1、砂子细度模数对无水泥砂浆性能的影响 张波 万郁楠 张文 燕向远 贾涛 成妮妮 山西省建筑科学研究院 摘 要： 以超细粉煤灰、石灰和石膏为胶凝材料, 砂子为骨料, 完全不使用水泥, 制备无水泥干混砂浆, 研究砂子细度模数对砂浆性能的影响, 并利用扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线衍射仪 (XRD) 对砂浆的水化产物的微观形貌和化学成分进行分析。实验结果表明:砂子细度模数为 2.5 时, 砂浆的各项性能达到最佳。关键词： 无水泥砂浆; 细度模数; 砂浆性能; 基金：山西省科技重大专项 (省院合作项目) (20141101002) 1 前言传统的干混砂浆是将水泥、砂子、矿物掺合料和功能性添加剂
2、按照一定的比例混合而成的1。本实验所制备的干混砂浆, 不使用水泥, 以超细粉煤灰、石灰和石膏为胶凝材料, 砂子为骨料, 一方面能有效减少能源的消耗, 另一方面可以最大限度利用固体废弃物, 为我国的废弃物减排做出贡献2-5。砂子的粗细程度和颗粒级配反映砂子所具有的总表面积及孔隙率的大小, 是衡量砂子质量的主要指标。砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒搭配比例, 砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合体平均粒径大小, 用细度模数表示6-8。本实验通过研究细度模数不同的砂子对砂浆性能的影响, 得出无水泥砂浆骨料的最佳参数。2 原材料与试验方法2.1 原材料超细粉煤灰:山西朔州巨光建材开发有限公司生产, 粒径为
3、 510m, 其化学成分见表 1, 微观形貌见图 1。图 1 超细粉煤灰的 SEM 图 下载原图砂:普通河砂, 4.75mm 筛孔的累计筛余量为 0。石灰;生石灰粉, 产自山西太原。石膏:半水石膏, 产自山西太原。水:自来水。2.2 试验方法2.2.1 砂浆的配合比设计将超细粉煤灰、石灰和石膏按一定比例混合, 配制成无水泥砂浆的胶凝材料, 将得到的胶凝材料和砂子按一定比例混合, 得到无水泥砂浆。其中石灰占超细粉煤灰质量的 25%, 石膏占超细粉煤灰质量的 8%, 胶凝材料和砂子的比例为1:3, 选用的砂子为中砂, 细度模数为 3.02.3。2.2.2 砂浆试件的制备、养护与性能测试砂浆的流动度
4、、保水率、凝结时间、抗压强度、拉伸粘结强度和收缩率均按照JGJ/T70-2009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行测试。3 结果与讨论3.1 砂浆的流动性由图 2 可知, 随砂子细度模数的增大, 砂浆的流动度先增大后减小, 砂子的细度模数为 2.5 时, 砂浆的流动度最大。砂子的细度模数是指不同粒径的砂粒混合在一起后的平均粗细程度, 砂的粗细程度与其总表面有直接的关系, 对于相同重量的砂, 细砂的总表面积较大, 粗砂的总表面积较小。当砂子的细度模数为过小时, 砂子太细, 单位质量表面积较大, 在砂浆拌和过程中会粘附大量水分, 使其流动性较差;当砂子细度模数过大时, 砂子颗粒过粗, 表面水膜虽多,
5、 但保水性差、易泌水, 拌和物中多余的水分不参与整体的流动, 砂浆流动度降低。表 1 超细粉煤灰的化学成分 下载原表 图 2 砂浆的流动度曲线 下载原图3.2 砂浆的抗压强度由图 3 可知, 随着砂子细度模数的增大, 无水泥砂浆 7d 的抗压强度逐渐减小, 28d 强度随之增大。砂的细度模数较小时, 颗粒较细, 在相同用量下总表面积较大, 砂子表面包裹和填充在空隙中的胶凝材料较多, 生成的水化产物较多, 早期强度较大, 随着养护龄期的增长, 砂浆的干缩也随之增大, 易产生微裂缝, 砂浆强度不高。砂子的细度模数增大, 在相同用量下总表面积减小, 砂子表面包裹的胶凝材料和填充在空隙中的胶凝材料减少
6、, 水化速度较慢, 早期强度较低, 随着养护龄期的增加, 砂浆水化反应的进行, 砂浆强度增大, 但因为砂子周围的胶凝材料相对较少, 砂浆不易产生干缩, 强度较大。图 3 砂浆的抗压强度曲线 下载原图3.3 砂浆的拉伸粘结强度由图 4 可知, 无水泥砂浆的拉伸粘结强度随砂子的细度模数的增大而减小。砂浆的拉伸粘结强度是指粘结界面在各种形变引起拉应力的作用下, 不发生空鼓、开裂、脱落的能力。影响砂浆拉伸粘结强度的因素很多, 包括砂浆的保水能力、渗透能力、自身基层强度等。砂浆中砂子的细度模数越小, 在相同用量下总表面积越大, 周围包裹的胶凝材料越多, 粘结能力更强, 拉伸粘结强度越大。图 4 砂浆的拉
7、伸粘结强度曲线 下载原图3.4 砂浆的收缩性由图 5 可以看出, 砂浆的收缩率随着砂子细度模数的减小而增大, 砂子越细, 其收缩率越大。干缩是引起砂浆开裂的主要原因之一, 也会影响砂浆的耐久性。砂浆的干缩是由于周围环境的相对湿度较低, 毛细孔及胶凝孔中的水分流失而导致的。砂子的细度模数越小, 砂子越细, 其表面包裹和填充在空隙中的胶凝材料越多, 随着砂浆水化反应的进行, 固相体积逐渐增加, 砂浆收缩率增大。图 5 砂浆的收缩率曲线 下载原图3.5 砂浆的凝结时间由图 6 可以看出, 随着砂浆中砂子的细度模数的增加, 砂浆的凝结时间先减小、后增加, 砂子的细度模数为 2.7 时, 砂浆的凝结时间
8、最短。砂子较细时, 砂浆拌和过程中粘附的水分较多, 流动性差, 为使其达到可操作的流动度, 必须加入更多的水, 砂浆凝结时间变长。随着砂子的细度模式增大, 砂子总表面积减小, 砂浆流动性变好, 砂浆加水量减少, 凝结时间变短。砂子颗粒过粗, 单位质量表面积较小, 一方面由于周围胶凝材料较少, 凝结时间变长;另一方面由于保水性差、易泌水, 拌和物中多余的水分不参与整体的流动, 砂浆流动度降低, 加水量增加, 凝结时间变长。图 6 砂浆的凝结时间 下载原图3.6 微观形貌分析图 7 砂浆水化 SEM 图 下载原图图 7 中, A、B、C、D 分别为采用细度模数为 2.3、2.5、2.7 和 2.9
9、 的砂子制备的无水泥砂浆水化 28 天后的 SEM 图, 由图可知, 无水泥砂浆水化 28 天后, 砂浆均水化生成纤维状物质。当砂子细度模数为 2.3 时, 砂浆水化后生成的纤维较短, 随砂子细度模数的增加, 砂浆水化后生成的纤维逐渐变长, 当砂子的细度模数为 2.9 时, 砂浆水化后生成的纤维最长。当砂子的细度模数较小时, 砂子较细, 砂浆空隙率较小, 抑制了纤维的生长, 水化生成的纤维较短, 强度较低;当砂子细度模数较大时, 空隙率较大, 胶凝材料水化后生成的纤维较长, 其强度较大。3.7 XRD 分析由图 8 可知, 粉煤灰在石灰和石膏激发下发生水化, 其硅 (铝) 氧网络被破坏, 使玻
10、璃体结构解离, 在其表面形成许多硅酸根离子和铝酸根离子;钙离子溶于水, 达到一定浓度后, 在粉煤灰表面形成低钙富硅层或在附近形成不同 C/S 的水化硅酸钙, 呈纤维状和针状, 水化物互相交织, 并以反应的玻璃体为骨架粘结在一起形成合生体, 使制品具有强度和其他力学性能。图 8 砂浆水化 XRD 图 下载原图4 结论超细粉煤灰在石灰和石膏存在的条件下, 发生水化反应, 水化物呈纤维状和针状, 互相交织, 并以反应的玻璃体为骨架粘结在一起形成合生体, 使砂浆具有强度和其他力学性能。无水泥砂浆所用砂子的细度模数不同, 砂浆的流动度、抗压强度、拉伸粘结强度、收缩率、凝结时间等性能也随之变化, 当砂子的
11、细度模数为 2.5 时, 砂浆性能达到最佳。参考文献1王新民, 李颂.新型建筑干拌砂浆指南M.北京:中国建筑工业出社, 2004. 2OKADA K, OHAMA Y.Recent research and applications of concrete-polymer composites in JapanC.Proceedings of the 5th Inter-national Congress on Polymers in Concrete, Brighton, England, 1987, (14) :40-46. 3MURAT M, YUKSEL Y.Potential use
12、 of fly ash and bentonite mixture as liner or cover at waste disposal areasJ.Environmental Geology, 2001 (40) :1316-1324. 4张文生, 等.粉煤灰与水泥熟料共同水化硬化的基础研究进展及评述J.硅酸盐学报, 2000, 8 (2) :160-164. 5PARKY J, MOONSO, HEOJ.Crystalline phase control of glass ceramics obtained from sewage sludge fly ashJ.cer Rmics International, 2003 (29) :223-227. 6任峰.集料对混凝土性能影响的实验研究D.大连:大连理工大学, 2007. 7王栋民, 张琳.干混砂浆原理与配方指南M.北京:化学工业出版社, 2010.
