矿物掺合料对掺有速凝剂的水泥砂浆力学性能的影响

王喆，黄天勇，刘泽，王栋民

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

矿物掺合料对掺有速凝剂的水泥砂浆力学性能的影响

王喆，黄天勇，刘泽，王栋民

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

本研究固定速凝剂的掺量为 5%，研究三种不同掺量的矿物掺合料单掺、双掺、三掺对水泥砂浆力学性能的影响。结果表明：粉煤灰和硅灰的掺入均能够提高砂浆的抗压强度，但抗压强度随着粉煤灰的掺量增加而降低，随着硅灰的掺量增加而增大。当掺入石灰石粉时，在掺量为 5% 时，砂浆的抗压强度有提高，并且抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而降低。三种矿物掺合料双掺时，掺入 5% 的硅灰和 20% 的粉煤灰砂浆的抗压最好，三种矿物掺合料三掺时，掺入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和10% 石灰石粉砂浆的抗压强度最好。同时加入速凝剂的水泥砂浆，硅灰和粉煤灰对于水泥砂浆强度有很好的增强效果，少量的石灰石粉对于水泥砂浆有一定的增强效果，但是石灰石粉掺量超过 5% 时，水泥砂浆会随着石灰石粉掺量的增加而明显降低。

矿物掺合料；速凝剂；复掺；强度

喷射混凝土 (Sprayed Concrete) 是用于加固和保护结构或岩石表面的一种具有速凝性质的混凝土。喷射混凝土常用于灌筑隧道内衬、墙壁、天棚等薄壁结构或其他结构的衬里以及钢结构的保护层，简称“锚喷”[1,2]。近年来喷射混凝土发展迅速，应用日益广泛，不但在煤矿井巷、隧道、高速公路边坡中得到应用，而且由于其施工简单，在建筑物的加固、结构修复中得到全面应用[3]。

速凝剂是喷射混凝土施工法中不可缺少的添加剂，我国对低碱（无碱）液体速凝剂的研究则是刚刚开始，还处在初级阶段，并且许多工程项目由于使用速凝剂使得喷射混凝土的后期强度下降而遭破环[4]。

混凝土材料需要消耗大量的能源和自然资源，如何更经济地应用这些材料，并尽量节省资源，适应当前低碳环境的要求显得尤为重要。随着混凝土技术的发展，尤其是高性能混凝土应用越来越普遍，矿物掺合料已经与水泥、集料、水和外加剂一样受到重视，成为混凝土的一种重要组成材料[5]。

国内外学者在速凝剂种类、掺量对砂浆强度的影响上做过很多研究[4,6-9]，但并没有学者对掺速凝剂下矿物掺合料对强度的影响做研究。硅灰、粉煤灰是喷射混凝土必需的掺合料，本实验在研究粉煤灰、硅灰的同时，增加研究了石灰石粉这种并未在喷射混凝土上用过的材料，主要是考虑实际生产中喷射混凝土粘度大，希望通过研究三种掺合料的单掺、复掺对砂浆力学性能的影响，为矿物掺合料在喷射混凝土实际工程中的推广和应用提供科学依据。

1 原材料及试验方法

水泥：水泥选用北京金隅 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥的性能

矿物掺合料：所使用的硅灰为超细硅粉（SF）；使用的粉煤灰（FA）为亮灰色，有金属光泽；使用的石灰石粉（CA）属钙质石灰石粉。

细骨料：试验所用砂子为机制砂，细度模数为 2.72，级配属于 Ⅱ 区，孔隙率为 42.29%，吸水率为 2.8%，表观密度为2695kg/m3，堆积密度为 1556kg/m3。原材料粒径分布见图1。

图1 原料累计粒径分布

外加剂：减水剂选用四川成都吉龙外加剂有限公司生产的萘系减水剂，性能指标见表2。

表2 减水剂性能指标

1.2 试验方案

按照表4 的矿物掺合料配合比，根据 GB/T 17671—1999速凝剂：选用北京瑞吉达科技有限公司生产的液体速凝剂，检验标准按照 JC 477—2005《喷射用混凝土速凝剂》，测得性能指标如表3。《水泥砂浆强度检验方法（ISO）》砂浆配合比为胶凝材料450g、机制砂 1350g、水180g（w/c=0.4）、粉体萘系减水剂3.6g（0.4%）、速凝剂 22.5g（5%），测定 1d、3d、7d、28d抗折、抗压强度。

考虑到速凝剂快凝的性质，并不在搅拌前随水、减水剂、胶凝材料一起加入。在初始加入水时，预留 10ml 水与速凝剂混合搅匀，等常规搅拌结束后加入搅拌机内，并马上开启手动模式快搅 30s，之后立即装模。在机器振捣的同时采用人工振捣辅助成型。

表3 速凝剂性能指标

表4 试验方案 %

2 结果与讨论

图2 FA 对砂浆强度的影响

图3 SF 对砂浆强度的影响

图4 CA 对砂浆强度的影响

2.1 粉煤灰对砂浆强度的影响

单独掺入粉煤灰试验结果如图2 所示。从结果中可以看出粉煤灰掺量为 5% 时强度最高，随掺量增加强度呈下降趋势，1d 时除掺量 5% 的试样，其余强度均小于空白样，之后强度快速增长，3d 相比 1d 增长 71.3%，后期增长缓慢，28d相比 3d 增长 31.2%。

这主要是因为粉煤灰不具有独立的水硬性，其玻璃体微珠表层活性的 SiO2及 Al2O3需要通过与水泥水化产物 Ca(OH)2发生二次水化反应[10,11]。一天强度没有变化是因为由于速凝剂的加入大量消耗 CaSO4·H2O，使水泥中的 C3A 快速和Ca(OH)2反应，使 Ca(OH)2含量降低导致粉煤灰的二次水化反应推迟。又由于速凝剂本身呈碱性，C3A 水化完成后粉煤灰在早期就发生强烈的二次水化反应，使早期强度增强。

2.2 硅灰对砂浆强度的影响

单独掺入硅灰试验结果如图3 所示。随着硅灰掺量的增加抗压强度明显增大，1d 时除掺量 3% 的试样，其余强度均小于空白样，3d 抗压强度最高可以达到 41.2MPa，最低也有36.6MPa，28d 掺硅灰 10% 的抗压强度更是达到 61.3MPa。

1d 强度与空白组没明显变化，同样是因为 C3A 水化消耗Ca(OH)2使硅灰的火山灰反应无法进行。后期强度提高明显有两方面原因：一是由于硅灰的比表面积大，加入后致使系统密度增大，所使用超细硅粉粒度小，填充到水泥空隙内，增强了胶黏体系的凝聚性，使体系更加密实[12]；二是 C3A 水化结束后，溶液中 Ca(OH)2含量增加，硅灰进行火山灰反应。

2.3 石灰石粉对砂浆强度的影响

单独掺入石灰石粉试验结果如图4 所示。从抗压强度中可以明显看出随石灰石粉掺入量增加强度下降，1d 强度均小于空白样，1d 以后掺 5% 试样的强度均高于空白样，掺 10%的试样在 28d 时强度开始低于空白样，掺 15% 的试样在 7d时强度就比空白样低 25%。

石灰石粉在胶凝体系中主要起微集料的作用，加入量较少时可以填充到水泥缝隙中使体系密实、强度增加，而石灰石大量加入时，相对减少了体系中胶凝材料的量，造成强度下降[13]。同时石灰石粉在水泥硬化过程中还起到一定的加速效应，由于速凝剂的效果，使石灰石粉的加速效应在 3d 左右最为显著。

2.4 双掺对砂浆强度的影响

（1）在固定掺入 5% 硅灰的前提下，再掺入粉煤灰试验结果如图5 所示。

从图5 中可以看出，在 1d 时随粉煤灰掺量增加抗压强度下降，强度均低于空白组，1d 之后随粉煤灰掺量增加抗压强度开始增大，3d、7d 时三组的抗压强度与空白样相差不大，28d 时三组强度各高出空白样 10%、13%、17%。粉煤灰、硅灰同时掺入水泥中，三种材料的平均粒径分别处于三个不同的数量级，因而更加优化了微集料级配，有利于紧密堆积和填充，并迅速与水泥水化产物 Ca(OH)2起二次反应，生成 C-S-H 凝胶，改善单掺粉煤灰时随掺量增加强度下降的情况。

（2）在固定掺入 5% 硅灰的前提下，再掺入粉煤灰试验结果如图6 所示。

在图6 中可以明显看出，随石灰石粉掺量增加，抗压强度下降，但下降幅度较小。这是因为石灰石粉与硅灰同时加入时，因硅灰比表面积大限制了石灰石粉的微集料效应。双掺硅灰—石灰石粉最大的特点就是早期强度低，但随着水化继续进行强度增加大。

图5 SF-FA 对砂浆强度的影响

图6 SF-CA 对砂浆强度的影响

图7 三掺对砂浆强度的影响

2.5 三掺对砂浆强度的影响

在固定掺入 5% 硅灰的前提下，再掺入石灰石粉、粉煤灰，试验结果如图7 所示。

三掺的强度经时趋势与双掺类似，不过 1d 强度更低，随水化进行强度提升更大，抗压 1d 强度为 28d 强度的 39% 左右。从抗压强度来看，随着石灰石粉和粉煤灰掺量增加强度都降低，不过多掺石灰石粉的试样强度更低。这主要是因为掺量增加后，集料效应不明显，却导致水泥量减少，致使强度下降。

3 总结

（1）速凝剂的加入使前期体系中 Ca(OH)2含量低，硅灰和粉煤灰的火山灰反应受到限制，导致单掺 1d 强度与空白样差别不大，但复掺由于水泥量的下降使 1d 强度比空白样降低较多。

（2）单掺时粉煤灰和石灰石在掺量为 5% 时强度最高，随掺量增加强度降低。但掺粉煤灰 15% 时强度依旧高于空白样，而掺石灰石粉超过 5% 强度便低于空白样。硅灰提升强度效果明显随掺量增加强度增加。

（3）双掺时粉煤灰对强度的提升明显优于双掺石灰石粉，随粉煤灰掺量增加强度增大，随石灰石粉掺量增加强度减小。

（4）三掺时掺入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和 10% 石灰石粉强度最高，随着石灰石粉和粉煤灰掺量增加强度都降低，但多掺入石灰石粉的试样强度降低更明显。

（5）双掺、三掺都会导致 1d 强度低于空白样的情况，随着水化继续进行，强度提升较空白样快，绝大部分样品的28d 强度高于空白样。

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［通讯地址］北京市海淀区学院路丁 11 号 中国矿业大学（北京）（100083）

王喆（1990—），男，硕士研究生。主要从事水泥混凝土及外墙防水砂浆等方向的研究。