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1 引言
粉煤灰是从燃料煤粉的锅炉烟气中收集的粉状灰粒, 是一种排放量较大的工业废料, 其玻璃微珠既具有火山活性, 又可在砂浆中作微集料起填充作用。矿渣微粉是由炼铁时排出的水淬矿渣微粉经一定的粉磨工艺制成具有一定细度和颗粒级配的微粒, 具有一定的活性。矿渣微粉在砂浆中具有微集料效应和微晶核效应, 可以改善砂浆的性能。本研究采用粉煤灰、矿渣微粉单掺和双掺等量取代水泥并与其他外加剂配合制得干粉砂浆, 在保证砂浆性能的同时, 可节约成本, 降低能耗, 保护环境, 使干粉砂浆成为一定意义上的“绿色建材”。
2 原材料与试验方法
2.1 原材料
( 1) 水泥: 武汉亚东水泥有限公司生产的32.5普通硅酸盐水泥, 其强度指标见表1。
( 2) 砂: 巴河河砂, 含泥量1.0%, 泥块含量0.5%, 细度模数2.5。
( 3) 矿物掺合料
粉煤灰: 武汉阳逻电厂Ⅰ级粉煤灰, 比表面积为450m2/kg, 其化学成分见表2;
矿渣微粉: 武汉钢铁厂矿渣微粉, 比表面积为450m2/kg, 其化学成分见表3。
( 4) 外加剂
保水剂: 山东一腾化工产的羟乙基甲基纤维素醚( 以下简称HEMC) , 白色粉末;可再分散乳胶粉: 德国Wacker公司生产的聚乙烯-醋酸乙烯酯VinnapasRE5010N(以下简称Vinnapas);减水剂: 上海产聚羧酸高效减水剂( 水剂, 固含量为25%) ;
( 5) 水: 洁净的自来水。
2.2 试验方法
试件制备和稠度、分层度、湿容重、抗折强度、抗压强度等基本性能测试均参照JGJ 70- 90 《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。本实验采用1∶2的灰砂比, 稠度控制在110mm～120mm之间, 保水剂掺量为0.2%, 可再分散乳胶粉掺量为2%, 减水剂掺量为1%, 均采用外掺法, 其掺量均按胶凝材料质量的百分数计。矿物掺合料采用内掺法, 其掺量以等量取代水泥重量的百分数计。
3 试验结果与讨论
3.1 粉煤灰对砂浆性能的影响
从表4和图1可以看出, 在保持砂浆稠度基本不变的条件下, 砂浆的水胶比和分层度随着粉煤灰掺量的增加而不断减小, 这说明, 砂浆中掺入一定量的粉煤灰可以改善砂浆的和易性和工作性。掺入粉煤
灰后砂浆的分层度低于基准砂浆的分层度, 说明粉煤灰可以提高砂浆的保水性。随着粉煤灰掺量的增加, 砂浆的湿容重逐渐增大, 说明砂浆中掺入粉煤灰可使砂浆浆体更加密实。砂浆的7d抗折强度、抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而下降, 而砂浆的28d抗折、抗压强度增长很快, 在掺量为30%时的强度与未掺粉煤灰砂浆的强度相当, 说明砂浆中粉煤灰的最佳掺量为30%左右。
3.2 矿渣微粉对砂浆性能的影响
从表5和图2可以得出, 在保持砂浆稠度基本不变的条件下, 砂浆的水胶比和分层度随着矿渣微粉掺量的增加而不断减小, 但减幅较小, 说明砂浆中掺入一定量的矿渣微粉也可以改善砂浆的和易性和工作性,提高砂浆的保水性, 但不如掺粉煤灰的效果显著。随着矿渣微粉掺量的增加, 砂浆的湿容重将逐渐增大,这说明粉煤灰掺入砂浆中可使砂浆浆体更加密实。在砂浆中加入磨细矿渣微粉后, 砂浆的7d、28d抗折强度、抗压强度随着矿渣微粉掺量的增加都呈先下降后增加再下降的趋势, 在掺量为30%时达到最大。砂浆的28d强度增长很快, 在掺量为30%时的强度与未掺矿渣微粉砂浆的强度相当, 说明砂浆中矿渣微粉最佳掺量为30%左右。
3.3 双掺粉煤灰和矿渣微粉对砂浆性能的影响
根据复合材料的“超叠效应”(Synergistic)原理[1], 将不同种类细掺料以合适比例和总掺量掺入砂浆中, 则可以使其取长补短, 不仅可以调节需水量, 改善砂浆的和易性, 而且还可以提高砂浆的后期强度, 减少收缩,提高耐久性。矿渣微粉的需水量较少, 对砂浆的强度有利, 但自干燥收缩较大; 粉煤灰砂浆的自干燥收缩和干燥收缩都小, 而且需水量小, 因此, 利用矿渣微粉和粉煤灰复合三部分取代水泥配制砂浆, 充分发挥二者的“优势互补效应”, 可使砂浆的各项性能更加优越。根据上述单掺粉煤灰或矿渣微粉对砂浆影响研究的试验结果, 确定粉煤灰和矿渣微粉复合使用时,应采用30%等量取代水泥。对粉煤灰和矿渣微粉不同的掺入比例对砂浆性能的影响进行研究, 试验结果见表6和图3。
从表6和图3可以得出, 用30%不同比例的粉煤灰和矿渣微粉双掺等量取代水泥后, 在保持砂浆稠度基本不变的条件下, 砂浆的水胶比和分层度都比基准砂浆和单掺30%粉煤灰或矿渣微粉低, 这说明双掺粉煤灰和矿渣微粉比单掺粉煤灰或矿渣微粉能更好地改善砂浆的和易性和工作性, 提高砂浆的保水性。双掺粉煤灰和矿渣微粉砂浆的湿容重比基准砂浆和单掺粉煤灰或矿渣微粉砂浆的湿容增大, 这说明双掺粉煤灰和矿渣微粉能很好地提高砂浆的整体密实性。与基准砂浆相比, 单掺30%粉煤灰的砂浆和单掺30%矿渣微粉砂浆的7d强度都有所降低, 但28d强度增长较快,尤其是单掺30%矿渣微粉的砂浆强度与基准砂浆相当。而双掺不同比例的粉煤灰和矿渣微粉砂浆的7d强度虽都比基准砂浆低, 但都高于单掺粉煤灰和矿渣微粉的砂浆, 28d强度增长很快, 都超过了基准砂浆或单掺粉煤灰和矿渣微粉的砂浆强度, 这说明双掺粉煤灰或矿渣微粉更有利于砂浆强度的发展。
4 机理分析
4.1 粉煤灰对砂浆的作用机理
粉煤灰是球形玻璃微珠体且表面光滑, 内比表面积小, 对水的吸附力小, 需水量少, 可减小砂浆的内摩擦力, 有利于砂浆的流动性和保水性的提高; 粉煤灰在早期只起填充作用, 活性没有被充分激发出来, 因此掺入粉煤灰的砂浆早期强度降低, 而随着粉煤灰中活性SiO2和Al2O3与水泥水化产物Ca(OH)2作用, 生成具有胶凝性质的二次产物水化硅酸钙和水化铝酸钙, 使水泥石中的水化胶凝物质的数量增加, 改善了砂浆的微观结构, 使水泥浆体的空隙率明显下降, 强化了集料界面的粘结力, 因此掺加了粉煤灰的砂浆后期强度增加较快。
4.1 矿渣微粉对砂浆的作用机理
单独掺加矿渣微粉, 矿渣微粉分散并包裹在水泥颗粒表面,具有分散和均化作用, 且细小的微粉对水有较强的吸附作用[2], 因此掺入矿渣微粉可以提高砂浆的保水性和粘聚性, 改善砂浆的工作性。矿渣微粉具有一定的胶凝性能, 均匀分布于水泥颗粒中的矿渣微粉在水泥———水化系统中具有微晶核作用, 能加速水泥的水化进程, 有利于结构强度的发展, 有一定的早强和后期继续增强作用。随着水泥水化反应的进展, 系统中Ca(OH)2浓度增加, 矿渣微粉的火山灰活性得以激发, 消耗吸收部分Ca(OH)2进行二次水化反应。这个过程中, 一方面集料界面区的Ca(OH)2取向度得到改善, Ca(OH)2浓度降低, 已形成的Ca(OH)2晶体尺寸变小, 界面区得到强化; 另一方面, 二次水化反应使得作为强度组分的水化产物更加丰富、密实, 系统孔隙率降低, 从而改善和提高了砂浆的后期强度。
4.2 双掺粉煤灰和矿渣微粉对砂浆的作用机理
双掺粉煤灰和矿渣微粉充分发挥了二者的优势,改善了砂浆的工作性, 提高了砂浆的力学性能。其作用机理主要表现为:
( 1) 由于生产工艺不同, 水泥、矿渣微粉多为不规则且表面积粗糙的颗粒, 粉煤灰是表面光滑的球状玻璃体掺合料的不同颗粒形貌。由于矿渣微粉颗粒不规则且表面粗糙, 对水的吸附力较大, 掺入砂浆中会降低新拌砂浆的流动性; 而粉煤灰是球形玻璃体且表面光滑, 内比表面积小, 对水的吸附力也小, 可减小砂浆的内摩擦力, 有利于砂浆流动性的提高。矿渣微粉、粉煤灰复掺可起到形貌互补的效果, 从微观结构上起到改善砂浆宏观性能的作用。
( 2) 双掺粉煤灰和矿渣微粉改善了胶凝材料的颗粒级配, 使系统颗粒堆积更加紧密和合理, 从而使得硬化砂浆的密实度比单掺矿物粉的要高。
( 3) 水化进程互补。粉煤灰的火山灰活性发展缓慢, 7d时在水泥水化产物的碱性激发下并没有参与水化反应, 直到28d才有一部分粉煤灰参与反应。而矿渣微粉活性较高, 到7d时就会参与水化反应, 与早期水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应, 形成大量C- S- H, 使得浆体结构较为致密, 可以提高砂浆的早期强度和完善其早期结构, 弥补由于粉煤灰水化慢造成的早期强度低的损失[3]; 到了后期, 超细矿物粉中的活性组分与大量Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙, 增加了水泥石的致密程度, 从而降低了砂浆的总孔隙率,大大提高了砂浆的强度。
5 结论
( 1) 在砂浆中掺入一定量的粉煤灰, 降低了砂浆的水胶比和分层度, 增加了砂浆的湿容重, 说明粉煤灰的掺入对砂浆工作性和硬化后性能具有较为显著的改善作用。
( 2) 单掺矿渣微粉可以改善砂浆的界面结构和孔结构, 降低砂浆的孔隙率, 提高砂浆的后期强度。
( 3) 双掺粉煤灰和矿渣微粉砂浆的工作性和力学性能都优于单掺粉煤灰或矿渣微粉的性能, 说明干粉砂浆中双掺粉煤灰和矿渣微粉取代水泥可以较好地改善砂浆的工作性能和力学性能。
( 4) 在干粉砂浆中掺入粉煤灰和矿渣微粉矿物掺合料, 可以大量利用工业废料, 保护环境, 符合国家循环经济战略。
