礦物摻合料對摻有速凝劑的水泥砂漿力學性能的影響

王喆，黃天勇，劉澤，王棟民

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

礦物摻合料對摻有速凝劑的水泥砂漿力學性能的影響

王喆，黃天勇，劉澤，王棟民

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

本研究固定速凝劑的摻量為 5%，研究三種不同摻量的礦物摻合料單摻、雙摻、三摻對水泥砂漿力學性能的影響。結果表明：粉煤灰和硅灰的摻入均能夠提高砂漿的抗壓強度，但抗壓強度隨著粉煤灰的摻量增加而降低，隨著硅灰的摻量增加而增大。當摻入石灰石粉時，在摻量為 5% 時，砂漿的抗壓強度有提高，并且抗壓強度隨著石灰石粉摻量的增加而降低。三種礦物摻合料雙摻時，摻入 5% 的硅灰和 20% 的粉煤灰砂漿的抗壓最好，三種礦物摻合料三摻時，摻入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和10% 石灰石粉砂漿的抗壓強度最好。同時加入速凝劑的水泥砂漿，硅灰和粉煤灰對于水泥砂漿強度有很好的增強效果，少量的石灰石粉對于水泥砂漿有一定的增強效果，但是石灰石粉摻量超過 5% 時，水泥砂漿會隨著石灰石粉摻量的增加而明顯降低。

礦物摻合料；速凝劑；復摻；強度

噴射混凝土 (Sprayed Concrete) 是用于加固和保護結構或巖石表面的一種具有速凝性質的混凝土。噴射混凝土常用于灌筑隧道內襯、墻壁、天棚等薄壁結構或其他結構的襯里以及鋼結構的保護層，簡稱“錨噴”[1,2]。近年來噴射混凝土發展迅速，應用日益廣泛，不但在煤礦井巷、隧道、高速公路邊坡中得到應用，而且由于其施工簡單，在建筑物的加固、結構修復中得到全面應用[3]。

速凝劑是噴射混凝土施工法中不可缺少的添加劑，我國對低堿（無堿）液體速凝劑的研究則是剛剛開始，還處在初級階段，并且許多工程項目由于使用速凝劑使得噴射混凝土的后期強度下降而遭破環[4]。

混凝土材料需要消耗大量的能源和自然資源，如何更經濟地應用這些材料，并盡量節省資源，適應當前低碳環境的要求顯得尤為重要。隨著混凝土技術的發展，尤其是高性能混凝土應用越來越普遍，礦物摻合料已經與水泥、集料、水和外加劑一樣受到重視，成為混凝土的一種重要組成材料[5]。

國內外學者在速凝劑種類、摻量對砂漿強度的影響上做過很多研究[4,6-9]，但并沒有學者對摻速凝劑下礦物摻合料對強度的影響做研究。硅灰、粉煤灰是噴射混凝土必需的摻合料，本實驗在研究粉煤灰、硅灰的同時，增加研究了石灰石粉這種并未在噴射混凝土上用過的材料，主要是考慮實際生產中噴射混凝土粘度大，希望通過研究三種摻合料的單摻、復摻對砂漿力學性能的影響，為礦物摻合料在噴射混凝土實際工程中的推廣和應用提供科學依據。

1 原材料及試驗方法

水泥：水泥選用北京金隅 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

表1 水泥的性能

礦物摻合料：所使用的硅灰為超細硅粉（SF）；使用的粉煤灰（FA）為亮灰色，有金屬光澤；使用的石灰石粉（CA）屬鈣質石灰石粉。

細骨料：試驗所用砂子為機制砂，細度模數為 2.72，級配屬于 Ⅱ 區，孔隙率為 42.29%，吸水率為 2.8%，表觀密度為2695kg/m3，堆積密度為 1556kg/m3。原材料粒徑分布見圖1。

圖1 原料累計粒徑分布

外加劑：減水劑選用四川成都吉龍外加劑有限公司生產的萘系減水劑，性能指標見表2。

表2 減水劑性能指標

1.2 試驗方案

按照表4 的礦物摻合料配合比，根據 GB/T 17671—1999速凝劑：選用北京瑞吉達科技有限公司生產的液體速凝劑，檢驗標準按照 JC 477—2005《噴射用混凝土速凝劑》，測得性能指標如表3。《水泥砂漿強度檢驗方法（ISO）》砂漿配合比為膠凝材料450g、機制砂 1350g、水180g（w/c=0.4）、粉體萘系減水劑3.6g（0.4%）、速凝劑 22.5g（5%），測定 1d、3d、7d、28d抗折、抗壓強度。

考慮到速凝劑快凝的性質，并不在攪拌前隨水、減水劑、膠凝材料一起加入。在初始加入水時，預留 10ml 水與速凝劑混合攪勻，等常規攪拌結束后加入攪拌機內，并馬上開啟手動模式快攪 30s，之后立即裝模。在機器振搗的同時采用人工振搗輔助成型。

表3 速凝劑性能指標

表4 試驗方案 %

2 結果與討論

圖2 FA 對砂漿強度的影響

圖3 SF 對砂漿強度的影響

圖4 CA 對砂漿強度的影響

2.1 粉煤灰對砂漿強度的影響

單獨摻入粉煤灰試驗結果如圖2 所示。從結果中可以看出粉煤灰摻量為 5% 時強度最高，隨摻量增加強度呈下降趨勢，1d 時除摻量 5% 的試樣，其余強度均小于空白樣，之后強度快速增長，3d 相比 1d 增長 71.3%，后期增長緩慢，28d相比 3d 增長 31.2%。

這主要是因為粉煤灰不具有獨立的水硬性，其玻璃體微珠表層活性的 SiO2及 Al2O3需要通過與水泥水化產物 Ca(OH)2發生二次水化反應[10,11]。一天強度沒有變化是因為由于速凝劑的加入大量消耗 CaSO4·H2O，使水泥中的 C3A 快速和Ca(OH)2反應，使 Ca(OH)2含量降低導致粉煤灰的二次水化反應推遲。又由于速凝劑本身呈堿性，C3A 水化完成后粉煤灰在早期就發生強烈的二次水化反應，使早期強度增強。

2.2 硅灰對砂漿強度的影響

單獨摻入硅灰試驗結果如圖3 所示。隨著硅灰摻量的增加抗壓強度明顯增大，1d 時除摻量 3% 的試樣，其余強度均小于空白樣，3d 抗壓強度最高可以達到 41.2MPa，最低也有36.6MPa，28d 摻硅灰 10% 的抗壓強度更是達到 61.3MPa。

1d 強度與空白組沒明顯變化，同樣是因為 C3A 水化消耗Ca(OH)2使硅灰的火山灰反應無法進行。后期強度提高明顯有兩方面原因：一是由于硅灰的比表面積大，加入后致使系統密度增大，所使用超細硅粉粒度小，填充到水泥空隙內，增強了膠黏體系的凝聚性，使體系更加密實[12]；二是 C3A 水化結束后，溶液中 Ca(OH)2含量增加，硅灰進行火山灰反應。

2.3 石灰石粉對砂漿強度的影響

單獨摻入石灰石粉試驗結果如圖4 所示。從抗壓強度中可以明顯看出隨石灰石粉摻入量增加強度下降，1d 強度均小于空白樣，1d 以后摻 5% 試樣的強度均高于空白樣，摻 10%的試樣在 28d 時強度開始低于空白樣，摻 15% 的試樣在 7d時強度就比空白樣低 25%。

石灰石粉在膠凝體系中主要起微集料的作用，加入量較少時可以填充到水泥縫隙中使體系密實、強度增加，而石灰石大量加入時，相對減少了體系中膠凝材料的量，造成強度下降[13]。同時石灰石粉在水泥硬化過程中還起到一定的加速效應，由于速凝劑的效果，使石灰石粉的加速效應在 3d 左右最為顯著。

2.4 雙摻對砂漿強度的影響

（1）在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入粉煤灰試驗結果如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，在 1d 時隨粉煤灰摻量增加抗壓強度下降，強度均低于空白組，1d 之后隨粉煤灰摻量增加抗壓強度開始增大，3d、7d 時三組的抗壓強度與空白樣相差不大，28d 時三組強度各高出空白樣 10%、13%、17%。粉煤灰、硅灰同時摻入水泥中，三種材料的平均粒徑分別處于三個不同的數量級，因而更加優化了微集料級配，有利于緊密堆積和填充，并迅速與水泥水化產物 Ca(OH)2起二次反應，生成 C-S-H 凝膠，改善單摻粉煤灰時隨摻量增加強度下降的情況。

（2）在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入粉煤灰試驗結果如圖6 所示。

在圖6 中可以明顯看出，隨石灰石粉摻量增加，抗壓強度下降，但下降幅度較小。這是因為石灰石粉與硅灰同時加入時，因硅灰比表面積大限制了石灰石粉的微集料效應。雙摻硅灰—石灰石粉最大的特點就是早期強度低，但隨著水化繼續進行強度增加大。

圖5 SF-FA 對砂漿強度的影響

圖6 SF-CA 對砂漿強度的影響

圖7 三摻對砂漿強度的影響

2.5 三摻對砂漿強度的影響

在固定摻入 5% 硅灰的前提下，再摻入石灰石粉、粉煤灰，試驗結果如圖7 所示。

三摻的強度經時趨勢與雙摻類似，不過 1d 強度更低，隨水化進行強度提升更大，抗壓 1d 強度為 28d 強度的 39% 左右。從抗壓強度來看，隨著石灰石粉和粉煤灰摻量增加強度都降低，不過多摻石灰石粉的試樣強度更低。這主要是因為摻量增加后，集料效應不明顯，卻導致水泥量減少，致使強度下降。

3 總結

（1）速凝劑的加入使前期體系中 Ca(OH)2含量低，硅灰和粉煤灰的火山灰反應受到限制，導致單摻 1d 強度與空白樣差別不大，但復摻由于水泥量的下降使 1d 強度比空白樣降低較多。

（2）單摻時粉煤灰和石灰石在摻量為 5% 時強度最高，隨摻量增加強度降低。但摻粉煤灰 15% 時強度依舊高于空白樣，而摻石灰石粉超過 5% 強度便低于空白樣。硅灰提升強度效果明顯隨摻量增加強度增加。

（3）雙摻時粉煤灰對強度的提升明顯優于雙摻石灰石粉，隨粉煤灰摻量增加強度增大，隨石灰石粉摻量增加強度減小。

（4）三摻時摻入 5% 硅灰、10% 粉煤灰和 10% 石灰石粉強度最高，隨著石灰石粉和粉煤灰摻量增加強度都降低，但多摻入石灰石粉的試樣強度降低更明顯。

（5）雙摻、三摻都會導致 1d 強度低于空白樣的情況，隨著水化繼續進行，強度提升較空白樣快，絕大部分樣品的28d 強度高于空白樣。

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［通訊地址］北京市海淀區學院路丁 11 號 中國礦業大學（北京）（100083）

王喆（1990—），男，碩士研究生。主要從事水泥混凝土及外墻防水砂漿等方向的研究。