偏高嶺土/海泡石對水泥凈漿工作性能與強度的影響

張博飛

(中鐵十八局集團第五工程有限公司神華項目管理部，天津 300220)

硅酸鹽類礦物或工業廢棄物，如偏高嶺土、粉煤灰及礦渣等，因具有一定的活性及特殊的物理性能，被廣泛的應用在水泥基材料當中，一定程度上實現了水泥基材料的綠色高性能化。而海泡石是一種富含鎂的纖維狀硅酸鹽粘土礦物，近年來，也受到水泥基材料研究者的關注；T. Kavas等[1]研究了海泡石纖維摻量對水泥強度的影響，并認為10%的海泡石纖維能夠增強水泥基復合材料的強度，同時指出海泡石纖維在水泥基體中的搭接狀態是影響最佳摻量的重要原因。S. Martinez-Rankirez等[2]的研究認為，海泡石對石灰砂漿強度影響不大，但可以降低砂漿的碳化速率。S. Andrejkovic ov等[3-4]研究顯示，海泡石對摻高嶺土的石灰砂漿的抗折強度有利，并發現海泡石的保水效果為其它活性物質提供了反應基礎，使石灰砂漿的后期強度得到顯著改善。He C[5]利用模擬水泥孔隙液，探究了海泡石在水泥基堿性條件下的作用情況；并對海泡石進行了煅燒改性，以化學鋁收縮試驗監測煅燒改性前后海泡石的反應速率，得出了改性海泡石的最佳煅燒溫度及其在水泥砂漿中的強度發展情況。Gonzalo Mrmol等[6]將海泡石加入MgO-SiO2體系的纖維水泥中，結果表明，海泡石的加入可以促進MgO-SiO2體系水泥漿體的水化，同時海泡石的加入顯著改善了纖維水泥的均勻性。胡亞敏等[7]以海泡石纖維、水泥、乳膠粉及硅微粉等為原料，獲得了工作性及力學性能良好的修補砂漿。孫凱利等[8-9]系統研究了海泡石與粉煤灰對水泥砂漿的強度和耐久性的影響。偏高嶺土在水泥基材料中的研究，相對成熟，其在水泥水化中與Ca(OH)2反應并使其含量大大減少，水化硅酸鈣(C-S-H)的含量相應增多，生成板狀晶體與絮凝狀物質，并可以引起內部平均孔徑的顯著減少，孔結構比純水泥凈漿更優越。但關于海泡石與偏高嶺土的研究還不多見，特別是對于新拌水泥基材料的性能影響，還很少報道，是否二者的協同作用會提高水泥基材料的綜合性能，還有待研究。正因如此，本文開展關于偏高嶺土與海泡石對水泥凈漿強度等性能與微結構的影響的綜合研究。

1 原材料的物理性能及化學組成

1.1 原材料

本試驗采用的是強度等級為42.5的P.I基準水泥，主要物理性能指標見表1，化學組成見表2；偏高嶺土和海泡石的主要化學組成見表2。減水劑采用2T-CAG6型號的萘系高效減水劑。

表1 P.I 42.5水泥物理性能指標

表2 P.I 42.5水泥、偏高領土和海泡石的化學組成 %

1.2 配合比

經過前期研究，目前所采用的配合比見表3。

表3 試驗配合比 g

2 試驗方法

2.1 水泥凈漿流動度試驗

水泥凈漿流動性試驗參照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077-2012)執行。在攪拌過程中，采用手控程序，慢速攪拌120 s，停止15 s，同時將攪拌鍋鍋壁的膠材用刮刀刮下，再高速轉動120 s。攪拌停止后，將拌好的水泥凈漿迅速注入已經用濕抹布擦好并放在水平玻璃板上的水泥凈漿流動度試模中，用刮刀刮平，將水泥凈漿流動度試模垂直方向提起，同時用秒表記錄水泥凈漿在玻璃板上流動時間至30 s，用直尺測量互相垂直且兩個直徑最大值的平均值作為水泥凈漿的流動度。

2.2 水泥凈漿標準稠度、凝結時間試驗

水泥凈漿標準稠度、凝結時間試驗參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2011)標準進行。本試驗主要測定復摻海泡石與偏高嶺土對水泥凈漿性能的影響，主要包括標準稠度用水量與初凝、終凝時間。

2.3 水泥凈漿強度試驗

本項試驗主要以測定不同復摻比例的海泡石與偏高嶺土在不同齡期下對水泥凈漿強度的影響為目的，并探究海泡石與偏高嶺土對水泥凈漿強度影響的發展規律。

按照配合比稱取原料，用攪拌鍋按照標準將原料制成漿體，立即將水泥漿體裝入試驗試模。模具尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，成型3組，每組6個試塊，24 h后對其拆模編號，再將其置于標準養護箱(溫度為20±1℃，相對濕度不小于90%)中，養護至預先制定的三種齡期(3 d、7 d和28 d)后應用試驗壓力機測量其抗壓強度，記錄數據并分析得到海泡石與偏高嶺土復摻的最佳比例摻量。

3 結果與討論

水泥凈漿的原料為:42.5強度等級的P.I基準水泥，偏高嶺土與海泡石。偏高嶺土采用內摻方法替代水泥，選取0、10%、20%、30%、40%等五個摻量；海泡石采用外摻，摻量依次為0、5%、10%、15%、20%。通過均勻試驗法，探究不同配比海泡石和偏高嶺土的摻入對水泥凈漿基本性能的影響。試驗中，所有組的水灰比均為0.4。

3.1 擴展度特征

取水泥凈漿的流動度為基準，擴展度為120 mm×120 mm，向其他不同配比的水泥凈漿中摻入外加劑，當其達到相同于基準組的擴展度時，記錄相應的減水劑的摻加量。

從圖1中可以看出：當海泡石摻量一定時，向其中摻加偏高嶺土后，隨著偏高嶺土摻量的增加，使其達到基準組的擴展度所需要的減水劑不斷增加，且在單位變量中，同組中增加的趨勢在逐漸減小，即整個增長的過程總體上呈一種減緩的趨勢。圖2中可以看出：當偏高嶺土的摻量一定時，向其中摻加海泡石，隨著海泡石的摻量增加，摻加的減水劑的量也在不斷地增大，以滿足相同要求的擴展度。在海泡石摻量為10%之前，減水劑的增加呈一種平緩的趨勢；在10%之后，減水劑用量顯著增加。

圖1 海泡石摻量對減水劑摻量的影響

圖2 偏高嶺土摻量對減水劑摻量的影響

由此可以分析出，隨著摻加海泡石與偏高嶺土的摻量不斷增加，其相應的水泥凈漿的擴展度在不斷減小，需要更多的減水劑來達到基準組的擴展度。對于摻加的偏高嶺土的水泥凈漿，由于偏高嶺土加入后與水發生反應，減少體系中自由水的量；其次，其特有的片層狀結構和粒徑小的特點，不具有“微滾珠”效應，其對水與減水劑分子的吸附能力大于硅酸鹽水泥，因此作用于整個水泥凈漿體系中減水劑的量就隨著偏高嶺土含量的增多而增加[10]。海泡石呈纖維狀管狀，對于水有極強的吸附性，自由水進一步減少，因此分散作用會比較弱，進而擴展度會減小，需要更多的減水劑；其次，海泡石對于漿體中的微顆粒吸附阻止其相對自由的運用，纖維間相互交錯阻攔，進而帶動著水泥與偏高嶺土顆粒的運動遲滯。綜合兩者的原因，隨著兩者的摻量不斷增加，因此需要更多的減水劑，讓漿體中有更多的自由水來分散潤滑，讓漿體有更大的擴展度[11]。

3.2 水泥凈漿粘度特征

表4中只列出了部分配比的水泥凈漿的粘度值，在實際水泥凈漿制備中，隨著海泡石與偏高嶺土的摻加量不斷增大，漿體不斷變稠、變粘，并逐漸不能形成視覺上的漿體，部分粘度太大，儀器無法測出，粘度也無法準確測量，以下只列出能測出粘度值的水泥凈漿相關數據。

表4 部分水泥凈漿粘度及塑性屈服強度

表4中可以看出隨著海泡石摻量的增加，水泥凈漿的粘度在逐漸增大，由于偏高嶺土特殊的結構及較大的比表面積，需水量顯著增加；另一方面海泡石成纖維狀，其加入對于水的需求也逐漸增大，偏高嶺土與海泡石的效應疊加，導致水泥凈漿中的自由水減少，分散潤滑作用減弱，同時纖維結構比較密集，粘度增長呈曲線狀態發展，導致很大部分配比的水泥凈漿粘度太大[12]。

3.3 對標準稠度用水量的影響

海泡石與偏高嶺土在不同摻量下，水泥漿體的標準稠度用水量如圖3和圖4所示。

圖3 海泡石摻量對標準稠度用水量的影響

圖4 偏高嶺土摻量對標準稠度用水量的影響

從圖3中看出：當海泡石摻量一定時，標準稠度用水量隨著偏高嶺土的摻量增大而增大。從整體上看，當摻加量不超過20%時，標準稠度用水量增加的比較平緩；在20%及以后會有較大幅度的增加。從圖4中看出：當偏高嶺土摻量一定時，水泥凈漿的標準稠度需水量隨著海泡石的摻量增大而變大，海泡石摻量為10%時為一個標志點，在該摻量下前后會有截然不同的變化。從圖3、圖4中的曲線變化趨勢上看，當另一變量一定時，偏高嶺土的標準稠度用水量的變化率比海泡石小。

3.4 對水泥凈漿凝結時間的影響

海泡石與偏高嶺土在不同摻量下的凝結時間如圖5和圖6所示。

圖5 海泡石摻量對水泥凈漿初凝時間的影響

圖6 海泡石摻量對水泥凈漿終凝時間的影響

在圖5和圖6兩圖中，從橫向上看，隨著海泡石的摻量的增加，水泥凈漿的初凝時間與終凝時間都在不斷增加，并呈曲線增加，初始的增長趨勢比較平緩，但是在海泡石摻量為10%后開始迅速增加；在縱向上看，隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥凈漿的凝結時間也在不斷增加中，當摻量為0～20%時，其初凝時間與終凝時間的變化相差不大，但是在20%之后的變化就比較增長明顯。

3.5 對水泥凈漿強度的影響

3.5.1 單摻海泡石的影響

單摻海泡石的水泥凈漿試塊的抗壓強度數值如圖7所示，在試驗中偏高嶺土的摻量為0。

從圖7中可以看出，隨著海泡石摻量的增加，同齡期下水泥凈漿試塊的抗壓強度在不斷增長，但增長的趨勢在不斷減緩。

圖7 單摻海泡石對水泥凈漿抗壓強度的影響

分析其原因，摻入海泡石后，由于其幾乎不發生水化反應，還是保持一種纖維狀態存在，在水泥的水化過程中，生成的水化硅酸鈣(C-S-H)與鈣礬石等膠凝物質會黏連附著在海泡石的表面甚至會形成包裹，比較好的促進微集料效應，在一定程度上促進了水泥凈漿試塊的抗壓強度，同時海泡石的加入由于其較強的吸附特性，會將一部分水吸附于海泡石內部，一定程度上減小了水灰比，提高了其強度；但當海泡石的摻量過高時，單位體積中的膠凝材料減少，海泡石的含量升高，水泥水化生成的膠凝性物質相應的逐漸減少，反應速率也相對較慢，海泡石所占據得空間比重比較大，對水泥凈漿的強度起到微弱的作用，因此，在后期中強度增長比較緩慢[13]。

3.5.2 單摻偏高嶺土的影響

單摻偏高嶺土的水泥凈漿試塊的抗壓強度數值如圖8所示，試驗中海泡石的摻量為0。

圖8 單摻偏高嶺土對水泥凈漿抗壓強度的影響

從圖8中可以看出，當偏高嶺土摻量為10%時，其7 d、28 d的水泥凈漿試塊抗壓強度比同齡期的基準組水泥都有不同程度的增長，而3 d有適度的下降；當摻量大于10%后，各齡期的強度都在不同程度的降低；在縱向上看3 d、7 d強度發展比較緩慢，而28 d的強度發展比較快。

分析其原因，偏高嶺土的火山灰活性比較低，在水泥水化早期進程中水化速度比水泥的慢，自由水的相對含量比較高，抑制了水泥的凝結硬化，因此在3 d的齡期中比基準組水泥凈漿強度偏低。在后期水化進程中偏高嶺土的水化程度增大，與水泥水化生成的CH反應生成具有水硬性的物質；由于偏高嶺土顆粒比水泥顆粒小，原料及其產物有效的填充在水泥顆粒及其產物的空隙中，生成填充效應，密實度更加提高，抗壓強度因此有增加；其次，反應的同時CH的減少促進了水泥水化反應向正向進行，降低了水泥凈漿體系中堿的量，再加上偏高嶺土表面的成核效應，水泥水化的部分組分在偏高嶺土表面形核生長，共同促進了水泥的水化，因此在大齡期的成長中強度會有增加。隨著偏高嶺土取代水泥的摻量逐漸增大，水泥用量在不斷減少，其產生具有凝結強度的物質在不斷減少，偏高嶺土不具有水硬性，因此在相同齡期下隨著偏高嶺土摻量增加其強度在不斷減小[14]。

3.5.3 海泡石和偏高嶺土復摻的影響

不同摻量配比下的水泥凈漿試塊的抗壓強度數值如圖9所示。

圖9 偏高嶺土不同摻量對水泥凈漿抗壓強度的影響

從圖9中可以看出在偏高嶺土摻量為定值時，同齡期的水泥凈漿試件的抗壓強度在海泡石摻量較少時明顯增長；后期摻量增加時，試件的抗壓強度有不同的減少或者是增加。在縱向上比較，當海泡石的摻量一定時，隨著偏高嶺土的摻入增加，其強度逐漸減少。

究其原因，在宏觀上，由于偏高嶺土與海泡石的需水量比較大，隨著摻量的不斷增加，在攪拌過程中逐漸形成半固體，流動性很差，在振搗密實過程中密實狀態很差，因此導致試塊抗壓強度在摻量不同時有不同程度的增大與降低。在微觀上，一是由于偏高嶺土的火山灰活性與外貌形態，較低的摻量對于試塊抗壓強度有增強作用，而較大的摻量影響水泥水化的進程，對強度有不利影響；其次是海泡石摻量較少時，其相應的纖維結構會增加水泥凈漿的強度，結合偏高嶺土的微集料效應更好的促進強度的發展；摻量增加時，拌和水量的相應比例減少，海泡石纖維在水泥凈漿中分布不均勻且占據較大的體積空間，因此摻量較大時試件強度會有不同程度的增加與減少。

3.6 水化產物的SEM分析

為了更加直接的探究在不同海泡石與偏高嶺土摻量下，水泥凈漿水化3 d、7 d和28 d等不同齡期下的水化產物組成，采用SEM分析在不同條件下水泥凈漿水化的微觀形貌，具體SEM圖見圖10。

從圖10(b)中可以看出，單摻10%海泡石的水泥凈漿水化過程中的水化產物附著在海泡石的纖維上，其水化產物的“密集度”不如基準組的水泥；圖10(c)中單摻偏高嶺土空間更為密實，無明顯孔隙，原因是顆粒較小的偏高嶺土及其水化產物填充在顆粒較大的水泥顆粒中間，微觀結構更為密實，但Ca(OH)2晶體明顯減少[15]；圖10(d)為復摻海泡石與偏高嶺土的水泥凈漿微觀形貌，在海泡石與偏高嶺土的相互作用下，密實度更高。偏高嶺土的密實作用與海泡石纖維的被附著連接，且后期水化程度變高，使得孔隙更加小[16]。

圖10 不同配比的水泥凈漿28 d的SEM圖

4 結論

(1)在水泥凈漿的基本性能試驗中，復摻海泡石與偏高嶺土時，隨著二者的摻量不斷增大，其標準稠度用水量、凝結時間在不斷增大；擴展度在減小，同時達到基準組的擴展度所需要的減水劑在不斷增加；粘度隨著二者的摻量增加而急劇增大。

(2)在水泥凈漿的強度試驗中，其強度隨著偏高嶺土的摻量先增加后降低，隨著海泡石的摻量增加而升高，當偏高嶺土摻量10%、海泡石摻量為20%時其強度達到復摻最佳值。

(3)在水泥凈漿水化的微觀試驗中，復摻海泡石與偏高嶺土有助于提高水泥凈漿的密實程度。