海泡石纖維增強高石粉含量機制砂砂漿性能的研究

2022-04-20 08:46:00詹奇淇章家海王曉海項炳泉

硅酸鹽通報 2022年3期

詹奇淇，章家海，王曉海，陳慧，項炳泉

(1.安徽省建筑科學研究設計院，合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，合肥 230031)

0 引言

在我國工程建設規模日益增長的環境下，使用機制砂替代天然砂配制砂漿和混凝土有效解決了建筑用砂緊缺的問題，但機制砂中石粉含量過高時會破壞膠凝體系硬化后的緊密堆積結構，進而降低力學性能和耐久性[1]。此外,機制砂在生產過程中常使用水洗或風選收集的方式控制石粉含量，也增加了污水排放,淤泥堆積和生產能耗，對周邊環境和能源供應造成極大的壓力[2]。因此，改善高石粉含量下機制砂砂漿的力學性能和耐久性，擴大石粉的利用率具有重要的經濟效益和社會效益。

目前，添加纖維是優化水泥制品性能的主要手段，可有效提高水泥制品的韌性，以達到良好的力學性能和耐久性[3]。亓松彬[4]使用玻璃纖維改善了水泥砂漿內部的孔隙率和孔結構，從而提高了水泥砂漿的密實度。何健輝等[5]在此基礎上使用玻璃纖維有效抑制了水泥砂漿塑性收縮開裂，并發現纖維直徑越小阻裂效果越明顯。何順愛等[6]在水泥砂漿中摻入不同摻量和不同尺度的玄武巖纖維，水泥砂漿孔隙率降低幅度最高為56.2%，抗折強度最大增長幅度為27.1%。王磊[7]通過外加適量聚丙烯纖維有效提高了水泥砂漿的抗折強度，但對抗壓強度的影響不大，其中纖維摻量為1.2 kg/m3，長度為12～18 mm時，水泥砂漿的干燥收縮最小。劉明輝等[8]采用硫酸鈣晶須與聚丙烯纖維進行對比分析，結果表明，機制砂中的石粉質量分數提高至15%時，硫酸鈣晶須可顯著提高試件的抗壓強度和彈性模量，而相同條件下聚丙烯纖維的改性作用不明顯。

基于上述研究發現，現有研究多集中于人造纖維，其中玻璃纖維生產過程中的塑料粉塵易致癌，聚丙烯纖維難降解，玄武巖纖維、碳纖維和硫酸鈣晶須較為環保，但價格高昂。海泡石纖維作為一種理想的天然礦物纖維，主要成分為富鎂硅酸鹽，因特殊的層間結構使其比表面積遠高于一般礦物，具有優異的性能，且價格低廉[9]。因此，本文采用海泡石纖維，通過力學試驗、干燥收縮試驗、熱重分析(TG)、壓汞測試(MIP)和微觀試驗(SEM)，系統研究了不同長度和摻量下海泡石纖維對高石粉含量機制砂砂漿性能的影響，并對微觀結構進行分析。

1 實驗

1.1 原材料

(1)水泥：巢湖海螺42.5級普通硅酸鹽水泥，有關技術指標如表1所示。

表1 硅酸鹽水泥的指標

(2)機制砂:中電建安徽長九新材料股份有限公司提供，主要成分為石灰巖，細度模數為3.1，Ⅱ區級配砂，堆積密度為1 463 kg/m3，緊密密度為1 720 kg/m3，表觀密度為2 720 kg/m3，石粉含量為8.2%，泥塊含量為2.2%，吸水率為0.8%，含水率為0.5%，壓碎指標為23.4%，MB值(亞甲藍值)為0.7，百分號均表示質量分數。

(3)石粉：取自長九公司干法制砂生產線，灰罐中儲存的粒徑小于0.075 mm的顆粒。

(4)粉煤灰：取自合肥東凱新型建材有限公司，Ⅱ級粉煤灰，需水量為104%，細度為24.55%，含水量為0.1%，燒失量為2.1%，百分號均為質量分數。

(5)減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產，聚羧酸高性能減水劑，固含量為14.6%，減水率為30%，百分號均為質量分數。

(6)海泡石纖維：分子式MgO[Si6O15]2(OH)4·12H2O[10]，由靈壽縣百勝礦產品加工廠生產，體積質量為1 280 kg/m3，抗拉強度為219 kPa，彈性模量為6.403 MPa。海泡石纖維懸浮液(溶液質量分數ω=10%)pH值為9，比表面積為873 m2/g(廠家提供)，呈現出一種纖維狀多孔的微觀形態，見圖1。

圖1 海泡石纖維的微觀形態

(7)拌和用水：實驗室自來水。

1.2 試驗配合比和試件制備

選用直徑相同、長度不同的海泡石纖維進行試驗，長度分別為1 mm、3 mm、5 mm，每種長度纖維的體積摻量均設置0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%五種水平，并與空白組進行對比分析。以質量計算，砂漿膠砂比1 ∶3，水膠比0.76，機制砂用量1 450 kg/m3，粉煤灰按水泥質量的20%進行取代。為保證漿體良好的工作性，在水泥質量的0.6%～1.8%之間調節減水劑外摻量。

石粉含量為機制砂中公稱粒徑小于80 μm且礦物組成和化學成分與被加工原巖相同的顆粒含量。當石粉含量過高時，尤其是泥粉存在時，會對水泥膠砂的力學性能和體積穩定性產生顯著有害影響?！镀胀ɑ炷劣蒙啊⑹|量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)和《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)均規定機制砂中的石粉質量分數不應超過10%，較嚴格的質量標準進一步加劇了工程技術人員對高石粉含量機制砂產品的不認可，石粉含量的接受度需大量數據和試驗佐證才能獲得推廣。在此背景下，試驗配合比中機制砂中的石粉質量分數提高至20%。水泥砂漿配合比如表2所示。

表2 砂漿試驗配合比

砂漿拌合物裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模用于3 d、7 d和28 d抗壓強度測試，剩余漿料裝入40 mm×40 mm×160 mm試模用于28 d干燥收縮測試，收縮測試后試件用于28 d抗折強度測定。成型后用塑料薄膜覆蓋試件澆筑面，以避免試件表面水分散失，并置于標準養護室內養護24 h后拆模。抗壓強度待測試件置于溫度20 ℃、相對濕度90%以上的環境中養護；干燥收縮待測試件置于溫度20 ℃、相對濕度60%的自然干燥條件下進行養護。

1.3 測試方法

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70—2009)測定試樣的強度和自然干燥收縮值，并采用TG、MIP和SEM微觀分析方法對干燥收縮試樣的早期水化程度、物相和孔結構進行分析。

2 結果與討論

2.1 海泡石纖維對砂漿力學性能的影響

圖2為海泡石纖維不同長度和體積摻量下，機制砂砂漿3 d、7 d和28 d抗壓強度的變化情況。由圖2分析可得，纖維摻量和試件養護齡期對機制砂抗壓強度的影響較為顯著，纖維長度的影響相對不明顯。同一摻量下，纖維長度的減小提高了試件抗壓強度，當纖維體積摻量為1.5%，且長度從5 mm減至3 mm時，7 d抗壓強度提高6.1%，長度從3 mm減至1 mm時，7 d抗壓強度提高3.9%，變化幅度較小。同一長度下，纖維體積摻量在0%～1.5%時，摻量越高抗壓強度越大，繼續提高摻量，抗壓強度降低，不同齡期抗壓強度均在纖維體積摻量為1.5%時達到峰值。其中長度為1 mm的纖維摻量為1.5%時，3 d、7 d和28 d抗壓強度與同齡期空白組試件相比分別提高60.8%、84.9%和98.9%，漲幅較大，且相較于3 d齡期抗壓強度變化，纖維對7 d和28 d齡期抗壓強度的影響更明顯。

圖2 纖維長度和摻量對抗壓強度的影響

圖3為海泡石纖維不同長度和摻量下，機制砂砂漿28 d抗折強度的變化情況。分析圖3可得，在同一纖維摻量下，1 mm纖維試件抗折強度高于3 mm和5 mm纖維試件，且在拌制過程中發現3 mm和5 mm纖維較1 mm纖維易盤繞成團，抗折強度結果和拌制現象間接反映出短海泡石纖維在砂漿中的分散效果優于長海泡石纖維[11]。同一纖維長度時，28 d抗折強度隨纖維在適宜體積摻量范圍內的增加而提高，超過適宜范圍，抗折強度降低。1 mm、3 mm和5 mm纖維的最優體積摻量分別為1.5%、0.5%和0.5%，對應抗折強度較空白組分別提高36.2%、5.8%和2.9%；纖維體積摻量提高至2.0%時，3 mm和5 mm纖維試件的抗折強度較空白組分別降低2.7%和9.0%，而1 mm纖維試件的抗折強度較空白組提高11.2%。

圖3 纖維長度和摻量對抗折強度的影響

綜合砂漿力學試驗分析結果，短海泡石纖維在適宜摻量下可有效改善高石粉含量機制砂砂漿的力學性能，摻入過量的纖維不利于試件強度的發展；纖維摻量的變化對試件抗壓強度的影響更為顯著，而對抗折強度的影響較小。這是因為：海泡石纖維孔道內吸附的拌和用水以及自身的弱堿性有助于促進水泥的水化反應，相應水化產物的數量增加，砂漿硬化結構體系更為密實，試件抗壓強度隨之提高[12]；但海泡石纖維抗拉強度和彈性模量較小，當抗折試件底部出現裂縫時，橫跨裂縫的纖維無法有效約束裂縫發展，試件破壞時的撓度提升較小，纖維和水泥砂漿復合體系仍屬于脆性材料。

2.2 海泡石纖維對砂漿干燥收縮的影響

圖4(a)為纖維體積摻量變化時，機制砂砂漿干燥收縮值的變化情況。從圖中分析可得，空白組和纖維體積摻量小于1.0%的試件在測定周期內均呈收縮狀態，纖維體積摻量大于等于1.0%的試件在0～5 d內出現膨脹現象，纖維組試件5 d內的膨脹現象可能與早期水化程度相關。圖5為砂漿干燥收縮試件3 d齡期時的TG和DTG曲線，圖中400～500 ℃內的熱流變化主要為水泥水化產物氫氧化鈣(CH)分解的吸熱峰[13]?？瞻捉M、1.0%纖維體積摻量和2.0%纖維體積摻量的砂漿樣品在400～500 ℃內的質量損失分別為0.51%、2.64%和6.31%，隨著纖維體積摻量的增加，吸熱峰強度和樣品質量損失率提高，砂漿早期水化產物中的CH含量上升；有研究[14]表明水泥水化生成的CH含量與水泥水化程度成正比。在自然干燥條件下，纖維組試件早期水化程度的增強提高了水化硅酸鈣(C-S-H)和CH的含量，其數量的增加是引起纖維組試件5 d內出現膨脹現象的主要原因。此外，海泡石纖維自身的比表面積遠大于水泥顆粒，可有效約束水泥早期水化產生的毛細管壓力，進一步降低砂漿早期的自收縮效應[15]。

圖5 自然干燥條件下砂漿3 d齡期的TG和DTG曲線

同時，試驗發現：纖維組試件在測定周期內的收縮值均小于空白組，且增長幅度較平緩；當長度為1 mm的纖維摻量為0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時，試件28 d自然干燥收縮值相較于空白組分別降低34.9%、46.2%、50.1%、54.7%和72.1%，外摻海泡石纖維顯著增強了高石粉含量機制砂砂漿的抗干燥收縮能力，纖維摻量越大改善越明顯。這是由于砂漿主要在5～14 d失水，此時硬化膠凝體系內部的毛細孔因失水產生了不均勻的壓應力，進而促進了砂漿的體積變形[16]。而在砂漿中復摻適量海泡石纖維后，一方面纖維具有良好的親水性，可均勻分布于砂漿內部，形成一種三維承托體系，增強砂漿的結構穩定性[17]；另一方面，海泡石纖維因其特殊的層間結構而具有較大的吸附性，硬化前會吸收大量的拌和用水，硬化后隨著膠凝體系內部吸附水的散失，纖維會釋放內部的自由水，填充失水后的毛細孔，補償毛細孔內部產生的壓應力[18]，實現良好的自養護效應，并抵消砂漿內部因不均勻壓應力所產生的收縮變形。

由圖4(b)分析可得，相同摻量下，海泡石纖維長度對砂漿干燥收縮的改善情況不明顯。纖維體積摻量為1.5%時，纖維長度為3 mm和5 mm的試件，其28 d干燥收縮值相較于1 mm時僅分別提高2.2%和5.0%。其他摻量下，纖維長度對干燥收縮的影響結果相似，長度的變化對干燥收縮的影響不顯著。

圖4 海泡石纖維摻量和長度對機制砂砂漿干燥收縮的影響

2.3 壓汞法測定機制砂砂漿內部孔隙結構

圖6和表3給出了長度為1 mm的纖維在不同體積摻量下，28 d齡期砂漿干燥收縮試件的壓汞孔徑分布情況。分析得出，纖維體積摻量為0%、0.5%、1.0%和1.5%時，砂漿的總孔隙率分別為28.40%、25.49%、23.98%和23.34%，總孔隙率與纖維體積摻量成反比。空白組試件內部的孔體積主要由孔徑大于200 nm的多害孔組成，其體積占比為49.22%，高于纖維組試件；而纖維組試件內部的孔體積主要由孔徑小于20 nm的無害孔組成，長度為1 mm的纖維體積摻量分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%時，無害孔體積占比分別為10.81%、65.04%、78.16%和82.78%，且隨著纖維體積摻量的提高，少害孔、有害孔和多害孔的數量下降。有研究[19]表明，孔徑小于20 nm的孔屬于凝膠內孔和凝膠微晶間孔，其數量與水泥基材料的抗壓強度成正比，而孔徑大于20 nm以上的孔多為過渡孔，其數量與抗壓強度成反比。這說明海泡石纖維體積摻量的提高有利于砂漿內部孔結構向無害孔發展，從而提高砂漿的宏觀抗壓強度和體積穩定性?？捉Y構的變化規律與砂漿自然干燥養護過程中內部有效水灰比的變化相關，水化初期砂漿內部自由水含量大，與外界溫濕度差值較高，易造成大量水分通過毛細孔蒸發，有效水灰比降低，砂漿孔結構劣化[20]；而海泡石纖維因其親水性在砂漿拌和過程中可均勻分布于基體各處并吸附部分自由水，在有效水灰比降低時及時釋放自由水，加速膠凝體系水化，并抑制砂漿內部少害孔、有害孔和多害孔的形成。

圖6 1 mm纖維不同體積摻量下砂漿的孔徑分布

表3 不同海泡石纖維體積摻量下試件的孔體積占比

2.4 海泡石纖維增強砂漿的微觀特征

圖7為空白組和長度為1 mm的纖維體積摻量為1.5%時試件的SEM照片。由圖7(a)可看出，空白組試件的水化體系主要為絮狀或膠凝態的C-S-H，有明顯的孔狀結構和散狀顆粒物質，是一種典型的非勻質材料，試件一旦發生體積變形，易形成集中應力，不利于砂漿的強度和體積穩定性[21]。而圖7(b)中纖維試件水化體系由大量針棒狀鈣礬石、片狀CH晶體和C-S-H膠結組成，與空白組相比，整體更為致密，硬化結構的孔隙數量顯著減少。圖7(c)、(d)為纖維試件進一步放大的SEM照片，圖中大量針棒狀鈣礬石和片狀CH晶體相互堆疊并填充砂漿內部的有害孔，其形成后的體積膨脹是補償收縮和降低有害孔數量占比的主要原因，彼此間相互穿插構成了較為穩定的網狀結構，硬化結構體系的密實性和體積穩定性得到增強。這是由于膠凝材料初期的水化作用主要受結晶成核效應控制[22]，海泡石纖維因其結構特殊，可為水化過程的結晶聚團提供更多的成核質點；同時海泡石纖維較強的吸附作用易擾亂水化液相中的離子濃度，伴隨著水化過程中成核生長的增多，將促進鋁酸三鈣(C3A)等活性物質表面結晶形成的膠凝態亞穩層溶解[23]，多種因素共同作用下縮短了膠凝體系水化反應誘導期，并促進纖維砂漿試件的水化，相應針棒狀鈣礬石、片狀CH晶體和C-S-H含量增加。