石英砂對水泥漿性能及其水膜厚度影響實驗研究

溫夢丹，陳嘉健，高御審

（佛山科學技術學院土木工程系，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著經濟的發展，工程項目的逐漸增多，混凝土的用量也日益增大，水泥作為制作混凝土主要材料消耗巨大.由于水泥生產成本較高，耗能大且對環境污染大，越來越多的礦物摻和料被用來替代部分水泥投入使用.國內外眾多學者在礦物摻和料對于混凝土的性能影響方面做了眾多研究.馬保國等認為水泥漿的比表面積隨石英砂的摻入量先增大后減小，且石英砂對提高水泥漿的強度有正向貢獻[1]；陳嘉健等認為水泥漿的流動性主要由其膠凝材料水膜厚度大小決定[2]；KANADASAN等成功利用最大化填充密度的方法配制出性能穩定的自密實混凝土[3]；王麗等以石英砂為結構增強劑配置成修復劑，涂覆于混凝土表面使得自修復混凝土抗滲性、抗鹽凍性能得到明顯改善[4]；WAN等則認為石英砂的摻入能提高偏高嶺土地質聚合物的抗壓強度[5]；何峰等對硅灰和石英粉對活性粉末混凝土抗壓強度貢獻進行了分析，結果表明硅灰和石英粉均對其強度提高有貢獻[6]；CHOPRA等則證明了混凝土強度的提高是因為致密C-S-H凝膠形成的緣故[7]；賈進等認為骨料顆粒越細其填充效果越好[8]；NANCY等利用平均粒徑為275 μm的高純度石英砂代替普通石英砂配制的超高性能混凝土可形成致密的微結構，并減輕了堿-硅反應[9]；王鈞等指出隨著石英砂摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強度先增大后減小[10]；丁秋霞等利用石英砂成功制備出性能良好的礦物聚合材料[11]；李勝男通過研究得出無摻合料的普通混凝土其早期性能較好，但后期有摻和料的混凝土其性能將超過普通混凝土[12]；許林峰等認為隨著石英砂添加量的增加，水泥砂漿的原拉拔強度和拉伸強度都有明顯的提高[13]；張寶龍等利用石英砂、粉煤灰、硅灰等配制出了抗壓強度超過200 MPa、抗折強度近60 MPa的活性粉末混凝土[14]；KUMAR等實驗表明用石英砂置換不高于40%粗骨料并不會對混凝土強度產生顯著影響，混凝土的滲水高度和吸水率隨著石英砂摻量的增加而增加[15].

文獻搜索結果表明，石英砂對于水泥漿性能影響還較少得到研究，為補充這一部分的空缺，本研究探索了石英砂對水泥漿性能的影響，并通過實驗測量得到石英砂對水泥漿填充密度的影響，從而進一步計算出水膜厚度，并對水膜厚度在流動性中的貢獻和石英砂對流動性的定量影響規律進行了敘述.根據研究結果，作者認為石英砂對水泥漿的填充密度和比表面積均有影響，一方面石英砂顆粒可填充水泥顆粒間的空隙，使其在相同用水量下，填補膠凝材料顆粒間空隙的用水量減少，填充顆粒空隙以外、可用于提高水泥漿流動性的水量增多；另一方面石英砂的顆粒改變膠凝材料的比表面積，在相同水量情況下，改變了覆蓋單位面積固體顆粒的水量.

1 材料

本實驗中使用的膠凝材料有硅酸鹽水泥和石英砂兩種.硅酸鹽水泥為海螺32.5 R復合硅酸鹽水泥，產自廣東省英德市望埠鎮龍尾山，經驗證符合中國規范GB175-2007/XG1-2009，密度經測量為3 100 kg/m3；石英砂是石英石經破碎、研磨加工而成的石英顆粒.石英砂的原產地為廣東省河源市，根據銷售商家提供的資料，產品符合國家推薦城鎮建設行業標準CJ/T43-2005，密度經測量為2 600 kg/m3，顆粒級配為Ⅲ區，細度模數為0.844.試驗中還使用了高效減水劑，此減水劑為粉狀高性能聚羧酸減水劑，產地為山東省萊陽市.

2 實驗方案

本研究的實驗分兩個階段.第一階段測量了不同水膠比下摻石英砂水泥漿的流動性、0.63 mm的過篩率和28 d抗壓強度，包括作半動態流動性的擴展度測量和作動態流動性的流速測量.水泥漿的水膠比以0.05為差值自0.35到0.60區間內變化；石英砂摻量以5%為差值自5%到20%區間內變化.第二階段測量上-階段試樣中的膠凝材料的填充密度，為其后水膜厚度的運算提供計算依據.根據此實驗方案，配比以“Q-石英砂量-水膠比”為編號，其中Q代表石英砂，各水泥漿試樣的詳細配比及其流動性等測量數據見表1.

表1 各試樣配比和流動性、過篩率、強度測試結果

3 流動性測量

3.1 測量方法

試樣的半動態流動性的測量采用小型塌落度筒作擴展度測試，動態流動性的測量采用V型漏斗作流速測試，擴展度為提起塌落度筒后水泥漿在水平面上的兩個垂直方向的直徑平均值減去塌落度筒底面直徑之差，流速為V型漏斗體積與充滿V型漏斗的水泥漿全部流出所需時間之比值.流動性測量均在水泥漿完成攪拌后5 min內進行，整個實驗過程中實驗室溫度控制在（20±2）℃.

3.2 測量結果

流動性結果見表1第5、6欄和圖1.擴展度結果表明，擴展度隨石英砂摻量的增加而增加，但當水膠比較小或較大時，增加效果并不明顯.隨著水膠比的增大，擴展度變大的速度有所減緩.

流速結果表明，當水膠比在0.40或以上時，流速隨石英砂摻量的增加而增大，當水膠比在0.40或以下時，石英砂的摻入并未對水泥漿的流速產生大的影響.在低水膠比時，石英砂摻加對流動性的影響較不明顯.這可能是因為低水膠比時，水泥漿內部的游離水過少不能完全包裹顆粒物導致幾乎失去流動性能.

圖1 擴展度和流速隨石英砂摻量變化情況

4 粘聚性測試

4.1 測量方法

試樣的粘聚性大小是通過過篩率大小表征的，其過篩率測量是采用0.63 mm方孔孔篩，取攪拌完成后的水泥漿約250 g從300 mm高度傾倒通過方孔孔篩，靜置2 min讓漿體通過濾篩落至下方托盤，稱得通過孔篩的水泥漿的質量與所使用的水泥漿的總質量的比值即為該試樣的過篩率.過篩率測量在水泥漿完成攪拌后5 min內進行，整個實驗過程中實驗室溫度控制在（20±2）℃.若只有較少試樣能夠通過孔篩，過篩率較低，則表明水泥漿試樣粘聚性較高；若有較多試樣能夠通過孔篩，過篩率較高，則表明水泥漿試樣粘聚性較低.

圖2 0.63 mm過篩率隨石英砂摻量變化情況

4.2 測量結果

過篩率結果見表1第7欄和圖2.過篩率結果表明，水泥漿的0.63 mm過篩率隨石英砂摻量的增加而增大，這主要是因為石英砂的顆粒較大，其摻入改變了水泥漿的顆粒級配，導致粘聚性變差.當水膠比較大時，石英砂的摻入對水泥漿0.63 mm過篩率影響情況復雜，這可能是因為高水膠比改善了水泥漿的流動性，對過篩率產生正面效果，而石英砂又影響了水泥漿的顆粒分布，對過篩率產生負面效果.

5 強度測量

5.1 測量方法

水泥漿試件強度測量為將完成攪拌后的水泥漿倒入模具，經過振搗、抹平及拆模，形成底面邊長為70.7 mm立方體試塊，將試塊放置在溫度為（20±3）℃、濕度在90%以上的混凝土養護箱中，經齡期為28 d的養護.最終強度取兩個相同配比試件同步測試其抗壓強度的平均值.

5.2 測量結果

水泥漿試塊強度結果見表1最后一欄和圖3.28 d強度結果表明，石英砂等量替代水泥會降低水泥漿的抗壓強度，且水泥漿的強度隨著石英砂摻量的增加而逐漸減小，最大減小幅度可達65.79%.這主要是由于水泥的標準強度取決于C3S和C2S含量的多少.而摻石英砂的水泥漿，由于等質量取代了部分水泥，使C3S和C2S的含量相對降低，所以導致了水泥漿強度的降低.當水膠比為0.35、石英砂摻量為0時，水泥漿的強度達到最大值.這是因為低水膠比時，水泥漿內部結構密實，顆粒間空隙小，均質性較好.

針對當前目的地感官營銷實踐面臨的問題，結合上述目的地感官營銷的3種運用方式分析，本文認為現階段目的地感官營銷研究所要重點解決的問題包括：

圖3 28 d強度隨石英砂摻量變化情況

6 填充密度測量

6.1 測量方法

膠凝材料填充密度的測量采用水測緊密值法.水測緊密值法是指固體顆粒組合在不同水量下能達到的填充率最大值（既固體顆粒在漿體中所占體積的百分比）為固體顆粒的填充密度.膠凝材料的填充率最大值出現在膠凝材料顆粒剛好能被水包裹形成濕潤水泥漿的時候，此時顆粒間距最小，搭配最為緊密.當水膠比較大時，膠凝材料的固體顆粒會分散懸浮在水中，密實度降低，此時降低水膠比能提高密實度；當水膠比較小時，水量并不足夠把固體顆粒包裹成水泥漿，此時提高水膠比能提高膠凝材料的密實度.

在膠凝材料填充密度的測量中，進行試驗的水膠比需要定為一個能覆蓋最佳水膠比的范圍.在無實驗經驗的情況下，可以先投入膠凝材料再一點點的加水充分攪拌，直到試驗品出現漿體而不再呈粉狀時，以此水膠比為起點，開始測量膠凝材料在水泥漿中的填充率.把水泥漿填滿已知體積的容器，填充率為P，則有

其中M為水泥漿的質量，V為容器的體積，Mc、Mq、Mw分別為水泥、石英砂、水的質量，Rc、Rq為水泥和石英砂占總膠凝材料的體積分數，υw為體積水膠比，ρc、ρq、ρw為水泥、石英砂和水的密度.由上式可推出

其中Vs為膠凝材料的總體積.

逐步調大水膠比，重復填充率的測量，直至出現填充率隨著水膠比的增大而逐漸減小.填充密度測量同樣在水泥漿攪拌后5 min內進行，整個實驗過程中實驗室溫度控制在20±2℃，在不同的水膠比下取得的最大填充率Pmax即為該膠凝材料的填充密度.該測試方法能模擬出固體顆粒在水泥漿中的緊密懸浮狀態，考慮到了空氣量、水量、減水劑的影響，比以往填充密度的干測量法更為準確.

6.2 測量結果

膠凝材料填充密度測量結果見表2第二列，膠凝材料填充密度隨石英砂摻量的變化情況見圖4.結果表明，膠凝材料的填充密度隨著石英砂摻量的增加變化浮動較小，大致維持在0.500左右.

圖4 填充密度隨石英砂摻量變化的情況

7 水膜厚度計算

7.1 計算方法

其中T為水膜厚度，We為剩余水體積，A為膠凝材料的比表面積，Vw為試樣的實際用水體積，Vh為孔隙體積，Mc、Mq分別為試樣中所用水泥和石英砂的實際質量，ρc、ρq為水泥和石英砂的密度，Pmax為膠凝材料的填充密度，Ac、Aq為水泥和石英砂的比表面積.

7.2 計算結果

水膜厚度隨石英砂摻量的變化情況見表2和圖5.結果表明，當水膠比在0.40或以上時，石英砂的摻入能增大其水膜厚度，這主要是因為石英砂的摻入減小了膠凝材料的比表面積，從而膠凝材料上吸附水厚度，即水膜厚度變大的緣故，且隨著水膠比的增大，水膜厚度增大的幅度增加.觀察圖4和圖5，可以得出石英砂摻量對水膜厚度的變化規律與其對填充密度的變化規律相一致.

圖5 水膜厚度隨石英砂摻量變化的情況

8 水膜厚度對水泥漿流動性的影響

水膜厚度對擴展度的影響見圖6.回歸分析結果表明，水膜厚度單一參量與擴展度的相關系數平方R2已經達到0.9057，石英砂的加入使R2有一定提高效果，但并不顯著.由此可見，水泥漿的半動態流動性能擴展度的大小絕大程度上是由水膜厚度的大小決定的.當水膜厚度較小時，擴展度隨水膜厚度的增加快速增加；當水膜厚度較大時，擴展度增加的速度變緩.

圖6 擴展度隨水膜厚度變化情況

水膜厚度對流速的影響見圖7.回歸分析結果表明，水膜厚度單一參量與流速的相關系數平方R2為0.8975，加入石英砂，則R2輕微提高.由此可見，水泥漿的動態流動性能流速的大小絕大程度上是由水膜厚度的大小決定的.石英砂的摻入也會對流速的增大有輕微程度的正向影響.水膜厚度與流速的關系接近成一次線性相關，與半動態流動性擴展度不同的是，在高流動性的狀態下，由于石英砂的滾珠效應能使在相同水膜厚度情況下，水泥漿動態流動性能顯著提高.

圖7 流速隨水膜厚度變化情況

從水膜厚度的計算方法及其對水泥漿流動性的影響可得知，石英砂對水泥漿流動性的影響體現在對其填充密度和比表面積的改變，由于石英砂的摻入對水泥漿的填充密度影響不大，而使其比表面積有所減小，因此水膜厚度增大，水泥漿流動性增大.

9 結論

本研究通過對30組摻石英砂水泥漿試樣流動性、0.63 mm過篩率、28 d強度和5組膠凝材料填充密度的測量，得到的主要結論如下：

（1）水泥漿的流動性隨石英砂摻量的增加而增大，對流速增強效果大于對擴展度增強效果，當水膠比為0.45時，流速增加量最大，為45.1 mL/s.

（2）水泥漿的0.63 mm過篩率隨石英砂摻量的增加而增大，最大增加幅度達55%，水泥漿粘聚性變差.

（3）石英砂對水泥漿的強度呈負向影響，且影響程度與石英砂摻量成正比關系，減小幅度達最大65.79%.

（4）膠凝材料的填充密度隨著石英砂摻量的增加變化不大，當石英砂摻量一定時，水膜厚度隨水膠比的增大而增大.水泥漿的水膜厚度可在測得膠凝材料的填充密度后，通過式（3）量化.

（5）石英砂的摻入對膠凝材料流動性的影響主要體現在對其比表面積和填充密度的改變.填充密度和比表面積的綜合影響可以通過單一參數水膜厚度得到量化，水膜厚度增大0.1 μm，試樣擴展度增大約33.3 mm，流速增大約16.7 mL/s.

實驗結果表明用石英砂等量置換水泥能在有效減少水泥用量下顯著提高水泥漿的流動性，但同時會降低其粘聚性和抗壓強度.基于本研究得到的結果，石英砂混凝土擁有一定的應用前景.對于隔墻、墊塊等強度要求不高的混凝土構件，石英砂混凝土可通過減少水泥用量降低成本和生產水泥所帶來的環境污染，流動性的增加也有便于施工的進行.此外，對于強度要求較高的混凝土構件，在摻加石英砂情況下，強度的降低可通過降低水灰比得到補償.

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