cè)試件置于溫度20 ℃、相對(duì)濕度60%的自然干燥條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 測(cè)試方法

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T 70—2009)測(cè)定試樣的強(qiáng)度和自然干燥收縮值，并采用TG、MIP和SEM微觀分析方法對(duì)干燥收縮試樣的早期水化程度、物相和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 海泡石纖維對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

圖2為海泡石纖維不同長(zhǎng)度和體積摻量下，機(jī)制砂砂漿3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的變化情況。由圖2分析可得，纖維摻量和試件養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著，纖維長(zhǎng)度的影響相對(duì)不明顯。同一摻量下，纖維長(zhǎng)度的減小提高了試件抗壓強(qiáng)度，當(dāng)纖維體積摻量為1.5%，且長(zhǎng)度從5 mm減至3 mm時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度提高6.1%，長(zhǎng)度從3 mm減至1 mm時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度提高3.9%，變化幅度較小。同一長(zhǎng)度下，纖維體積摻量在0%～1.5%時(shí)，摻量越高抗壓強(qiáng)度越大，繼續(xù)提高摻量，抗壓強(qiáng)度降低，不同齡期抗壓強(qiáng)度均在纖維體積摻量為1.5%時(shí)達(dá)到峰值。其中長(zhǎng)度為1 mm的纖維摻量為1.5%時(shí)，3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度與同齡期空白組試件相比分別提高60.8%、84.9%和98.9%，漲幅較大，且相較于3 d齡期抗壓強(qiáng)度變化，纖維對(duì)7 d和28 d齡期抗壓強(qiáng)度的影響更明顯。

圖2 纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為海泡石纖維不同長(zhǎng)度和摻量下，機(jī)制砂砂漿28 d抗折強(qiáng)度的變化情況。分析圖3可得，在同一纖維摻量下，1 mm纖維試件抗折強(qiáng)度高于3 mm和5 mm纖維試件，且在拌制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)3 mm和5 mm纖維較1 mm纖維易盤(pán)繞成團(tuán)，抗折強(qiáng)度結(jié)果和拌制現(xiàn)象間接反映出短海泡石纖維在砂漿中的分散效果優(yōu)于長(zhǎng)海泡石纖維[11]。同一纖維長(zhǎng)度時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度隨纖維在適宜體積摻量范圍內(nèi)的增加而提高，超過(guò)適宜范圍，抗折強(qiáng)度降低。1 mm、3 mm和5 mm纖維的最優(yōu)體積摻量分別為1.5%、0.5%和0.5%，對(duì)應(yīng)抗折強(qiáng)度較空白組分別提高36.2%、5.8%和2.9%；纖維體積摻量提高至2.0%時(shí)，3 mm和5 mm纖維試件的抗折強(qiáng)度較空白組分別降低2.7%和9.0%，而1 mm纖維試件的抗折強(qiáng)度較空白組提高11.2%。

圖3 纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

綜合砂漿力學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果，短海泡石纖維在適宜摻量下可有效改善高石粉含量機(jī)制砂砂漿的力學(xué)性能，摻入過(guò)量的纖維不利于試件強(qiáng)度的發(fā)展；纖維摻量的變化對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，而對(duì)抗折強(qiáng)度的影響較小。這是因?yàn)椋汉Ｅ菔w維孔道內(nèi)吸附的拌和用水以及自身的弱堿性有助于促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，相應(yīng)水化產(chǎn)物的數(shù)量增加，砂漿硬化結(jié)構(gòu)體系更為密實(shí)，試件抗壓強(qiáng)度隨之提高[12]；但海泡石纖維抗拉強(qiáng)度和彈性模量較小，當(dāng)抗折試件底部出現(xiàn)裂縫時(shí)，橫跨裂縫的纖維無(wú)法有效約束裂縫發(fā)展，試件破壞時(shí)的撓度提升較小，纖維和水泥砂漿復(fù)合體系仍屬于脆性材料。

2.2 海泡石纖維對(duì)砂漿干燥收縮的影響

圖4(a)為纖維體積摻量變化時(shí)，機(jī)制砂砂漿干燥收縮值的變化情況。從圖中分析可得，空白組和纖維體積摻量小于1.0%的試件在測(cè)定周期內(nèi)均呈收縮狀態(tài)，纖維體積摻量大于等于1.0%的試件在0～5 d內(nèi)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，纖維組試件5 d內(nèi)的膨脹現(xiàn)象可能與早期水化程度相關(guān)。圖5為砂漿干燥收縮試件3 d齡期時(shí)的TG和DTG曲線，圖中400～500 ℃內(nèi)的熱流變化主要為水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)分解的吸熱峰[13]。空白組、1.0%纖維體積摻量和2.0%纖維體積摻量的砂漿樣品在400～500 ℃內(nèi)的質(zhì)量損失分別為0.51%、2.64%和6.31%，隨著纖維體積摻量的增加，吸熱峰強(qiáng)度和樣品質(zhì)量損失率提高，砂漿早期水化產(chǎn)物中的CH含量上升；有研究[14]表明水泥水化生成的CH含量與水泥水化程度成正比。在自然干燥條件下，纖維組試件早期水化程度的增強(qiáng)提高了水化硅酸鈣(C-S-H)和CH的含量，其數(shù)量的增加是引起纖維組試件5 d內(nèi)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象的主要原因。此外，海泡石纖維自身的比表面積遠(yuǎn)大于水泥顆粒，可有效約束水泥早期水化產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力，進(jìn)一步降低砂漿早期的自收縮效應(yīng)[15]。

圖5 自然干燥條件下砂漿3 d齡期的TG和DTG曲線

同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：纖維組試件在測(cè)定周期內(nèi)的收縮值均小于空白組，且增長(zhǎng)幅度較平緩；當(dāng)長(zhǎng)度為1 mm的纖維摻量為0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，試件28 d自然干燥收縮值相較于空白組分別降低34.9%、46.2%、50.1%、54.7%和72.1%，外摻海泡石纖維顯著增強(qiáng)了高石粉含量機(jī)制砂砂漿的抗干燥收縮能力，纖維摻量越大改善越明顯。這是由于砂漿主要在5～14 d失水，此時(shí)硬化膠凝體系內(nèi)部的毛細(xì)孔因失水產(chǎn)生了不均勻的壓應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)了砂漿的體積變形[16]。而在砂漿中復(fù)摻適量海泡石纖維后，一方面纖維具有良好的親水性，可均勻分布于砂漿內(nèi)部，形成一種三維承托體系，增強(qiáng)砂漿的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[17]；另一方面，海泡石纖維因其特殊的層間結(jié)構(gòu)而具有較大的吸附性，硬化前會(huì)吸收大量的拌和用水，硬化后隨著膠凝體系內(nèi)部吸附水的散失，纖維會(huì)釋放內(nèi)部的自由水，填充失水后的毛細(xì)孔，補(bǔ)償毛細(xì)孔內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力[18]，實(shí)現(xiàn)良好的自養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，并抵消砂漿內(nèi)部因不均勻壓應(yīng)力所產(chǎn)生的收縮變形。

由圖4(b)分析可得，相同摻量下，海泡石纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿干燥收縮的改善情況不明顯。纖維體積摻量為1.5%時(shí)，纖維長(zhǎng)度為3 mm和5 mm的試件，其28 d干燥收縮值相較于1 mm時(shí)僅分別提高2.2%和5.0%。其他摻量下，纖維長(zhǎng)度對(duì)干燥收縮的影響結(jié)果相似，長(zhǎng)度的變化對(duì)干燥收縮的影響不顯著。

圖4 海泡石纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)機(jī)制砂砂漿干燥收縮的影響

2.3 壓汞法測(cè)定機(jī)制砂砂漿內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)

圖6和表3給出了長(zhǎng)度為1 mm的纖維在不同體積摻量下，28 d齡期砂漿干燥收縮試件的壓汞孔徑分布情況。分析得出，纖維體積摻量為0%、0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，砂漿的總孔隙率分別為28.40%、25.49%、23.98%和23.34%，總孔隙率與纖維體積摻量成反比?？瞻捉M試件內(nèi)部的孔體積主要由孔徑大于200 nm的多害孔組成，其體積占比為49.22%，高于纖維組試件；而纖維組試件內(nèi)部的孔體積主要由孔徑小于20 nm的無(wú)害孔組成，長(zhǎng)度為1 mm的纖維體積摻量分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，無(wú)害孔體積占比分別為10.81%、65.04%、78.16%和82.78%，且隨著纖維體積摻量的提高，少害孔、有害孔和多害孔的數(shù)量下降。有研究[19]表明，孔徑小于20 nm的孔屬于凝膠內(nèi)孔和凝膠微晶間孔，其數(shù)量與水泥基材料的抗壓強(qiáng)度成正比，而孔徑大于20 nm以上的孔多為過(guò)渡孔，其數(shù)量與抗壓強(qiáng)度成反比。這說(shuō)明海泡石纖維體積摻量的提高有利于砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)向無(wú)害孔發(fā)展，從而提高砂漿的宏觀抗壓強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性。孔結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律與砂漿自然干燥養(yǎng)護(hù)過(guò)程中內(nèi)部有效水灰比的變化相關(guān)，水化初期砂漿內(nèi)部自由水含量大，與外界溫濕度差值較高，易造成大量水分通過(guò)毛細(xì)孔蒸發(fā)，有效水灰比降低，砂漿孔結(jié)構(gòu)劣化[20]；而海泡石纖維因其親水性在砂漿拌和過(guò)程中可均勻分布于基體各處并吸附部分自由水，在有效水灰比降低時(shí)及時(shí)釋放自由水，加速膠凝體系水化，并抑制砂漿內(nèi)部少害孔、有害孔和多害孔的形成。

圖6 1 mm纖維不同體積摻量下砂漿的孔徑分布

表3 不同海泡石纖維體積摻量下試件的孔體積占比

2.4 海泡石纖維增強(qiáng)砂漿的微觀特征

圖7為空白組和長(zhǎng)度為1 mm的纖維體積摻量為1.5%時(shí)試件的SEM照片。由圖7(a)可看出，空白組試件的水化體系主要為絮狀或膠凝態(tài)的C-S-H，有明顯的孔狀結(jié)構(gòu)和散狀顆粒物質(zhì)，是一種典型的非勻質(zhì)材料，試件一旦發(fā)生體積變形，易形成集中應(yīng)力，不利于砂漿的強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性[21]。而圖7(b)中纖維試件水化體系由大量針棒狀鈣礬石、片狀CH晶體和C-S-H膠結(jié)組成，與空白組相比，整體更為致密，硬化結(jié)構(gòu)的孔隙數(shù)量顯著減少。圖7(c)、(d)為纖維試件進(jìn)一步放大的SEM照片，圖中大量針棒狀鈣礬石和片狀CH晶體相互堆疊并填充砂漿內(nèi)部的有害孔，其形成后的體積膨脹是補(bǔ)償收縮和降低有害孔數(shù)量占比的主要原因，彼此間相互穿插構(gòu)成了較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硬化結(jié)構(gòu)體系的密實(shí)性和體積穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。這是由于膠凝材料初期的水化作用主要受結(jié)晶成核效應(yīng)控制[22]，海泡石纖維因其結(jié)構(gòu)特殊，可為水化過(guò)程的結(jié)晶聚團(tuán)提供更多的成核質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)海泡石纖維較強(qiáng)的吸附作用易擾亂水化液相中的離子濃度，伴隨著水化過(guò)程中成核生長(zhǎng)的增多，將促進(jìn)鋁酸三鈣(C3A)等活性物質(zhì)表面結(jié)晶形成的膠凝態(tài)亞穩(wěn)層溶解[23]，多種因素共同作用下縮短了膠凝體系水化反應(yīng)誘導(dǎo)期，并促進(jìn)纖維砂漿試件的水化，相應(yīng)針棒狀鈣礬石、片狀CH晶體和C-S-H含量增加。

圖7 28 d齡期機(jī)制砂砂漿SEM照片

3 結(jié) 論

(1)相同摻量下，1 mm長(zhǎng)海泡石纖維增強(qiáng)砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度高于3 mm和5 mm長(zhǎng)海泡石纖維增強(qiáng)砂漿；相同長(zhǎng)度下，砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)的纖維最優(yōu)摻量為1.5%。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，纖維體積摻量較長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更顯著；對(duì)于抗折強(qiáng)度，海泡石纖維對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響不顯著。

(2)在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，海泡石纖維有效降低了砂漿28 d自然干燥收縮值，纖維摻量越大改善越明顯，長(zhǎng)度對(duì)砂漿干燥收縮的改善不顯著。長(zhǎng)度為1 mm的纖維體積摻量為2.0%時(shí)，砂漿28 d自然干燥收縮值相較于空白組降低72.1%。

(3)提高海泡石纖維摻量可有效抑制砂漿內(nèi)部有害孔的形成，有利于砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)向孔徑小于20 nm的無(wú)害孔發(fā)展，砂漿總孔隙率與纖維摻量成反比。

(4)相較于空白組，纖維增強(qiáng)砂漿內(nèi)部形成了大量針棒狀鈣礬石和片狀氫氧化鈣晶體，其數(shù)量的增加有效改善了砂漿硬化體系的密實(shí)性和體積穩(wěn)定性。