鋼渣砂水泥砂漿和易性能影響因素研究*

白志平 孫英健 劉云鵬 龐 凌 施志宏

(內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050) (武漢理工大學(xué)材料工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

水泥砂漿主要由水泥、河砂、水等通過一定配比組合而成，其中河砂是主要原料，占砂漿總質(zhì)量的70%左右，但河砂屬于不可再生自然資源，儲(chǔ)量有限[1-4].鋼渣砂與水泥熟料有相似的礦物組成和化學(xué)成分，含大量CaO和鐵氧化物，高堿度鋼渣砂中還含有較多C2S和C3S，具有一定潛在膠凝活性，且自身堅(jiān)硬、棱角豐富，在取代天然河砂作為細(xì)集料應(yīng)用于水泥砂漿時(shí)，有利于改善其強(qiáng)度[5-7].因此，若能最大限度地利用鋼渣資源，不僅能降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能節(jié)約天然礦質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

鋼渣砂具有多孔囊狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面細(xì)粉含量較高，應(yīng)用于水泥砂漿時(shí)存在的問題是和易性能差.熊付剛[8]發(fā)現(xiàn)隨鋼渣砂摻量增大，砂漿拌和物的稠度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并認(rèn)為摻量為40%時(shí)，砂漿稠度和密度最大，保水性最好.蔡肖等[9]在研究鋼渣砂等體積取代天然河砂制備砂漿時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨鋼渣砂摻量增大，鋼渣砂砂漿拌和物的需水量呈線性增加趨勢(shì).和易性能作為鋼渣砂砂漿施工的首要條件，還需進(jìn)一步全面深入研究.對(duì)鋼渣砂砂漿和易性影響因素進(jìn)行研究，包括鋼渣砂處理工藝、水灰比、鋼渣砂粒徑范圍、減水劑用量等，研究其對(duì)鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律，并提出和易性能較好的優(yōu)選方案.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥 采用某P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥基本物理性能指標(biāo)見表1.

表1 水泥物理性能指標(biāo)

2) 細(xì)集料 熱悶鋼渣砂標(biāo)號(hào)記為NM；熱潑鋼渣砂標(biāo)號(hào)記為GX；河砂標(biāo)號(hào)記為HS.細(xì)集料各項(xiàng)基本性能指標(biāo)見表2，篩分結(jié)果和細(xì)度模數(shù)見表3.

表2 鋼渣砂及河砂基本性能指標(biāo)

表3 鋼渣砂及河砂篩分結(jié)果

3) 外加劑 來自某公司木質(zhì)素磺酸鈉減水劑，黃褐色粉末狀，減水率為10%～15%.

4) 拌和水 采用自來水.

1.2 砂漿配合比

由于鋼渣砂的密度與天然河砂差別較大，故采用等體積替代方法.將0～2.36 mm的兩種鋼渣砂分別以0，25%，50%，75%100%等體積代替天然河砂制備鋼渣砂水泥砂漿，研究鋼渣砂處理工藝、水灰比、鋼渣砂粒徑范圍，以及減水劑用量等因素對(duì)鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律，砂漿配合比見表4.

表4 鋼渣砂砂漿試驗(yàn)配合比

河砂100%代表其用量為1 350 g，鋼渣砂的用量是根據(jù)其相對(duì)于河砂的密度和比例摻量等體積換算得出.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼渣砂處理工藝

兩種鋼渣砂掃描電鏡圖見圖1，砂漿流動(dòng)度隨鋼渣砂摻量增加的變化曲線見圖2.

圖1 鋼渣砂掃描電鏡圖

圖2 砂漿流動(dòng)度隨鋼渣砂摻量增加變化曲線

由圖1可知，不同處理工藝的鋼渣砂，其形貌孔隙特征有所差異，NM表面形貌較GX均勻平整，且囊狀孔隙較GX少，這就導(dǎo)致NM密度較大，吸水率較小，而GX密度較小，吸水率較大.從外觀來看，NM呈現(xiàn)灰褐色扁平狀，棱角豐富，而GX呈現(xiàn)黃色顆粒狀，且顆粒間細(xì)粉含量比前者高很多，存在于較多的孔隙之中，這可能是由于GX在熱潑處理工藝下有雜質(zhì)產(chǎn)生所致，導(dǎo)致其在相同陳化時(shí)間下，需要更多水分和更好的水環(huán)境才能充分水化.由圖2可知，隨鋼渣砂摻量增加，砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)；在相同配合比同等摻量下，GX的流動(dòng)性較內(nèi)蒙的差，在摻量為25%～75%之間時(shí)，NM砂漿的流動(dòng)度要平均比GX砂漿高8.0%左右，在鋼渣砂摻量為100%時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和物均較干，基本無流動(dòng)度可言.表明不同處理工藝鋼渣砂，在代替天然河砂制備砂漿時(shí)，對(duì)砂漿和易性能影響較大，NM密度較大、孔隙較少，吸水率較小，其砂漿需水量較低，流動(dòng)性較好；而GX密度較小、內(nèi)部孔隙較多，且顆粒表面及內(nèi)部含較多細(xì)粉，吸水率較大，導(dǎo)致其砂漿需水量增加，流動(dòng)性大大降低.

2.2 水灰比

將0～2.36 mm的NM和GX等體積代替25%天然河砂，通過設(shè)置0.45，0.50，0.55，0.60四組梯度的水灰比制備水泥砂漿，研究水灰比對(duì)鋼渣砂水泥砂漿和易性能的影響規(guī)律.水灰比對(duì)鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖3.

圖3 水灰比對(duì)鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖3可知，隨著水灰比增大，即砂漿拌和物用水量增加，兩種鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，且在水灰比為0.50～0.55時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均要比廣西鋼渣砂砂漿流動(dòng)度大7.7%左右，說明水灰比對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響較大.在水灰比為0.45時(shí)，鋼渣砂砂漿拌和物較干，流動(dòng)性很差；水灰比為0.50時(shí)，拌和狀態(tài)一般，流動(dòng)性也較差；水灰比為0.55時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和狀態(tài)達(dá)到最佳效果，流動(dòng)性最好，砂漿拌和物較均勻，黏聚性最好，且無泌水現(xiàn)象，保水性也最好；水灰比為0.60時(shí)，雖然砂漿流動(dòng)性更好，但表面會(huì)產(chǎn)生氣泡，發(fā)生分層離析和泌水現(xiàn)象，其黏聚性能和保水性不好.因此，在實(shí)際施工時(shí)要選擇合適的水灰比，控制鋼渣砂砂漿具有良好和易性能的最佳用水量.

2.3 鋼渣砂粒徑范圍

選擇兩種鋼渣砂分別以25%摻量等體積代替天然河砂在最佳水灰比0.55下成型制備水泥砂漿，研究在同一摻量相同水灰比條件下不同粒徑范圍鋼渣砂對(duì)其砂漿和易性能的影響規(guī)律.不同粒徑范圍的鋼渣砂對(duì)其砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖4.

圖4 不同粒徑范圍鋼渣砂對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖4可知，鋼渣砂摻量為25%時(shí)，在相同水灰比條件下，隨鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，兩種鋼渣砂砂漿流動(dòng)度均呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，鋼渣砂砂漿中較細(xì)的顆粒部分明顯減少，即比表面積大的部分減少而比表面積小的部分增加，砂漿吸水率減小，拌和時(shí)需水量降低，進(jìn)而砂漿流動(dòng)度有所增加.此外，NM砂漿流動(dòng)度在粒徑范圍為0～2.36 mm變化至0.15～2.36 mm時(shí)增加幅度和GX相當(dāng)，但粒徑范圍由0.15～2.36 mm至0.6～2.36 mm時(shí)，NM砂漿流動(dòng)度增加幅度要明顯比GX砂漿大.從拌和狀態(tài)來看，在水灰比為0.50時(shí)，NM砂漿在粒徑范圍為0.3～2.36 mm時(shí)，砂漿的流動(dòng)性、黏聚性和保水性最佳，即和易性能最好；而GX由于流動(dòng)性能較NM差，其砂漿在粒徑范圍為0.6～2.36 mm時(shí)才能達(dá)到最佳的和易性能.因此，篩去鋼渣砂中較細(xì)的部分有利于其在較低的水灰比下滿足砂漿良好的和易性能要求.

2.4 減水劑用量

選擇兩種鋼渣砂分別以25%摻量等體積代替天然河砂在水灰比為0.50時(shí)成型制備水泥砂漿，每種砂漿分別以水泥用量為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)三種不同用量的木質(zhì)素磺酸鈉減水劑，減水劑用量分別為1.35 g(水泥用量的0.3%)、2.25 g(水泥用量的0.5%)和3.15 g(水泥用量的0.7%)，研究減水劑用量對(duì)鋼渣砂砂漿和易性能的影響規(guī)律.減水劑用量對(duì)鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見圖5.

圖5 減水劑用量對(duì)鋼渣砂砂漿流動(dòng)度的影響規(guī)律

由圖5可知，兩種鋼渣砂在同等粒徑下?lián)搅繛?5%、水灰比為0.50時(shí)，使用減水劑的效果要明顯比不加減水劑好很多，且與圖2相比，在減水劑用量為1.35，2.25，3.15 g時(shí)，NM砂漿的流動(dòng)度分別增大了14.0%，29.3%，42.3%，GX砂漿的流動(dòng)度分別增大了12.9%，24.5%，36.7%.這是因?yàn)闇p水劑具有吸附分散和潤濕潤滑作用，在同樣的水灰比下能使砂漿表現(xiàn)出更加濕潤的狀態(tài)，進(jìn)而使砂漿的流動(dòng)性能有所提高.此外，隨著減水劑用量增加，兩種鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度均呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，在減水劑用量為1.35 g(水泥用量的0.3%)時(shí)，GX砂漿流動(dòng)性較差，不能滿足基本使用性能要求，NM砂漿拌和狀態(tài)一般；在減水劑用量為3.15 g(水泥用量的0.7%)時(shí)，GX砂漿拌和狀態(tài)較好，而內(nèi)蒙鋼渣砂拌和狀態(tài)則明顯較稀，且稍微靜置半分鐘，漿體表面立即出現(xiàn)分層離析和泌水現(xiàn)象，并伴隨有氣泡產(chǎn)生，漿體與砂的裹覆性較差，且短時(shí)間內(nèi)即凝結(jié)硬化，表現(xiàn)為砂漿的黏聚性和保水性能較差；而在減水劑用量為2.25 g(水泥用量的0.5%)時(shí)，NM砂漿的拌和性能良好，細(xì)集料砂與水泥的粘接程度較高，保水性也較好.因此，減水劑雖能提高鋼渣砂砂漿和易性能，但要根據(jù)鋼渣砂基本性能控制合適的減水劑用量，確保達(dá)到最佳的砂漿拌和狀態(tài).

3 結(jié) 論

1) 砂漿和易性能由鋼渣砂密度、吸水率、形貌孔隙和顆粒間細(xì)粉含量決定.鋼渣砂處理工藝不同，其形貌孔隙特征有所差異；在摻量為25%～75%時(shí)，內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂砂漿流動(dòng)度平均要比廣西熱潑鋼渣砂砂漿高8.0%.

2) 水灰比為0.50～0.55時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿流動(dòng)度平均要比廣西鋼渣砂砂漿高7.7%左右；且在水灰比為0.55時(shí)，兩種鋼渣砂砂漿拌和狀態(tài)效果最佳，表現(xiàn)出流動(dòng)性、黏聚性和保水性能均較好.

3) 隨鋼渣砂顆粒最小粒徑增大，鋼渣砂中比表面積大的顆粒減少而比表面積小的顆粒增加，吸水率減小，對(duì)其砂漿和易性能的提高有重要影響.水灰比為0.50時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿在粒徑范圍為0.3～2.36 mm時(shí)達(dá)到最佳和易性能，廣西鋼渣砂砂漿則在0.6～2.36 mm時(shí)才達(dá)到.

4) 減水劑對(duì)提高砂漿流動(dòng)性有明顯作用，在減水劑用量為1.35，2.25和3.15 g時(shí)，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度分別增大了14.0%，29.3%和42.3%，廣西鋼渣砂砂漿的流動(dòng)度分別增大了12.9%，24.5%和36.7%；合適的減水劑用量是確保砂漿和易性能良好的關(guān)鍵，內(nèi)蒙鋼渣砂砂漿在減水劑用量為2.25 g時(shí)和易性能最佳，而廣西鋼渣砂砂漿則在減水劑用量為3.15 g時(shí)才最佳.