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掺矿物掺合料水泥基自流平砂浆性能的研究
杨媛媛（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350025）
0 引言
地面用水泥基自流平砂浆（Cementitious self- levelling compound for floor）是由水泥基胶凝材料、细骨料、填料及添加剂等组成，与水搅拌后具有流动度或稍加辅助性推摊就能流动找平的地面用材料。它具有良好的流动度及稳定性，且早期强度高、施工速度快、劳动强度低，是大型超市、停车场和仓库等地面铺筑的理想材料，也是现代建筑地面施工的一个发展方向，市场潜力很大。
自流平砂浆最大的特征就是自流、自平，这就要求砂浆具有很好的流动度和稳定性。因此制备自流平砂浆的胶凝材料用量较大，然而水泥的大量使用不仅会造成成本增加且不利于可持续发展。矿物掺合料具有良好的火山灰效应、填充效应和形貌效应[3]，将矿物掺合料应用到自流平砂浆中，替代部分胶凝材料，不仅可以改善砂浆的性能，还可以降低成本，减少资源和能源消耗，符合低碳环保的时代要求，具有显著的经济、环保和社会效益。
本文选取硅灰、矿粉和MS1250 微粉3 种矿物掺合料，通过测试砂浆的流动度和力学性能，研究矿物掺合料单掺和复掺对水泥基自流平砂浆性能的影响。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥：福建炼石水泥有限公司生产的42.5 普通硅酸盐水泥和唐山北极熊建材有限公司生产的42.5 级快硬硫铝酸盐水泥（SAC），主要物理力学性能见表1。
矿物掺合料：硅灰由甘肃三远硅材料有限责任公司提供，矿粉由福建源鑫环保科技有限公司提供，MS1250 微粉由北京正源益清科贸有限公司提供。矿物掺合料的主要物理力学性能见表2。
细骨料：40~70 目石英砂，325 目重钙。
外加剂：粉末聚羧酸减水剂、P803 消泡剂、粘度为400mPa·s 的羟丙基甲基纤维素醚。
1.2 试验方法
自流平砂浆的性能按JC/T 985- 2005 《地面用水泥基自流平砂浆》中规定的方法测试。流动度采用内径30mm±0.1mm，高50mm±0.1mm的塑料空心试模进行试验。抗压强度采用40mm×40mm×160mm的三联模具，成型时不振动，每个配比成型4 组。
试验及养护条件为：环境温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%、循环风速低于0.2 m/s。
2 结果与讨论
2.1 试验配合比
经相关文献及试验确定水泥基自流平砂浆基础配比为：硅酸盐水泥∶硫铝酸盐水泥∶砂∶重钙∶减水剂∶消泡剂∶纤维素醚∶水=35∶5∶45∶15∶0.12∶0.15∶0.05∶24。矿物掺合料等量取代硅酸盐水泥，其他组分保持不变。具体试验配比如表3。
2.2 矿物掺合料对水泥基自流平砂浆流动度的影响
2.2.1 硅灰对自流平砂浆流动度的影响
图1 反映了硅灰掺量对自流平砂浆流动度的影响。
可以看出，随着硅灰掺量的增加，自流平砂浆的初始流动度减小。
当硅灰掺量超过4%之后，自流平砂浆20min 的流动度较差，因此硅灰的掺量不宜过大。硅灰的掺入会降低自流平砂浆的流动度，这是由于硅灰的颗粒非常细，比表面积极大，对水的吸附效果十分明显，因而需水量很大，使得与水泥进行初始水化的自由水减少。因此，随着硅灰掺量的增加，砂浆的初始流动度降低。
2.2.2 矿粉对自流平砂浆流动度的影响
矿粉掺量对自流平砂浆流动度的影响如图2。
可以看出，自流平砂浆的流动度随矿粉掺量的增加呈先增大后减小的趋势，当矿粉掺量为15%时，自流平砂浆的流动度最大。这是因为矿粉的活性较低，且其细度与水泥相近，掺量较低时，增加其掺量并不会吸附更多的水，反而因为水泥的减少降低了需水量，故而流动度增加；但当矿粉的掺量较大时，由于其颗粒为不规则的多角形，会增加浆体的粘度，从而导致流动度降低。综上，在矿粉细度和颗粒形貌的双重影响下，矿粉掺量对自流平砂浆流动度的影响存在一个最佳值，在试验所选范围内，矿粉的最佳掺量为15%。
2.2.3 MS1250 微粉对自流平砂浆流动度的影响
MS1250 微粉是一种新型超微火山灰粉体材料。它是利用独特工艺精选、加工而成且具有连续粒径分布的超细、具有完美正球状的粉体。MS1250 微粉掺量对自流平砂浆流动度的影响如图3 所示。可以看出，随着MS1250 微粉掺量的增加，自流平砂浆的流动度增加。MS1250 微粉是一种全球状颗粒，且粒径极细，具有极好的填充和“滚珠润滑”效应，这也导致了MS1250 微粉虽然比表面积较大，需水量却较小，故而随着MS1250 微粉的掺量增加，砂浆的流动度增加。
2.3 矿物掺合料对水泥基自流平砂浆强度的影响
2.3.1 硅灰对自流平砂浆强度的影响
图4 反映了硅灰掺量对自流平砂浆强度的影响。可以看出，随着硅灰掺量的增加，自流平砂浆的抗压强度提高。这是硅灰的火山灰效应和微集料作效应叠加的结果。一方面，硅灰的超细颗粒填充在砂浆空隙中，降低了孔隙率，增加了砂浆的密实度；另一方面，火山灰反应生成的C- S- H 凝胶更为致密，从而提高了水泥石强度。
2.3.2 矿粉对自流平砂浆强度的影响
从图5 可以看出，掺加矿粉的自流平砂浆抗压强度均低于基准砂浆。随着矿粉掺量的增加，自流平砂浆的抗压强度先降低后提高。矿粉的活性较低，参与水化反应生成的C- S- H 凝胶较少，因而矿粉掺量增加，自流平砂浆的抗压强度降低。
2.3.3 MS1250 微粉对自流平砂浆强度的影响
图6 反映了MS1250 微粉掺量对自流平砂浆强度的影响。可以看出，随着MS1250 微粉掺量的增加，自流平砂浆早期抗压强度降低，28d 抗压强度提高。MS1250 微粉作为一种颗粒极细的铝硅酸盐物质，在水化反应初期，MS1250 微粉几乎不与混凝土中的碱性物质反应，MS1250 微粉主要起到填充效应，因而自流平砂浆的抗压强度随MS1250 微粉掺量的增加而降低。随着水化的进行，MS1250 微粉致密表层被破坏，水化反应持续进行，使自流平砂浆的结构更加致密，抗压强度提高，故自流平砂浆的抗压强度随MS1250 微粉掺量的增加而提高。
硅灰、矿粉和MS1250 微粉均具有火山灰活性，但因其活性不同，颗粒形貌和细度不同，对自流平砂浆的影响也不同。
（1）硅灰的火山灰活性较高，比表面积极大，颗粒粒径小，在掺入自流平砂浆后，在早期就能够发挥火山灰活性，加之微集料作用，能够提高自流平砂浆强度，但也因为比表面积过大，会降低自流平砂浆的流动度，增大流动度损失。
（2）矿粉的火山灰活性较低，会降低自流平砂浆的强度，而矿粉的微集料效应，会增大自流平砂浆的流动度，但是当矿粉掺量较大时，其形貌效应较为突出，反而会降低自流平砂浆的流动度。
（3）MS1250 微粉同样具有火山灰活性，不过在早期几乎不参与水化反应，主要起到填充作用，且由于其几乎都是全球形颗粒，会明显增加自流平砂浆的流动度，但是会降低自流平砂浆的早期强度。随着水化的进行，MS1250 微粉的致密表层被破坏，水化反应持续进行，后期强度迅速增长，高于基准砂浆。
2.4 矿物掺合料复掺对水泥基自流平砂浆性能的影响
图7 和图8 反映了矿物掺合料复掺对自流平砂浆流动度和抗压强度的影响。从图7 可以看出，硅灰与矿粉复掺会降低自流平砂浆的初始流动度，硅灰与MS1250 微粉复掺和三者复掺的初始流动度与基准砂浆相近。硅灰与矿粉、硅灰与MS1250 微粉复掺对自流平砂浆的流动度损失影响不大，三者复掺则会增大流动度的损失。从图8 可以看出，硅灰与矿粉复掺的自流平砂浆抗压强度与基准砂浆基本持平，硅灰与MS1250 微粉复掺的自流平砂浆早期抗压强度与基准砂浆相近，但28d 抗压强度明显提高，而三者复掺的自流平砂浆强度高于硅灰与矿粉复掺的自流平砂浆强度。
三种矿物掺合料复掺能够进行优势互补，矿粉和MS1250 微粉能够弥补硅灰需水量较大的劣势，发挥硅灰改善砂浆和易性的优势，而硅灰和MS1250 微粉对后期强度的增幅效果可以弥补矿粉降低自流平砂浆强度的劣势。从试验结果来看，硅灰与MS1250 复掺的自流平砂浆流动度与基准砂浆相近，但是能够明显提高砂浆的后期强度，效果最佳。
3 结论
（1）随着硅灰掺量的增加，自流平砂浆的流动度减小，流动度损失增大，抗压强度提高。
（2）随着矿粉掺量的增加，自流平砂浆的抗压强度降低，流动度先增大后减小，当矿粉掺量为15%时，自流平砂浆的流动度最大。
（3）随着MS1250 微粉掺量的增加，自流平砂浆的流动度增大，后期抗压强度提高。
（4）矿物掺合料复掺能够进行优势互补。其复掺对自流平砂浆流动度影响依次为：硅灰+MS1250 微粉＞硅灰+ 矿粉+MS1250 微粉＞硅灰+ 矿粉；对自流平砂浆的抗压强度影响依次为：硅灰+MS1250 微粉＞硅灰+ 矿粉+MS1250 微粉＞硅灰+ 矿粉。硅灰和MS1250 微粉复掺的效果最佳。
