超细矿物掺合料对水泥砂浆力学性能影响的试验研究
(沈阳建筑大学材料科学与工程学院, 沈阳110168)
摘要: 目的: 研究超细矿物掺合料对水泥砂浆力学性能的影响。方法: 分别测试了不同掺量超细矿物掺合料替代水泥的胶砂抗压强度以及抗折强度, 并进行了水化热测试, 利用XRD与SEM测试分析了掺入超细矿物掺合料后微观结构特征的变化。结果: 掺入5%超细矿物掺合料后水泥净浆流动度下降了25. 3%, 在加入超细掺合料后, 各龄期的抗压强度稳步提升, 随后逐渐降低, 当超细矿物掺合料掺量为20%时胶砂28d强度达到最大值, 与不掺加掺合料试块相比提高了23. 76%。超细矿物掺合料的掺入使得胶砂的3d、7d的抗折强度有所减弱, 胶砂28d的抗折强度随着超细掺合料的掺入缓慢增大, 至掺量为25%时抗折强度值达到最大。水化热及微观结构分析表明, 掺入超细矿物掺合料后胶砂体系产生了更多的水化硅酸钙凝胶填充到胶砂的体系结构当中。结论: 一定掺量的超细矿物掺合料对于砂浆的抗压强度有良好的提升效果, 对3d以及7d的抗折强度有一定的减弱效果, 增大28d抗折强度。
DOI: 10.48014/pcms.20230306001
引用格式: 丁向群, 李听雨, 杨宝鑫. 超细矿物掺合料对水泥砂浆力学性能影响的试验研究[J]. 中国材料科学进展, 2023, 2(1): 1-7.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2023-03-06
接收日期: 2023-03-21
出版日期: 2023-03-28
0 引言
矿物掺合料是工程中常用的一类提高混凝土和易性、强度以及耐久性的活性掺合料。由于矿物掺合料可以令胶砂孔隙细化和界面过渡区得到强化而提高胶砂的强度，并且能够在一定范围改善水泥基复合材料的耐久性能，降低生产成本提高经济性。所以矿物掺合料被普遍用作替代混凝土中的一部分水泥，大幅度地降低了土木工程材料中水泥的使用量。张亚梅等[1]研究表明:相对于掺普通矿粉的浆体及对比试样浆体，掺超细粉的浆体最可几孔径变小，累计孔隙率最低。翟伟等[2]研究表明:随着矿粉细度的增加矿粉的活性逐渐增大，但其净浆的流动度随着矿粉细度的增加呈降低的趋势。Kwan等[3]研究表明超细粉煤能够使得孔隙体积减小并且令水泥胶砂颗粒的堆积密实度以及其抗压强度有效增大。胡辉等[4]研究表明超细粉煤灰和超细矿粉单掺与复掺加入混凝土中在一定范围内能够提高混凝土7d、28d龄期的抗压强度。毕瑞枭等[5]研究发现:超细矿粉掺量相同时，胶砂试块抗压强度随矿粉比表面积的增加而增大。刘耀林等[6]研究表明水泥流动度随超细矿粉掺量的增大而降低。范梦甜等[7,8]研究发现超细粉煤灰的加入虽然没有对混凝土的工作性能产生非常大的有害影响，但其加入降低了混凝土扩展度。李莉等[9]研究表明当铁尾矿微粉掺量大于20%时能够明显降低水泥浆体流动性。杜俊等[10]研究表明掺入硅灰、粉煤灰以及超细矿粉后，水泥扩展度均随掺量增大而减小。
综上所述，国内外很多学者做了有关超细矿物掺合料的研究，但现有的关于超细矿物掺合料粉体对水泥混凝土的力学性能以及耐久性能影响的研究比较少，没有系统的研究其影响规律。因此，本文研究不同掺量的超细矿物掺合料取代水泥对水泥净浆流动性以及水泥胶砂力学性能的影响规律，分析水化放热以及微观结构特征，目的为超细矿物掺合料在工程领域的应用积累试验数据，提供技术指导。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥:普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，本溪山水水泥集团生产。
超细矿物掺合料:比表面积1728m2/kg，其组成见表1。
表1 超细矿物掺和料的主要组成
Table 1 Major component of ultrafine admixtures(%)
|
SiO2 |
CaSO4·2H2O |
Na(AlSi3O8) |
Fe2O3 |
|
58.5 |
16 |
18.2 |
7.3 |
细骨料:本文选用细度模数为2.5的普通河砂。
减水剂:选取液体聚羧酸(固含量为40%)减水剂，其减水率大于30%。
拌合水:城市自来水。
1.2 试验方法
采用单因素控制法，测试水胶比相同条件下胶砂的流动性以及力学性能随超细矿物掺合料掺量变化的变化规律，超细矿物掺合料的掺量为0，5%，10%，15%，20%，25%，30%水泥的试样。
(1)流动度:以《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2000)为标准开展流动度试验，使用直尺测取浆体相交夹角成90°方向的最大直径，并将所测得数据的平均值作为其流动度。之后调整减水剂的用量，保证试样流动度相同(235±10mm)，水胶比为0.29。
(2)水泥胶砂强度:本试验以《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)为标准。针对胶砂3d、7d、28d强度进行测量。
(3)水化热:本文使用TAM Air微量热仪(8通道)对水泥净浆开展水化热检测分析，根据相关资料[11]分析本试验采用水灰比为0.5，通道环境的温度为20℃。从胶凝材料粉体与水混合开始进行测试。
(4)XRD分析:从抗压强度测试后龄期为28d的破碎试块中心部分取样，研磨然后置于干燥箱中干燥48h，用于XRD分析。
(5)SEM观察:使用S-4800扫描电子显微镜观察养护龄期为28d的硬化试样微观结构。
2 实验结果与讨论
2.1 超细矿物掺合料掺量对净浆流动度的影响
对加入不同掺量超细矿物掺合料的流动度进行测试，结果见图1。从图1(a)中可知，其初始的流动度达到245mm，当超细掺合料的掺量为5%时，流动度大幅度下降至183mm，降幅25.3%，随后随着掺合料的持续掺入，水泥净浆流动度单调递减。当超细矿物掺合料的掺量增大至25%后，水泥失去流动性。为了进行其力学性能及耐久性能的变化规律，本实验用减水剂控制各组试样在水灰比相同的条件下保持相同的流动度(235±10mm)。从图1(b)可以看出，若使净浆流动度保持不变，需添加更多减水剂以抵消超细矿物掺合料对净浆流动度的抑制作用。
图1 超细掺合料对净浆流动度影响
Fig.1 Effect of ultrafine admixtures on cement paste fluidity
由于超细矿物掺合料颗粒比水泥颗粒具有更高的比表面积，其在取代水泥加入体系中使得结构中颗粒的数目增多、体积增大，并且增大了胶凝材料体系的总表面积，增多了润湿水泥与掺和料颗粒表面的需水量，使得固体颗粒之间自由水的含量减少，因此超细矿物掺合料掺入后降低了水泥的流动性。
2.2 超细矿物掺合料掺量对胶砂强度的影响
掺入不同掺量的超细矿物掺合料后，水泥胶砂强度的变化如下图(图2)。由图2(a)可得，在标准养护条件下，随着超细矿物掺合料的掺量逐渐增加，水泥胶砂的抗压强度呈先增长而后下降的趋势。其中掺量10%时，3d龄期的抗压强度在最高时提高了10.45%，随后随着超细掺合料掺量的增多逐渐降低，当掺量为20%时抗压强度开始低于未掺加掺合料组试块。养护龄期为7d和28d的胶砂抗压强度也随着超细掺合料掺量的增加先上升后下降。同3d抗压强度相同，在掺量为10%时，7d的抗压强度到达峰值，增加了33.44%，过峰值后继续掺入超细掺合料，水泥胶砂的抗压强度不增反减，甚至在掺量为20%时会出现低于空白组强度的情况。而在超细矿物掺合料20%的添加量时胶砂28d龄期胶砂的抗压强度值最大，上升了23.76%，随后开始下降，当掺量为30%时水泥胶砂抗压强度开始低于空白组。说明掺入一定量的超细矿物掺合料后等待其充分反应可以提高胶砂的力学性能，但若掺量过高，超细矿物掺合料自身能对水泥胶砂提供的活性不足，从而导致强度下降。
图2 超细矿物掺合料对胶砂强度的影响
Fig.2 The influence of superfine admixture on cement mortar strength
由图2(b)可见，掺入超细矿物掺合料后，胶砂的早期抗折强度会受到一定影响。掺入超细矿物掺合料后，胶砂3d抗折强度逐渐降低，掺量至30%后，抗折强度低至4.38MPa，下降了23.57%。7d抗折强度先呈下降趋势，掺入25%的超细矿物掺合料后，抗折强度下降至最低，与未掺入掺合料时相比，下降了17.28%，随后逐渐回升。而28d龄期的抗折强度稳中有升，在掺入25%的掺合料后到达峰值，随后抗折强度有所下降。这说明:虽然超细矿物掺合料的加入使得水泥胶砂的3d以及7d的抗折强度减小，但掺入量在适当范围内，即掺量小于25%时，对28d龄期胶砂的抗折强度有所增益。
2.3 水化热分析
图3(a)(b)分别为掺入超细矿物掺合料对水泥水化速率和对水泥总放热量影响的曲线。由于超细掺和料掺量为20%时净浆力学性能最佳，水化热测试选此掺量与不掺加掺合料的水泥试样进行对比分析。由图3(a)可知，水泥与水拌和后迅速水解，出现放热峰，当超细矿物掺合料掺入后，加速了水泥的水化，降低了放热峰值和吸热谷值，使得放热峰出现的时间提前。从图3(b)可以看出，掺入超细矿物掺合料降低了放热的总量，产生的原因是由于超细矿物掺合料自身的水化热较小，超细掺合料的加入使得水泥材料的用量下降，从而致使反应产生的总热量减少。
图3 超细矿物掺合料对普通硅酸盐水泥水化热的影响
Fig.3 Effect of ultrafine mineral admixtures on hydration heat of ordinary portland cement
2.4 微观分析
超细矿物掺合料掺量为20%的试样(S4)和水泥试样(S0)养护28d龄期的XRD测试结果(图4)中可以看出，两组样品经水化反应后所得产物主要为:氢氧化钙、碳酸钙、二氧化硅、硅酸二钙与硅酸三钙(混合物)以及水化硅酸钙凝胶。与不掺入超细矿物掺合料的试样相比，掺入掺合料的试样氢氧化钙衍射峰强度减小，水化硅酸钙衍射峰强度大幅度增大，这表明，在水泥水化过程中，加入的超细矿物掺合料中的活性成分与水化产物进行了反应，并将其中的一部分分解，从而形成了水化硅酸钙凝胶。
图4 试样XRD曲线
Fig.4 Sample XRD curve
图5(a)(b)分别为不掺超细矿物掺合料试块与掺入20%超细矿物掺合料试块28d龄期时的微观形貌。如图所示，不论是否掺入超细矿物掺合料都可以在胶砂试块的微观结构中观察到絮状的水化硅酸钙凝胶和片状结构紧密粘结。从图5(a)中可以看出，未掺加超细矿物掺合料试件表面排列较为稀疏，其经水化反应后主要生成氢氧化钙、水化硅酸钙及水化硅铝酸钙。而图5(b)中看出试件的密实度更高，水化硅酸钙凝胶的占比有较为明显的提升，原因为水泥通过水化反应后其生成物中含有氢氧化钙，其与超细掺合料共同作用促进了其火山灰反应的进程。火山灰反应发生后的生成物水化硅酸钙凝胶进入了水泥试件结构的孔隙，同时与水泥颗粒的粒径相比，超细矿物掺合料的粒径较小，当其与水泥混合后，其内部结构的孔隙率得到有效改善。
图5 胶砂试块的微观形貌
Fig.5 Microstructure of cement mortar
3 结论
(1)超细矿物掺合料降低水泥净浆流动度，且掺量越大，流动度降低越显著，当掺合料掺量为5%时，流动度降幅为25.3%。
(2)掺入一定范围的超细矿物掺合料可以使水泥的3d、7d抗压强度有明显提高，降低其3d、7d抗折强度;28d时，超细矿物掺合料掺量低于25%对水泥抗压强度以及抗折强度均有促进作用。掺入20%超细矿物掺合料后，水泥胶砂28d抗压强度升至顶峰;掺入25%超细矿物掺合料后，水泥胶砂28d抗折强度提高至最高点。
(3)超细矿物掺合料的掺入缩短了水泥水化反应出现放热峰的时间，并减小了放热总热量。超细矿物掺合料的加入可以有效提高胶凝材料的密实度，其颗粒对结构中的孔隙密实起到了促进作用，并与水泥水化反应生成物发生反应，其反应生成物水化硅酸钙凝胶进入到胶砂的孔隙中，使胶砂的密实度有很大的改善。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:李听雨，li846498@163.com
收稿日期:2023-03-06; 录用日期:2023-03-21; 发表日期:2023-03-28
基金项目:国家自然科学基金项目(52108235)资助。
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Experimental Study on the Effect of Ultrafine Mineral Admixtures on the Mechanical Properties of Cement Mortar
(School of Materials Science and Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang110168, China)
Abstract: Objective: The effect of ultrafine mineral admixtures on the mechanical properties of grouting mortar was studied. Methods: In this paper, the compressive strength and flexural strength of the mortar with different contents of ultrafine mineral admixture replacing cement were tested respectively, and the heat of hydration was tested. XRD and SEM were used to analyze the changes in the microstructure characteristics after the addition of ultrafine mineral admixture. Results: after the addition of 5% ultrafine mineral admixture, the fluidity of cement slurry decreased by 25. 3%, and the fluidity gradually decreased with the gradual increase of ultrafine mineral admixture. With the addition of superfine mineral addition, The compressive strength increased steadily and gradually decreased thereafter, while the content of superfine mineral added was 20%, the strength of rubber sand reached the maximum value at 28 days, which increased by 23. 76% compared with the test block without admixture. The flexural strength of 3d and 7d of rubber sand was weakened by the incorporation of ultrafine mineral admixture, and the flexural strength of 28d increased slowly with the incorporation of ultrafine admixture, and the flexural strength value reached the maximum when the dosage was 25%. The heat of hydration and microstructure analysis showed that the sand system produced more hydrated calcium silicate gel filling into the structure of the sand after the addition of ultrafine mineral admixture. Conclusion: a certain amount of ultrafine mineral admixture has remarkable influence on the compression strength of rubber sand, and the flexural strength of 3d and 7d is weakened, and increases the flexural strength of 28d.
Keywords: Ultrafine mineral admixtures, cement, mechanical properties, heat of hydration
DOI: 10.48014/pcms.20230306001
Citation: DING Xiangqun, LI Tingyu, YANG Baoxin. Experimental study on the effect of ultrafine mineral admixtures on the mechanical properties of cement mortar[J]. Progress in Chinese Materials Sciences, 2023, 2(1): 1-7.