硅灰石粉對水泥基砂漿力學(xué)性能影響的研究

?

摘要：基于硅灰石膠砂活性指數(shù)試驗的基礎(chǔ)上，對硅灰石一水泥砂漿抗折強度、抗壓強度、抗沖擊性能和彈性模量等力學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，硅灰石膠砂抗壓活性指數(shù)為67%。通過XRD分析表明，在膠砂后期水化過程中，硅灰石粉參與水化反應(yīng)，特征峰強度有所降Di；與基準砂漿性能對比，在抗壓強度相同前提下，硅灰石粉能提高砂漿抗折強度、抗沖擊性能和彈性模量，并降Di試件荷載變形。通過SEM分析表明，硅灰石顆粒表面生成水化產(chǎn)物并與水泥漿體形成致密的連生體，該結(jié)構(gòu)對砂漿起到了顯著的微筋增強作用；且當摻量達到或超過25%時，硅灰石粉在漿體中形成三維網(wǎng)絡(luò)骨架。

?

A?b?stract:based?on?the?aaivity?index?experiment?ofwollastonite?paste,the?paper?makes?a?systematic?studyon?the?mechanical?properties?of?wollastonite-cement?mortar?such?as?flexural?strength,compressive?strength,shock?resistance?and?elasticity?modulus.According?to?the?re-sults,the?compressive?actMty?index?of?wollastonite?powder?is?67%.The?XRD?analysis?indicates?that?in?the?later?hydration?process?of?mor-tar,wollastonite?powder?takes?part?in?the?hydration?reaction,whose?characteristic?peak?strength?drops?somewhat;compared?with?the?perfor-mance?ofreference?mortar,under?the?premise?of?same?cmpressive?strength,wollastorute?powder?can?enhance?the?flexural?strength,shockresistance?and?the?elasticity?modulus?ofthe?mortar?while?reduce?reduce?the?load?deformation,The?SEM?analysis?indicates?that?wollastonitepowder?generates?hydration?products?at?the?surface?and?forms?compact?interlocked?mass?with?cement?mortar.The?structure?has?a?distinctiveeffect?of?micro-fiber?reinforcement?on?the?mortar;besides,when?the?amount?of?admixture?reaches?or?exceeds?25%,wollastorute?powderwillform?3D?network?framework?in?the?paste.K?ey?w?o?rd?s:wollastonite;actMty?index;micro-fiber?reinforcement;elasticity?modulus:shock?resistance

引言

硅灰石是一種天然鏈狀偏硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)式為Ca3(Si30)。在硅灰石結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，S104骨架鏈和Ca06八面體柱形成的復(fù)合單鏈成為硅灰石結(jié)晶結(jié)構(gòu)的基本單元。這種特殊晶體結(jié)構(gòu)決定了其性質(zhì)，當其粉碎成細小顆粒時，仍保持針狀形態(tài)。由于具有獨特的粉體纖維性能，高長徑比硅灰石粉(15～20:1)已廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、橡膠、冶金和耐火材料等行業(yè)中，用以提高材料硬度、彎曲強度和撞擊阻力，以及提高材料熱穩(wěn)定性，增強抗腐蝕型和提高耐磨性。而硅灰石在水泥混凝土中的研究開始于20世紀90年代，起步較晚，更鮮有工程應(yīng)用。我國是硅灰石資源相當豐富的國Jia，目前已在十多個省、區(qū)發(fā)現(xiàn)了硅灰石礦床。如何合理開發(fā)資源，充Fen開發(fā)硅灰石礦物應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的意義。

鑒于國內(nèi)鮮有關(guān)于硅灰石粉作為水泥基復(fù)合材料摻合料的研究，筆者研究了硅灰石粉作為活性混合材的可行性，并系統(tǒng)研究了硅灰石粉對水泥基材料抗壓強度、抗折強度、彈性模量、抗沖擊性能等力學(xué)性能的影響，通過XRD、SEM等微觀測試手段，對硅灰石粉活性及其對水泥基材料力學(xué)性能影響的機理進行了分析。

1試驗

1.1試驗原材料

試驗采用亞東水泥廠生產(chǎn)的P.0?42.5級水泥，其性能指標如表l所示；粉煤灰為湖北麻城火電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰，其體積平均粒徑為12.0?p4m，密度為2.58g/Cm3;硅灰為艾肯牌硅灰，密度為2.28g/Cm3;細骨料所用的石英粉，其細度為100目，細骨料所用的石英砂為ISO標準砂；硅灰石粉為江西盛泰化工有限公司生產(chǎn)，其基本物理性能如表2所示，化學(xué)成分如表3所示，形貌為針棒狀。減水劑為中建新型建材廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為20%，減水率為23%。

1.2試驗配合比

硅灰石粉水泥基砂漿材料配合比如表4所示：膠凝材料由水泥、粉煤灰、硅灰按7:2:1的質(zhì)量比組成，砂膠比為0.3，試驗采用的水灰比為0.2。硅灰石粉等質(zhì)量取代膠凝材料的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%摻入；通過外加劑摻量的調(diào)整，控制砂漿擴展度在(180±l0)mm。

1.3試驗方法

首先，將水泥、粉煤灰、硅灰和石英砂稱好后，倒入攪拌機內(nèi)攪拌1?min，使其混合均勻。加入配合比中設(shè)定用水量，加入部分摻量減水劑，控制砂漿擴展度達到(180±10)mm

范圍。然后，將稱量好的硅灰石粉倒入攪拌機內(nèi)，攪拌3?min左右，直Zhi硅灰石粉均勻分散后，加入剩余摻量的減水劑，調(diào)整砂漿工作性能測試，控制砂漿跳桌擴展度在(180±l0)mm

范圍。

成型40?mmx40?mmx160?mm菱形試件．測試膠砂抗壓強度和抗折強度：成型10?mmxl00?mmx400?mm薄板試件，測試砂漿彈性模量：成型咖100?mmx50?mm圓餅試件，測試膠砂抗沖擊性能。

將灌滿砂漿的試模置于砂漿標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護24?h后拆模：拆模后，試件置于砂漿標準養(yǎng)護箱中進行水養(yǎng)，Zhi28d齡期。

2試驗結(jié)果及分析

2.1硅灰石粉膠砂活性

根據(jù)GB?1596-2005中粉煤灰活性指數(shù)試驗方法，對硅灰石粉的活性指數(shù)進行了測試。其中，對比膠砂配合比為450g水泥，1?350?gISO標準砂，225?mL水；試驗?zāi)z砂硅灰石粉取代30%水泥質(zhì)量，即315?g水泥，125?g硅灰石粉，1?350?g?ISO標準砂，225?mL水。分別按GB/T?17671規(guī)定進行攪拌、成型和養(yǎng)護。試件養(yǎng)護Zhi28?d，測試兩組水泥膠砂抗壓強度比值，以檢驗硅灰石粉的活性。

試驗硅灰石粉28?d抗折28?d抗壓強28?d抗壓28?d抗壓強編號摻量膩強度/MPa折比值／%強度／MPa度比值／%由試驗結(jié)果可知，一方面，試驗?zāi)z砂與對比膠砂28?d抗壓強度比值，即硅灰石粉活性指數(shù)為67%，滿足國標GB?2847-2005中活性混合材定義的技術(shù)要求（水泥膠砂28?d強度比≥65%）。因此，硅灰石粉，可充當混凝土中的活性混合材使用。另一方面，試驗?zāi)z砂與對比膠砂28d抗折強度比值為85%，遠大于28?d抗壓強度比值。表明相同抗壓強度試件，摻入硅灰石粉，極有可能大幅度提高試件的抗折強度。

將7、28d齡期試驗?zāi)z砂破碎后，去除顆粒砂，磨細水泥漿體。不同齡期試驗?zāi)z砂水泥漿體及硅灰石粉進行XRD微觀測試，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，從7d到28d齡期，隨著水化進程的發(fā)展，試驗?zāi)z砂中的硅灰石粉特征峰相對強度有一定的減弱。再結(jié)合硅灰石粉膠砂活性達到67%，可推斷出，硅灰石粉參與了水泥水化反應(yīng)。同時，在水化后期仍可以測試到明Xian的硅灰石粉特征峰，說明水化反應(yīng)只能部分地消耗硅灰石粉，水泥漿體中仍然含有大量的硅灰石粉。

2.2硅灰石粉摻量對水泥基砂漿材料基本力學(xué)性能和工作性能影響新拌砂漿外加劑摻量與硅灰石粉摻量關(guān)系，如圖3所示。在保證砂漿擴展度均為(180±10)mm情況下，隨著硅灰石粉體積摻量的增加，砂漿初始擴展度在一定范圍所需的外加劑摻量逐漸增加，即砂漿初始擴展度隨硅灰石粉體積摻量增加而呈下降趨勢。一方面本試驗所選硅灰石粉與水泥相比密度低，取代等質(zhì)量水泥后，體系比表面積增加，需水量增加，使得漿體黏度增加：另一方面硅灰石粉針狀顆粒形態(tài)會增大了漿體內(nèi)阻，導(dǎo)致砂漿擴展度下降，這種影響隨硅灰石粉增加而愈發(fā)顯著。

摻量關(guān)系曲線。當硅灰石粉摻量為10%—30%時，試件抗折強度均有所提高。其中，抗折強度隨硅灰石粉摻量的增加而逐步提高，當硅灰石粉摻量達到30%時，提高幅度達到了18.7%。摻入硅灰石粉，可以有效改善水泥基砂漿的抗折強度；同時，在摻入硅灰石粉后，砂漿試件抗壓強度相比較低水膠比體系的基準砂漿試件，變化幅度在5?MPa內(nèi)，影響并不明Xian。

通過對摻硅灰石粉砂漿試件進行SEM微觀測試可以發(fā)現(xiàn)，在水化后期，硅灰石粉能在水泥砂漿中形成連續(xù)網(wǎng)狀分布，如圖5所示。這種連續(xù)分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水泥基硅灰石粉形成的連續(xù)網(wǎng)狀骨架材料中起到加筋作用。在受到外力的情況下，纖維狀晶體具有防止水泥膠砂試件微細裂紋發(fā)展和阻裂作用，具有Ji械增強功能。

2.3硅灰石粉對水泥基砂漿抗沖擊性能的影響材料所承受的沖擊荷載可以分為機械沖擊和爆破沖擊兩種。材料抗機械沖擊性能是在反復(fù)沖擊荷載作用下，材料吸收動能的能力。盡管有文獻對混凝土或砂漿用沖擊性能測試設(shè)備進行了描述，但迄今為止國內(nèi)外對材料的沖擊試驗尚無統(tǒng)一的方法，在沖擊荷載的施加方式上有落錘試驗和擺錘試驗等。本試驗采用落錘沖擊砂漿圓板試驗，采用自制測試設(shè)備，落錘質(zhì)量為2.31?kg，自由下落高度為800?mm。試驗記錄砂漿試件破壞時的沖擊次數(shù)，即當試件膨脹Zhi與設(shè)備底部的四塊擋板中的任意三塊接觸時的沖擊次數(shù)。試驗中，沖擊次數(shù)Ⅳ為三個試塊的平均值，摻硅灰石粉砂漿試件與基準試件破壞時的沖擊次數(shù)比值記為Cjy：

分別為試件的高度和直徑，本試驗試件高度和直徑分別為5?cm和10?cm。圖6落錘式混凝土抗沖擊測試設(shè)備表6硅灰石粉摻量對砂漿材料抗沖擊性能試驗從表6可知，隨著硅灰石粉的摻入，砂漿試件破壞時沖擊次數(shù)大幅上升，說明硅灰石粉在砂漿中能夠較好地吸收沖擊能量，從而提高試件的抗沖擊能力：當硅灰石粉質(zhì)量摻量為0^_5%或超過25%時，破壞時沖擊次數(shù)N隨硅灰石粉摻量增加而提高的速度較慢；而當硅灰石粉質(zhì)量摻量為5%~25%時，破壞時沖擊次數(shù)N隨硅灰石粉摻量增加而提高的速度**。這是由于質(zhì)量摻量小于5%時，硅灰石粉在水泥漿體中的分布較少，當受到?jīng)_擊荷載時。

不含或只有極少量硅灰石粉分布的局部漿體**開裂，因此，試件抗沖擊性能提高相對有限；當摻量為5%-25%時，隨著摻量增加，硅灰石粉的網(wǎng)絡(luò)骨架逐漸形成，吸收沖擊荷(a)試驗前的Al試件

(d)沖擊Po壞后的Al試件

載的能力提高幅度**；當摻量超過25%E~P絡(luò)骨架形成時，再增加硅灰石粉摻量，試件吸收沖擊荷載的能力增幅明Xian下降。

(b)沖擊10次的A4試件

(c)沖擊30次的A7試件

(c)沖擊Po壞后的A4試件

(f)沖擊Po壞后k1A7試件

圖7砂漿試件28?d齡期時抗沖擊試驗

從圖中可以看出，在吸收沖擊力時，摻入硅灰石粉的試件表面，出現(xiàn)類似纖維增強砂漿受沖擊后多層剝落的現(xiàn)象：Al試件在4次沖擊后破壞，表面在鐵錘沖擊處出現(xiàn)了一個約2-3?mm深的淺坑；而A4試件中硅灰石粉摻量達到15%，抗沖擊性能明Xian提高，在沖擊10次后，鐵錘沖擊下表面出現(xiàn)一個明Xian深坑，在沖擊21次后破壞，坑深約為7?mm;A7試件中硅灰石粉摻量達到30%，抗沖擊性能進一步提高，在沖擊39次后破壞時，坑深約為6?mm。

2.4硅灰石粉對水泥基砂漿材料彈性模量的影響彈性模量反映水泥基復(fù)合材料所受應(yīng)力與所產(chǎn)生的應(yīng)變質(zhì)檢的關(guān)系，是對其進行力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須的重要參數(shù)。本試驗采用三點彎曲法測試28?d齡期砂漿薄板試件(16?mmxl00?mmx400?mm)的荷載一撓度曲線，采用位移控制加載，加載速率為1?mm/min，下支點間距為

圖8砂漿薄板試件的荷載一撓度測試

測得試件的彈性模量、**力值、**位移、抗彎強度，結(jié)果見表7。

表7砂漿試件的荷載一擾度測試結(jié)果

由表7可知：砂漿試件彈性模量的大小，與硅灰石粉摻量有著直接的關(guān)系：砂漿試件彈性模量隨著硅灰石粉摻量的增加而提高；當硅灰石粉摻量由O提高到30%時，試件28?d彈性模量由20.62?GPa提高到了37.24?GPa；砂漿試件**荷載應(yīng)力與彈性模量成正比，試件撓度變形（即**位移）與彈性模量成反比。可見，增加硅灰石粉，可提高水泥基砂漿材料的彈性模量，有利于提高材料剛度和降Di荷載形變。

3結(jié)論

(1）硅灰石粉可以作為水泥基復(fù)合材料的活性混合村，其28?d水泥膠砂活性能夠達到67%。在水泥基膠凝材料體系中，硅灰石粉參與水化反應(yīng)，但水化后期仍然存在較多的硅灰石晶體。

(2)硅灰石粉在摻量為0～30%時，對砂漿抗壓強度無明Xian影響；硅灰石粉的摻入，可以有效改善水泥基砂漿的抗折強度，表明在此范圍，砂漿抗折強度隨硅灰石粉摻量的增加而逐步提高。當硅灰石粉摻量為25%時，硅灰石粉在水泥漿體中形成網(wǎng)絡(luò)狀微筋骨架。當硅灰石粉摻量達到30%時，砂漿試件28?d抗折強度達到15.7?MPa。

(3)硅灰石粉能夠有效改善水泥基砂漿材料的抗沖擊性能。隨硅灰石粉量的增加，砂漿試件抗沖擊荷載次數(shù)提高。當硅灰石粉摻量達到30%時，砂漿試件28?d抗沖擊荷載次數(shù)基準砂漿試件的7.4倍。

(4)摻入硅灰石粉有利于提高水泥基砂漿材料的剛度以及降Di荷載形變。隨硅灰石粉量的增加，砂漿試件彈性模量逐漸提高，試件**荷載應(yīng)力隨之增大，撓度形變隨之減小。當硅灰石粉摻量由0增加到30%時，砂漿試件28?d彈性模量由20.62xl03MPa提高到37.24x103MPa。