矿物掺合料对水泥基自流平砂浆性能影响研究

胡冉，方从启，孙红运，薛文涛

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

矿物掺合料对水泥基自流平砂浆性能影响研究

胡冉，方从启，孙红运，薛文涛

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

研究了不同掺量粉煤灰、矿渣、硅粉对水泥基自流平砂浆抗压强度、抗折强度和流动性的影响。结果表明：在砂浆中掺入粉煤灰时，砂浆流动性及强度随粉煤灰掺量的增加呈现先增大后减小的趋势；复掺时，等量矿渣和粉煤灰双掺及等量矿渣、粉煤灰和硅粉三掺砂浆的流动度提高最为显著，均达到350 mm，并且其抗压强度高于同龄期基准水泥及单掺粉煤灰10%的砂浆。

自流平砂浆；矿物掺合料；流动度；抗压强度；抗折强度

0 引言

自流平砂浆是一种由混合胶凝材料、细骨料、矿物填料及添加剂等组成的地面用材料，具有承载能力及装饰作用。使用时将粉料、液料搅拌均匀或按规定比例加水搅拌，经人工施工或机械泵送之后，不需人工摊铺、振捣平整，即可靠浆体的高度流动性形成平整的平面。具有流动性极佳、工作性良好、施工效率高、表面光滑平整等优点，能满足工程建设的诸多要求[1]。自流平材料按主要基材不同分为无机系和有机系2类：无机系自流平材料主要指石膏基及水泥基自流平材料；有机系自流平材料主要指环氧自流平材料。鉴于有机系自流平材料价格昂贵，石膏基自流平材料存在诸多弊病（石膏耐水性较差且呈酸性或中性），水泥基自流平材料得到了更为广泛的关注。

自流平砂浆的性能指标主要有流变性能和力学性能，通常用砂浆流动度及不同龄期的抗压强度来表征。矿物掺合料被认为是普通混凝土高性能化不可缺少的材料[2]。自流平材料组分较为复杂，目前矿物掺合料对其性能影响的研究尚不全面，因此考虑不同种矿物掺合料单掺、复掺可为自流平材料在工程中的应用提供基础。本文选取了粉煤灰、矿渣及硅粉3种不同矿物掺合料，研究其单掺及复掺、三掺对水泥基自流平材料性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：上海海螺水泥有限公司的P·O42.5水泥，主要性能指标见表1；凯诺斯（中国）铝酸盐技术有限公司的CA-50型高铝水泥，主要性能指标见表2。2种水泥的主要化学成分见表3。

（2）矿物掺合料：粉煤灰，上海吴泾发电厂提供，比表面积2600 cm2/g，密度2.33 g/cm3；硅粉，上海天恺有限公司提供，粒径为0.01～0.10 mm，比表面积20～28 m2/g；矿渣，湖南邵峰水泥厂生产，80 μm方孔筛筛余2.5%，碱性系数M0＞1.0、活性系数Ma＞0.12、质量系数Mk＞1.0，属碱性矿渣，碱性较高。矿物掺合料的主要化学成分见表3。

表1 普通硅酸盐水泥的主要物理力学性能

表2 铝酸盐水泥的主要物理力学性能

表3 水泥和矿物掺合料的主要化学成分 %

（3）膨胀剂：唐山北极熊建材有限公司生产的高效CSA膨胀剂；消泡剂：龙湖科技有限公司生产的P803消泡剂；减水剂：苏州弗克新型建材有限公司生产的聚羧酸增强减水剂，建议掺量为胶凝材料质量的0.2%～0.5%，减水率为20%；砂：长江水域河砂，细度模数2.8，含泥量＜0.5%；拌和水：自来水。1.2试验配比

试验配比参考文献[3-11]及试验经验确定如下：水胶比为0.28，砂胶比为1.55，消泡剂、减水剂掺量分别占胶凝材料质量的0.5%、0.4%保持不变。试验具体配比见表4。

表4 水泥基自流平砂浆的配比 %

1.3 试验方法

搅拌方式、流动度和力学性能测试参照JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》进行。每组试验成型4个40 mm× 40 mm×160 mm三连模试件用来测试抗折和抗压强度；流动度试验采用截椎试模（高60 mm，上、下口的内径分别为70、100 mm）和500 mm×500 mm×500 mm的玻璃板进行测试；自愈性采用划痕方法进行表征：用刮刀在倒出后平摊在玻璃板上的砂浆表面划痕，砂浆表面快速愈合表征自愈性能良好，砂浆表面不能快速愈合表征自愈性能较差。试件制备后在环境温度（23± 2）℃、相对湿度（50±5）%、试验区的循环风速低于0.2 m/s标准试验条件下进行养护。

2 试验结果与讨论

2.1 矿物掺合料对水泥基自流平砂浆流动性的影响

2.1.1 单掺矿物掺合料对自流平砂浆流动性的影响（见表5）

表5 单掺矿物掺合料对自流平砂浆流动性的影响

由表5可知：

（1）分别单掺3种矿物掺合料（P-1～P-3）时，只有掺粉煤灰可以提高自流平砂浆的流动度，与基准砂浆P-0相比流动度提高了6.8%；单掺硅粉和矿渣均使砂浆的流动度降低，其中单掺矿渣自流平砂浆的流动度降低最大，较基准砂浆降了27.1%，并且自愈性能较差。因此不考虑更大掺量单掺硅粉及矿渣。

（2）单掺粉煤灰（P-3～P-5）时，拌和物的流动度均大于基准砂浆，达到了300 mm以上。这说明粉煤灰确实能够提高水泥砂浆的流动性。这是因为，球状颗粒的粉煤灰对砂浆的流动可以起到滚珠润滑作用，另一方面，由于粉煤灰与水泥相比初期水化反应速度较低，因此其对高效减水剂的吸附较少，这使得高效减水剂能够充分用于提高砂浆的流动度。但粉煤灰对于砂浆流动度的提高效果存在着一定的限度。当粉煤灰掺量由10%增加到30%时，拌和物的流动度先增后降，这说明过多的粉煤灰对砂浆流动度的提高效果并不明显。

2.1.2 双掺或三掺矿物掺合料对自流平砂浆流动性的影响（见表6）

表6 双掺或三掺矿物掺合料对自流平砂浆流动性的影响

由表6可知：掺合料总掺量为40%时，掺30%粉煤灰+10%矿渣的砂浆流动度较掺30%粉煤灰+10%硅灰的增大了20 mm。掺合料总掺量为30%时，掺15%粉煤灰+15%矿渣及10%粉煤灰+10%矿渣+10%硅灰的砂浆流动度都达到了350 mm以上，但后者的保水性比前者要好；掺15%粉煤灰+15%硅粉与15%矿渣+15%硅粉的砂浆流动度相差不大，分别为330、335 mm。

这主要是因为，矿渣中的玻璃体多为密实的，本身需水量小，粉煤灰中除了密实的球形玻璃体外，还有比表面积较大的疏松多孔玻璃体和未燃炭粒，会吸收较多的水。矿渣和粉煤灰一样，在早期的反应中由于其水化速度都较慢，对高效减水剂的吸附较少，因而使得高效减水剂能够充分发挥分散作用，从而提高砂浆的流动度。

硅粉虽然对增大砂浆流动度的效果不甚明显，但是却能保证砂浆的和易性，且掺入硅粉的砂浆拌和物没有出现泌水现象。其原因在于以下3个方面：（1）由于硅粉颗粒极细，活性很强，具有胶凝材料的性质，它可以与周围的碱溶液中的离子进行化学反应，形成水化产物。因而掺入硅粉使得新拌混凝土的粘聚性和内聚力增强，离析的可能性降低；（2）由于硅粉的比表面积非常大，具有吸附水分的能力，在新拌混凝土中的许多自由水都被硅粉颗粒所约束，因而减少了新拌混凝土的离析现象和泌水现象；（3）由于几何形状和尺寸的特殊性，硅粉能够有效地填充水泥颗粒之间的空隙，使颗粒堆积更密实、颗粒分布更均匀。

综合看来，粉煤灰、硅粉和矿渣的三掺对砂浆流动性的改善效果最理想，三者掺量均为10%时，砂浆流动度较基准砂浆提高20.3%。

2.2 矿物掺合料对水泥基自流平砂浆力学性能的影响

2.2.1 单掺矿物掺合料对自流平砂浆强度的影响（见表7）

表7 单掺矿物掺合料对自流平砂浆强度的影响

从表7可以看出：

（1）分别单掺3种矿物掺合料（P-1～P-3）时，单掺硅粉及矿渣的自流平砂浆抗压及抗折强度均有提高；单掺粉煤灰的自流平砂浆早期抗压强度降低，但后期抗压及抗折强度均有提高。这表明，当水胶比、砂胶比一定时，掺入适量矿物掺合料可提高砂浆的强度。

（2）单掺粉煤灰（P-3～P-5）时，随粉煤灰掺量从0增加至30%，砂浆的3 d、28 d抗压强度先提高后降低，7 d抗压强度不断降低。粉煤灰掺量为10%时，砂浆的3 d、28 d抗压强度较基准砂浆分别提高6.3%、4.0%。通过分析抗压强度提高幅度可知，粉煤灰的掺入有利于提高砂浆的28 d抗压强度。各龄期抗折强度的变化趋势与抗压强度大致相同。

综合看来，由于粉煤灰的微集料效应和火山灰活性，当粉煤灰掺量较少时，在水泥水化早期（3 d、7 d），磨细粉煤灰填充在水泥大颗粒及水泥与砂之间，优化了颗粒级配，从而提高了水泥石的密实度，使强度提高，同时粉煤灰具有较好的火山灰活性，当粉煤灰掺量＜30%时，在水化后期能较快地与熟料矿物水化产生的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙，使水泥石结构更为致密，从而使后期强度有所提高。

2.2.2 双掺或三掺矿物掺合料对自流平砂浆强度的影响（见表8）

表8 双掺或三掺矿物掺合料对自流平砂浆强度的影响

由表8可知，双掺或三掺矿物掺合料时，硅粉和矿渣双掺的水泥砂浆抗压强度最高，其28 d抗压强度达到103.9 MPa，比同龄期单掺粉煤灰和基准砂浆的抗压强度都高。这说明双掺硅粉和矿渣对提高硬化水泥砂浆的抗压强度效果显著。

虽然粉煤灰、硅粉和矿渣都具有火山灰活性效应和微集料填充效应，但是三者的活性效应有较大差别。

（1）与粉煤灰、矿渣相比，硅粉中无定形二氧化硅含量高、比表面积大、颗粒平均尺寸小，在掺入砂浆后，其活性作用更容易发挥，所以硅粉的活性作用和微集料填充作用都是最好的。硅粉掺入砂浆后，对砂浆抗压强度的提高程度远超过粉煤灰和矿渣。但是由于活性作用的过早发挥，使得硅粉对砂浆抗压强度的贡献主要在28 d之前，对长期强度的贡献不如矿渣或粉煤灰。

（2）与粉煤灰相比，矿渣的活性较高，在水泥水化形成的碱性环境下，矿渣玻璃体很容易解体，使得玻璃体中的活性铝、硅释放出来，参与水化反应，生成水化产物，因此矿渣水泥砂浆虽然早期强度较低，但后期能够较快增长，后期强度甚至超过基准水泥砂浆。粉煤灰与矿渣相比，由于粉煤灰的玻璃体钙含量较低而硅含量较高，[SiO4]4-又多以高聚体为主，因此粉煤灰中的玻璃体解体较困难，在水泥水化形成的碱性环境下解体速度很慢，与矿渣水泥砂浆相比，粉煤灰水泥砂浆早期强度比较低，但是后期强度（28 d以后）却能迅速的增长，增幅比矿渣水泥大。

综合来看，对28 d前水泥砂浆抗压强度的贡献依次是：硅粉>矿渣>粉煤灰。所以，在同等掺量的情况下，3组双掺水泥砂浆的强度依次是：硅粉+矿渣>硅粉+粉煤灰>矿渣+粉煤灰。

粉煤灰、硅粉和矿渣三掺水泥砂浆的3 d和28 d的抗压强度都只仅次于矿渣和硅粉双掺砂浆，且差别很小。由掺合材料的特性可以推断，由于后期粉煤灰对强度的贡献将会增大，三掺砂浆的后期强度极有可能会达到甚至超过矿渣和硅粉双掺砂浆的强度。

从表8还可以看出：虽然双掺和三掺砂浆的早期抗压强度不如基准砂浆，但28 d时，硅粉和矿渣双掺砂浆与三掺砂浆的抗压强度超过了基准砂浆。经过比较发现，各龄期抗折强度的发展趋势与抗压强度大致相同。

3 结论

（1）单掺矿物掺合料时，掺入粉煤灰可使砂浆流动度较基准砂浆提高6.8%，掺入硅粉和矿渣使砂浆流动度较基准砂浆分别降低10.2%、27.1%。但粉煤灰对于砂浆流动度的提高效果存在限度，掺量大于20%时反而会使流动度稍有降低。

（2）双掺及三掺矿物掺合料时，粉煤灰、硅粉和矿渣的三掺对砂浆的流动性及保水性改善效果最理想，流动度较基准砂浆提高20.3%。

（3）单掺硅粉及矿渣的自流平砂浆抗压及抗折强度均有提高；单掺粉煤灰的自流平砂浆早期抗压强度降低，但后期抗压及抗折强度均有提高。单掺粉煤灰时，当粉煤灰掺量>10%时，随粉煤灰掺量的增加，抗压及抗折强度均逐渐降低。

（4）双掺或三掺矿物掺合料时，对砂浆强度提高最大的为矿渣和硅粉双掺砂浆，其28d抗压强度高达103.9MPa。粉煤灰、硅粉和矿渣三掺水泥砂浆强度仅次于矿渣和硅粉双掺砂浆，其28d抗压强度为102.0MPa。考虑粉煤灰对后期强度的影响，粉煤灰、硅粉和矿渣三掺对自流平砂浆强度提高效果最好。

[1]王学森，朱双华，杜保旗，等．超级自流平砂浆研究[J]．混凝土，2001（10）：21-23.

[2]冯乃谦.高性能混凝土技术[M].北京：原子能出版社，2000.

[3]王学森，朱双华，杜保旗，等．单掺硅灰自流平砂浆性能的改进[J]．新型建筑材料，2002（6）：30-32.

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Effect of mineral admixture on performance of cementitious self-leveling mortar

HU Ran，FANG Congqi，SUN Hongyun，XUE Wentao
（Department of Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Research on the self-leveling cement-based material compressive strength，flexural strength and fluidity of different amount of fly ash，slag and silica fume.Test results have shown that：single with fly ash，mortar fluidity and strength with an increase in the amount of fly ash added exhibits first increased then decreased.When mixed with different mineral admixtures，the same amount of slag and fly ash，and the same amount of slag，powder ash and silica fume ash applying mortar improve fluidity most significantly，both up to 350 mm.And its compressive strength is not only larger than that of standard cement of the same age，but also larger than that of mortar with only 10%fly ash.

self-leveling mortar，mineral admixture，fluidity，compressive strength，flexural strength

TU56+4.6

A

1001-702X（2016）11-0001-04

国家自然科学基金项目（51178264）；铁道部科技研究开发项目（J2001G003）

2016-04-23；

2016-05-25

胡冉，女，1992年生，山西太原人，硕士研究生。