水泥砂浆矿物掺和料的筛选及性能

谢 迁，陈小平，温丽瑗，郎春燕

(1.广东石油化工学院工业催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大学材料与化学化工学院，成都 610059)



水泥砂浆矿物掺和料的筛选及性能

谢 迁1,2，陈小平1，温丽瑗1，郎春燕2

(1.广东石油化工学院工业催化研究所，茂名 525000；2.成都理工大学材料与化学化工学院，成都 610059)

矿物掺和料被广泛用于水泥砂浆的制备，但由于其成份、粒度、比表面等因素，致使矿物掺和料对水泥砂浆性能的改善产生一定差异。如何筛选出使水泥砂浆性能达到最佳的矿物掺和料是制备高性能水泥砂浆的重要考虑因素。本文选取粉煤灰、钢渣、矿渣、煤渣、偏高岭土5种物质作为水泥砂浆矿物掺和料，通过对其水胶比、保水率、凝结时间、抗压强度、收缩率等性能进行综合对比筛选，并采取扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射(XRD)对其水化产物形貌进行微观表征。结果表明：钢渣与矿渣更适合作为砂浆矿物掺和料，当其掺量分别为30%和40%，对砂浆改性效果较佳。

水泥砂浆； 矿物掺和料； 性能； 筛选

1 引 言

近年来高性能水泥砂浆的快速发展带动了矿物掺和料的应用，由于矿物掺和料含有大量SiO2、Al2O3等活性成份，在常温下能与水泥水化产物发生“火山灰效应”以及自身兼有的“颗粒形态效应”、“微集填料效应”，将其代替胶凝材料而掺入砂浆，对砂浆和易性、力学性能、耐久性能等发展具有较好的优势[1,2]。因此，矿物掺和料成为发展高性能水泥砂浆过程中不可缺少的成份，目前用于砂浆的矿物掺和料主要源于工业固体废弃物及天然矿物，如粉煤灰[3]、钢渣[4]、矿渣[5]、煤渣[6]、偏高岭土[7]等，而各类矿物掺和料由于其自身因素(细度、比表面、化学成份等)的影响，对砂浆性能的改性效果存在一定差异。因此，开展水泥砂浆矿物掺和料的筛选工作，不仅为矿物掺和料应用于水泥砂浆提供理论性的依据及参考，还对发展高性能水泥基材料产业赋予优异的经济及环境效益。

据文献显示，硅灰改性水泥基材料通常外掺形式引入砂浆[8]，而石灰石主要成分为碳酸钙，在水化过程中表现为非火山灰效应[9]。因此，本文选取粉煤灰、矿渣、钢渣、煤渣及偏高岭土5种常用且具有火山灰活性的物质作为水泥砂浆矿物掺和料，根据砂浆的流动性能、保水性能、凝结时间、力学性能及收缩性能的变化规律以及其水化产物的微观分析，对5种矿物掺和料进行综合对比筛选研究。

2 实 验

2.1 原材料

水泥为P·O 32.5普通硅酸盐水泥；5种矿物掺和料：粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，由茂名某混凝土搅拌站提供，比表面为456 m2/kg；矿渣为茂名矿渣厂磨制，其比表面为442 m2/kg；钢渣为北海某钢厂磨细钢渣粉，比表面为468 m2/kg；煤渣为茂名某煤炭厂排放，经磨细比表面为450 m2/kg；偏高岭土为茂名本地资源，比表面为444 m2/kg；砂为细度模数为2.65左右的天然河中砂，化学外加剂：保水增稠剂(HPMC)、可再分散乳胶粉(EVA)、消泡剂、洁净自来水。

2.2 实验方法

砂浆胶砂比为1∶3，通过用水量调节浆体稠度为(100±2) mm(该方法更符合施工现场要求)；HPMC掺量为胶凝材料0.15%，EVA掺量为胶凝材料1.5%，消泡剂掺量为胶凝材料0.15%；矿物掺和料采用内掺法代替部分水泥作胶凝材料，每种矿物掺和料取代水泥的质量分数均为10%、20%、30%、40%、50%。砂浆制备过程采取先干混后湿拌，干混、湿搅时间均不低于3 min；各性能测试方法均参考JGJ 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》。

3 结果与讨论

3.1 矿物掺合料对砂浆水胶比、保水性能、凝结时间影响

图1通过水胶比的变化规律展示了各矿物掺和料对砂浆流动性能的影响规律，可看出粉煤灰、矿渣、钢渣随其掺量增加，水胶比下降，主要因为粉煤灰、矿渣、钢渣由球状颗粒的玻璃体构成，具有“颗粒形态效应”，在水泥颗粒间起到润滑作用而提高砂浆流动性；对于偏高岭土，砂浆水胶比略有增加趋势，对流动性影响不明显；而煤渣因其表面疏松多孔，具有一定吸水作用，导致砂浆水胶比上升，使流动性下降。上述分析可看出，钢渣、矿渣、粉煤灰具有提高砂浆流动性作用，且粉煤灰>矿渣>钢渣，偏高岭土与煤渣使砂浆流动性降低，煤渣降低幅度较大。

图1 5种矿物掺和料掺量对砂浆水胶比影响 Fig.1 Effect of five mineral admixtures content on mw/mb of mortar

图2 5种矿物掺和料掺量对砂浆保水率影响 Fig.2 Effect of five mineral admixtures content on setting time of mortar

由图2可看出，粉煤灰、钢渣、矿渣、偏高岭土有利于提高砂浆保水性能，主要是由于矿物掺合料粒径小、比表面高，对水的吸附能力、浆体粘聚性、中断浆体泌水通道的连续性具有促进作用，间接起到保水功能[1]，其中粉煤灰、钢渣、偏高岭土提高幅度相当，矿渣次之。而煤渣对砂浆保水性能具有负面影响，主要因为煤渣颗粒表面疏松多孔，形貌为斜四棱柱体，结晶度较差，其颗粒间储存水分“空间”加大，致使砂浆泌水性不断变大[10]。由此可判定该5种掺和料改善砂浆保水性能规律为：粉煤灰、钢渣、偏高岭土效果较好，矿渣次之，煤渣具有降低保水性能缺陷。

图3 5种矿物掺和料掺量对砂浆凝结时间影响Fig.3 Effect of five mineral admixtures content on water-retention rate of mortar

图3为5种矿物掺合料对砂浆凝结时间的影响，由于矿物掺和料颗粒填充于水泥颗粒之间而减小水泥与水之间接触面积，并且其水化活性较水泥熟料要低，通常情况下矿物掺合料对水泥浆体具有缓凝效应。从图3可看出，矿渣、粉煤灰缓凝作用较强；而钢渣、煤渣在其掺量为30%之前，几乎无缓凝效果，掺量大于30%之后，缓凝效果逐渐增加；而偏高岭土同其它4种掺合料有较大差异，随其掺量增加砂浆凝结时间逐渐缩短，主要是偏高岭土具有较好分散性，对水泥颗粒溶解产生稀释效应，同时其自身的大比表面积为水泥水化提供“晶核”，起到加速水化产物析出、沉淀作用[7]。通过分析可得到结论：粉煤灰与矿渣缓凝效果较强烈，钢渣与煤渣缓凝效果较弱；而偏高岭土对砂浆具有促凝作用，不利于施工。

3.2 矿物掺合料对砂浆力学性能影响

图4 5种矿物掺和料掺量对砂浆7 d抗压强度影响 Fig.4 Effect of five mineral admixtures content on 7 d compressive strength of mortar

图5 5种矿物掺和料掺量对砂浆28 d抗压强度影响 Fig.5 Effect of five mineral admixtures content on 28 d compressive strength of mortar

由图4、图5可知，部分矿物掺和料掺入对砂浆力学性能发展有利，主要是矿物掺和料中的活性组分同水泥水化产物发生火山灰反应生成的凝胶对砂浆力学强度具有贡献作用[1]，但不同矿物掺合料对砂浆的7 d、28 d抗压强度的发展具有一定差异。如粉煤灰拌制的砂浆7 d抗压强度随其掺量增加逐渐下降，28 d抗压强度随其掺量增加呈现先增加后降低趋势，在掺量为10%时达最大，较空白试件提高8.3%。矿渣、偏高岭土、钢渣拌制的砂浆7 d、28 d抗压强度发展规律较相似，都呈现先增加后降低趋势，其7 d抗压强度在各自掺量为40%、10%、30%时，较空白试件提高20.3%、14.3%、24.8%；28 d抗压强度在各自掺量为40%、30%、30%时较空白试件提高26%、30.7%、22%。但煤渣拌制的砂浆7 d、28 d抗压强度总体上随其掺量增加出现不同层次下降，仅在掺量为10%时，7 d、28 d抗压强度较空白提高3.7%、4.9%。由上述分析可知，粉煤灰、矿渣、偏高岭土对砂浆抗压强度表现为前期提升幅度低，后期提升幅度高；煤渣、钢渣对砂浆抗压强度表现为前后期提升幅度相当，但煤渣远不如钢渣。

通过对比各种掺和料对砂浆前后期抗压强度的影响规律，可推断出5种矿物掺和料的改善效果为：偏高岭土与矿渣效果最好，钢渣次之，粉煤灰与煤渣效果最差。

3.3 矿物掺和料对砂浆干缩性能影响

图6～图10展示了5种矿物掺和料对砂浆各龄期的收缩影响。

图6 粉煤灰对砂浆收缩率的影响 Fig.6 Effect of fly-ash on drying shrinkage strain of cement mortar

图7 钢渣对砂浆收缩率的影响Fig.7 Effect of steel slag on drying shrinkage strain of cement morta

图8 矿渣对砂浆收缩率的影响 Fig.8 Effect of blast-furnace slag on drying shrinkage strain of cement mortar

图9 煤渣对砂浆收缩率的影响Fig.9 Effect of coal gangue on drying shrinkage strain of cement mortar

由图6～图10可知各矿物掺和料水泥砂浆干燥自收缩具有一定抑制，主要由于掺和料颗粒的“微集填料效应”及后期的“火山灰反应”产生的凝胶促使水泥石抵抗自收缩能力增强。由图6、图7、图8、图10可发现随粉煤灰、钢渣、矿渣、偏高岭土各自掺量增加，砂浆收缩率不同层次下降，该4种矿物掺和料在掺量为50%时，砂浆干燥收缩率达最低，较空白试件分别降低16.6%、24.2%、29.1%、30.8%。图9可发现随煤渣掺量增加，砂浆干燥收缩率呈现先减小后增加趋势，主要因为煤渣水化活性较低，仅通过颗粒填充效应不足以弥补大掺量下水泥水化的化学收缩及内部干燥导致的自收缩，在掺量为30%时，干缩率较空白仅降低19.1%。以上研究结果表明：偏高岭土与矿渣对砂浆干燥收缩改善效果最好，钢渣次之，粉煤灰较差，煤渣最差，尤其在大掺量煤渣对砂浆收缩具有负面影响。

4 微观分析

由于矿物掺和料主要通过影响水泥水化进程、水化产物而改善砂浆力学性能及耐久性能，因此，将水泥净浆及5种含30%的矿物掺和料-水泥浆体水化28 d试样分别进行XRD与SEM表征，其分析结果如下：

4.1 XRD分析

图10 偏高岭土对砂浆收缩率的影响Fig.10 Effect of metakaolin on drying shrinkage strain of cement mortar

图11 空白试件及5种矿物掺和料-水泥水化28 d XRD图 Fig.11 XRD patterns of hydration products of blank specimen and five mineral admixtures and cement hydrated for 28 d

图11为5种矿物掺和料-水泥浆体及空白浆体的28 d XRD图谱，由图谱可看出各矿物掺和料-水泥浆体的水化产物主要有Ca(OH)2、C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)及少量的AFt(钙矾石)等，其中C3S、C2S等在一定程度形成C-S-H(凝胶)，可填充水泥石结构中的空隙，对水泥石的力学性能、耐久性能起到较好的改善(由于C-S-H为非晶型，在X射线衍射中无法观察到)。通过对比各掺和料图谱，可看出矿渣-水泥、偏高岭土-水泥、钢渣-水泥浆体试件相对空白试件的Ca(OH)2衍射峰明显降低，C3S、C2S、C3A衍射峰明显增强，可推断矿渣、钢渣、偏高岭土中水化活性较强；同时矿渣C3S、C2S衍射峰强度高于偏高岭土、钢渣，说明矿渣活性优于钢渣与偏高岭土。其中矿渣与偏高岭土主要是其内部的活性物质与水泥水化产物Ca(OH)2反应所致，而钢渣-水泥只是在一定程度改变彼此的水化环境，从而促进二者的水化速率及水化程度[11]。对于粉煤灰-水泥、煤渣-水泥，其Ca(OH)2、C-S-H衍射峰均低于空白试件，表明粉煤灰、煤渣水化活性较低，随胶凝材料的减少，水化产物生成量降低，同时通过衍射峰强度可看出粉煤灰活性高于煤渣。

4.2 SEM分析

图12 空白试件及5种矿物掺和料-水泥水化28 d SEM图(a)28 d水泥净浆;(b)28 d粉煤灰-水泥; (c)28 d钢渣-水泥;(d)28 d矿渣-水泥;(e)28 d煤渣-水泥;(f)28 d偏高岭土-水泥 Fig.12 SEM images of hydration products of blank specimen and five mineral admixtures and cement hydrated for 28 d

由图12a清晰可见，空白水泥净浆28 d水化后形成的水化产物结构疏松，其中CH晶体呈现块状，同时也有部分C2S、C3S的水化产物C-S-H凝胶及钙矾石交织于CH晶体块状层间、表面共同生长。图12c、f分别显示了钢渣-水泥、偏高岭土-水泥浆体28 d水化产物的微观形貌图，钢渣、偏高岭土块状CH晶体被大量团絮状C-S-H凝胶颗粒连续覆盖，其结构相对空白水泥净浆显得致密、稳定。图12d显示了矿渣-水泥浆体微观形貌图，大量无定型的C-S-H凝胶使在CH在晶体层表面呈板状且光滑，同钢渣、偏高岭土相比，板状结构显得更致密、稳定。图12b、f分别显示了粉煤灰-水泥、煤渣-水泥浆体微观形貌，可观察出二者的表面块状CH晶体边缘被少量C-S-H凝胶包裹，其菱角较光滑，其中粉煤灰-水泥浆体结构间仍存在间歇，显得较疏松；而煤渣-水泥的CH晶体层间仍有大量清晰可见未水化的黑色煤矸石颗粒，主要是因为煤渣的矿物相由黏土矿物(蒙脱石、伊利石)、石英、方解石等较为稳定的结晶相组成，活性较差。

通过SEM与XRD微观分析，可发现该5种矿物掺和料水化活性大小为：矿渣、偏高岭土最好，钢渣次之，粉煤灰较差，煤渣最差。

5 结 论

本文选取粉煤灰、钢渣、矿渣、煤渣、偏高岭土5种物质作为水泥砂浆矿物掺和料，考察了其对砂浆流动性、保水率、凝结时间、抗压强度、收缩率的影响，结论如下：

(1)对于砂浆流动性能改善，钢渣、矿渣、粉煤灰具有提高作用，且钢渣>矿渣>煤渣，偏高岭土使砂浆流动性能略有降低，而煤渣使砂浆流动性大幅度降低。对于保水性能改善，粉煤灰、钢渣、偏高岭土改善效果较好，矿渣次之，煤渣具有降低保水性能缺陷。同时粉煤灰、钢渣、矿渣、煤渣对砂浆具有缓凝作用，其中粉煤灰、矿渣缓凝作用较强烈，钢渣、煤渣缓凝作用较小；而偏高岭土对砂浆具有促凝作用，不利于施工;

(2)5种矿物掺和料对砂浆7 d、28 d的抗压强度发展均有不同层次贡献，其结果为：钢渣、偏高岭土效果最好，矿渣稍次，粉煤灰与煤渣效果最差;

(3)5种矿物掺和料均有利于降低砂浆干燥收缩，其降低效果为：偏高岭土与矿渣改善效果最好，钢渣次之，粉煤灰较差，煤渣最差;

(4)通过XRD与SEM对5种矿物掺和料-水泥水化产物的衍射峰强度及形貌进行微观分析，可判断出该5种矿物掺和料的水化活性大小为：矿渣、偏高岭土、钢渣较好，粉煤灰次之，煤渣最差;

综合考虑粉煤灰、钢渣、矿渣、煤渣、偏高岭土5种矿物掺和料对砂浆各性能的改善及微观结构的影响，可以筛选得出：钢渣与矿渣更适合作为砂浆矿物掺和料，尤其在掺量分别为30%和40%，对砂浆改善效果较佳。

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Screening and Performance of Mineral Admixtures for Cement Mortar

XIEQian1,2，CHENXiao-ping1，WENLi-yuan1，LANGChun-yan2

(1.Institute of Industrial Catalysis,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China;2.College of Materials and Chemical Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Mineral admixtures is widely used in the preparation of cement mortar, how to choose mineral admixture which can make cement mortar performance achieve the best is an important consideration factor for prepare high performance cement mortar. Fly-ash, steel slag, blast furnace slag, coal cinder, metakaolin was selected as mineral admixtures of cement mortar in this paper, and the screening studies based on the water/cement ratio, water-retention, setting time, compressive strength and drying shrinkage strain of cement mortar were analyzed, and the morphology of hydrated products were characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The results show that: steel slag and blast furnace slag are more suitable for mortar mineral admixture, and the mortar modified effect is better when its content is 30% and 40%, respectively.

cement mortar；mineral admixtures；performance；selection

谢 迁(1988-)，男，硕士研究生.主要从事建筑材料的开发及研究.

陈小平，博士，研究员.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2665-06