复合胶凝体系对砂浆性能的影响

王义廷，张 雄，季 涛

(1.同济大学建筑材料研究所，上海201804;2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804)

近年来，在干粉砂浆领域中，利用工业废渣作为辅助胶凝材料的应用研究引起了人们的重视［1，2］。固体废弃物在干粉砂浆中作为辅助胶凝材料可以利用其替代部分水泥，减少水泥用量，性能优越的辅助胶凝材料掺入到砂浆中还可以改善砂浆性能。

粉煤灰作为一种火山灰性材料，一方面由于其胶凝性可以替代部分水泥;另一方面对砂浆的工作性能和耐久性能有一定的影响。磨细矿渣作为辅助胶凝材料在砂浆中具有填充效应和微集料效应，而且能改善水泥浆体与集料界面的粘结强度，形成自身的紧密体系，大掺量的磨细矿渣在混凝土和砂浆中替代部分水泥是可行的［3，4］。活化煤矸石作为辅助胶凝材料加入砂浆中，不仅可以解决煤矸石的环境污染问题，而且还能替代部分水泥用量［5］，通过激发煤矸石的活性并将其磨细以后于干粉砂浆中的应用近年来得到了广泛重视。利用烧粘土作为一种辅助胶凝材料掺入到砂浆的应用研究很少见到报道。但早在1959年，洛阳水泥厂就曾利用烧粘土作为混合材用于水泥的生产［6］。

尽管国内外各学者对于不同的辅助胶凝材料对于砂浆性能的影响已经有了比较深入的研究，但是对于复合胶凝材料体系对于砂浆的性能的影响的研究相对较少。本文研究了低钙类与高钙类辅助胶凝材料在砂浆中的复合胶凝效应，以矿渣作为高钙类辅助胶凝材料的代表，以粉煤灰、活化煤矸石和烧粘土为3种活性不同的低钙类辅助胶凝材料代表，将矿渣分别与粉煤灰、活化煤矸石和烧粘土复合掺入到砂浆中，形成一系列水泥-低钙类-矿渣复合胶凝体系;研究了辅助胶凝材料不同替代量及不同配伍比例对砂浆复合胶凝体系的力学和工作性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

(1)水泥 因考虑到要区分水泥与辅助胶凝材料对砂浆性能的影响，故选用含辅助性胶凝材料较少的PII52.5水泥。其化学成分见表1，水泥性能指标见表2。

(2)砂 选择级配良好的中砂，并符合JGJ 525《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的规定，砂的最大粒径不超过5mm。所选中砂的技术指标见表3，其级配见表4。

(3)辅助胶凝材料 粉煤灰为富春建业II级粉煤灰，密度2320kg/m3，含水量0.17%，比表面积410m2/kg，其化学组成见表5。矿渣为上海宝山钢铁公司的S95级矿渣粉，密度2860kg/m3比表面积450m2/kg;其化学组成见表5。活化煤矸石粉:产自徐州，活化方式为采用精确控温的箱式电炉，恒温700℃2h，取出急冷至室温后粉磨2h;密度2250kg/m3，比表面积650m2/kg;活化煤矸石化学成分见表5。烧黏土是将粘土砖自磨0.5h，密度2630kg/m3，比表面积570m2/kg。烧粘土的化学成分见表5。

(4)外加剂 十二烷基硫酸钠(K12):国药有限公司生产，粉剂，化学纯。

表1 水泥化学成分 /%

表2 水泥基本性能参数

表3 砂子的技术指标

表4 砂子的级配

表5 辅助胶凝材料的主要化学成分 /%

1.2 试验方法

砂浆稠度测试参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。砂浆的保水率是指新拌砂浆经滤纸吸水2 min后保留的水量与吸水前含水量的比值，砂浆保水性测试参照JG/T 230-2007《预拌砂浆》附录A砂浆保水性试验方法进行。砂浆分层度测试参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。砂浆抗压强度测试参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，试件尺寸规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

2 复合胶凝体系优化配伍

2.1 试验内容

本试验采用粉煤灰、活化煤矸石和烧粘土这3种低钙类辅助胶凝材料分别与矿渣同时掺入到砂浆中形成水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系、水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系和水泥-烧粘土-矿渣3个复合胶凝体系。每一复合砂浆复合胶凝体系中，选择辅助胶凝材料替代水泥量为20%、40%、60%和80%，且针对每一替代量下，调节低钙类辅助胶凝材料与矿渣之间的配伍比例分别为 10:0、8:2、6:4、4:6、2:8 和 0:10。固定砂浆的灰砂比均为1:4，通过调整用水量，控制稠度在(80±10)mm，并采用掺入引气剂K12来改善砂浆的工作性能，其掺量固定为胶凝材料质量的0.003%，测试砂浆的保水率、7d抗压强度和28d抗压强度。

2.2 结果与分析

2.2.1 水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝体系砂浆性能研究 (1)粉煤灰与矿渣替代水泥(单掺)对砂浆性能的影响 粉煤灰与矿粉的替代水泥量与砂浆保水率的关系见图1和2。从图1可以看出，在保持稠度基本一致下，随着粉煤灰替代水泥量逐渐增大，砂浆的保水率也增大。纯水泥砂浆的保水率为80.2%，粉煤灰替代水泥量为20%、40%、60%和80%时，砂浆的保水率依次为82.3%、83.5%、84.3%和85.1%，均高于纯水泥砂浆的保水率(80.2%)，说明在砂浆中适当地掺入粉煤灰可提高砂浆的保水率。

粉煤灰单独掺入到砂浆之后，砂浆的保水率增大。主要原因为:粉煤灰为无机类亲水粉体，一方面，本试验粉煤灰的比表面积为410 m2/kg，水泥的比表面积为370 m2/kg，粉煤灰的比表面积略高于水泥的比表面积，粉煤灰颗粒较水泥颗粒能“裹附”更多的水，从而导致砂浆保水率提升;另一方面，利用反气相色谱测试方法得出粉煤灰的表面能为60.1 mJ/m2，水泥的表面能为52.3 mJ/m2［7］，粉煤灰颗粒的表面能高于水泥颗粒的表面能，粉煤灰颗粒对水的亲附性较水泥颗粒强，从而导致砂浆的保水率有所增大。

图1 粉煤灰替代水泥量与砂浆保水率的关系

图2 矿渣替代水泥量与砂浆保水率的关系

从图2可以看出，随着矿渣替代水泥量逐渐增大，砂浆的保水率也增大。矿渣替代水泥量20%、40%、60%和80%时，砂浆的保水率依次为80.8%、81.8%、82.3%和82.8%，均高于纯水泥砂浆的保水率，说明矿渣在砂浆中的保水效果略优于水泥。

矿渣单独掺入到砂浆之后，砂浆的保水率略有增大。主要原因为:由于本试验的矿渣的比表面积为450 m2/kg，水泥的比表面积为370 m2/kg，矿渣的比表面积远高于水泥的比表面积，矿渣颗粒较水泥颗粒能“裹附”更多的水;矿渣颗粒因自身较硬，被磨细后的矿渣粉体颗粒多含有棱角，粉煤灰颗粒球形度较高，粉煤灰较矿渣能“裹附更多的水”，导致粉煤灰的对砂浆的保水效果略优于矿渣。

图3 粉煤灰替代水泥量与砂浆强度的关系

图4 矿渣替代水泥量与砂浆强度的关系

粉煤灰与矿粉的替代水泥量与砂浆7d和28d抗压强度的关系分别见图3和4。

由图3可以看出，随着粉煤灰替代水泥量增大，砂浆的7d和28d抗压强度均下降且下降速率增大;当粉煤灰取代水泥量为80%时，砂浆的7d抗压强度和28d抗压强度分别由14.8MPa下降到1.7MPa和由21.9MPa下降到3.3MPa。

由图4可以看出，随着矿渣替代水泥量逐渐增大，砂浆的7d抗压强度先增大后减小，其中在矿渣取代水泥量为20%时最大，砂浆的28d抗压强度随着矿渣替代水泥量增大也呈先增大后减小趋势，其中在矿渣取代水泥量40%时强度最大;同时，砂浆的28d抗压强度整体下降趋势较7d抗压强度要小。

虽然矿渣活性钙含量较高，具有一定的潜在水硬性，但其活性仍然要低于水泥熟料，因此在矿渣替代水泥量较高时，砂浆的7d和28d抗压强度要低于纯水泥砂浆。矿渣与水泥也存在诱导激活效应，矿渣部分替代水泥后导致复合胶凝体系中水泥熟料水化产生的碱度下降，加速了水泥熟料颗粒的水化［8］;同时水泥颗粒的加速水化促使了矿渣的二次水化反应，在矿渣替代水泥量为40%时，砂浆28d抗压强度高于纯水泥砂浆28d抗压强度。

(2)水泥-粉煤灰-矿渣复合配伍对砂浆性能的影响 保持胶凝材料总量一定，辅助胶凝材料替代水泥量从0至80%，粉煤灰与矿渣配伍比例分别为10:0、8:2、4:6、6:4、2:8 和0:10，水泥 - 粉煤灰 - 矿渣胶凝体系配伍与砂浆保水率的关系见图5，水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝体系配伍与砂浆7d与28d抗压强度的关系分别如图6和图7所示。

图5 水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系砂浆保水率三元等高图

图6 水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系砂浆7d抗压强度三元等高图

图7 水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系砂浆28d抗压强度三元等高图

由图5、图6和图7可以看出: ①利用水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系复合配伍后配制的砂浆工作性能仍不能满足国家相关保水率标准要求，需通过利用掺入保水型外加剂来调控砂浆的工作性能。②水泥是影响砂浆7d和28d抗压强度的主要因素;矿渣对砂浆7d和28d抗压强度的贡献要高于粉煤灰;水泥含量低于40%时，随着水泥含量越低，砂浆28d抗压强度下降趋势愈加明显。③水泥含量、粉煤灰与矿渣内部配伍比例是决定砂浆强度等高区域的影响因素，因此采用合理的粉煤灰与矿渣配伍比例可以提高复合胶凝体系的活性和减少水泥含量。

2.2.2 水泥-活化煤矸石-矿渣复合胶凝体系砂浆性能研究

(1)活化煤矸石替代水泥(单掺)对砂浆性能的影响 活化煤矸石替代水泥量与砂浆保水率和抗压强度的关系分别见图8和图9。

图8 活化煤矸石替代水泥量与砂浆保水率的关系

图9 活化煤矸石替代水泥量与砂浆强度的关系

从图8可以看出，在保持砂浆稠度基本一致的条件下，随着活化煤矸石的掺量逐渐增大，砂浆的保水率也明显上升。纯水泥砂浆的保水率为80.2%，活化煤矸石的掺量为20%、40%、60%、80%时，砂浆的保水率依次为83.8%、86.4%、87.5%和88.9%，均高于纯水泥砂浆，当活化煤矸石替代水泥80%时，此时砂浆的保水率已经达到国家标准JG/T 230-2007要求(大于88%)，说明活化煤矸石对砂浆的保水效果明显优于水泥，将活化煤矸石掺入到砂浆可以改善砂浆的保水性能。由图8还可以看出，保水率增长率随着掺量的增加反而逐渐减少，说明随着活化煤矸石替代水泥量越大，活化煤矸石对砂浆性能的改善效果效果逐渐减弱。

将活化煤矸石掺入砂浆之后，砂浆保水率的提高主要原因如下:一方面是由于活化煤矸石颗粒表面疏松，热激活除碳后产生微孔结构，导致活化煤矸石颗粒的吸水作用较大;另一方面，本研究使用的活化煤矸石比表面积为650 m2/kg，水泥的比表面积为370 m2/kg，活化煤矸石的比表面积远高于水泥。粉体比表面积越大，颗粒表面“裹住”的水也越多，这两方面因素均能使得活化煤矸石颗粒部分替代水泥后砂浆所需的水量大大超过纯水泥砂浆，同时活化煤矸石颗粒所能释放的水分少于纯水泥砂浆，从而导致其掺入砂浆后砂浆的保水率增大。

由图9可以看出，随着活化煤矸石的取代水泥量增大，砂浆的7d抗压强度先增大后减小，其中在活化煤矸石替代水泥量为20%时最大;砂浆的28d抗压强度随着活化煤矸石的掺量逐渐减小并且下降速率增大，当活化煤矸石替代水泥量为80%时，砂浆28d抗压强度由21.9 MPa下降到4.7 MPa。将活化煤矸石掺入砂浆之后，砂浆复合胶凝体系中的水泥熟料矿物总量减少，熟料矿物水化生成提供强度的C-S-H、钙矾石等水化产物减少，因而导致砂浆28d强度降低;当活化煤矸石取代水泥量逐渐增大时，则水泥熟料矿物的含量减少，熟料水化矿物生成的氢氧化钙量随之减少，从而活化煤矸石中的活性二氧化硅、三氧化二铝与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙的量远不能补充熟料矿物形成的水化产物，则砂浆的28d抗压强度下降更加明显。

当活化煤矸石水泥替代量为20%时，砂浆7d抗压强度高于纯水泥砂浆，28d强度与纯水泥相近。主要原因是由于活化煤矸石在该替代水泥量下，活化煤矸石与水泥之间的诱导激活效应占主导地位，从而表现为强度接近甚至高于纯水泥砂浆强度。

(2)水泥-活化煤矸石-矿渣复合配伍对砂浆性能的影响 保持胶凝材料总量一定，辅助胶凝材料替代水泥量从0至80%，活化煤矸石与矿渣配伍比例分别为 10:0、8:2、4:6、6:4、2:8 和 0:10，砂浆胶凝材料配伍与砂浆保水率的关系见图10，水泥-活化煤矸石-矿渣复合胶凝体系配伍与砂浆7d与28d抗压强度的关系分别如图11和图12所示。

由图10可以看出，水泥-活化煤矸石-矿渣复合胶凝体系中，水泥被活化煤矸石替代越多，砂浆的保水率越高;利用水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系配伍后配制的砂浆保水率少部分试样可以达到国家标准要求，大部分试样仍然不能满足国家相关保水率标准要求，需通过掺入保水型外加剂来调控砂浆的工作性能。

图11和图12可以看出，水泥含量是影响砂浆7d和28d抗压强度主要因素，活化煤矸石和矿渣对7d抗压强度的影响权重相差不大，但28d抗压强度矿粉对强度的贡献要高于活化煤矸石;水泥含量低于40%时，水泥含量越低，砂浆28d抗压强度下降趋势逐渐加大;水泥含量、活化煤矸石与矿渣内部配伍比例是决定砂浆强度等高区域的影响因素，因此采用合理的活化煤矸石与矿渣配伍比例可以提高复合胶凝体系的活性和减少水泥含量。

图10 水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系砂浆保水率三元等高图

图11 水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系砂浆7d抗压强度三元等高图

图12 水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系砂浆28d抗压强度三元等高图

2.2.3 水泥-烧粘土-矿渣复合胶凝体系砂浆性能研究

(1)烧粘土替代水泥(单掺)对砂浆性能的影响

烧粘土替代水泥量与砂浆保水率和抗压强度的关系分别见图13和图14。

由图13可以看出，在保持稠度基本一致下，随着烧粘土替代水泥量逐渐增大，砂浆的保水率也增大。纯水泥砂浆的保水率为80.2%，烧粘土替代水泥量为20%、40%、60%、80%和100%时，砂浆的保水率依次为84.9%、85.9%、87.4%和89.0%，均高于纯水泥砂浆，当烧粘土替代水泥量达80%时，此时砂浆的保水率已经达到国家标准 JG/T 230-2007要求(大于88%)，说明烧粘土对砂浆的保水效果优于水泥，将烧粘土掺入到砂浆可以改善砂浆的保水性能。通过图13还可以发现，保水率增长速率随着替代水泥量的增加反而逐渐变小，说明烧粘土掺量越大，烧粘土对砂浆保水性能的改善效果效果逐渐减弱。

图13 烧粘土替代水泥量对砂浆保水率的关系

图14 烧粘土替代水泥量与砂浆强度的关系

将烧粘土掺入砂浆之后，砂浆保水率的提高主要原因如下:一方面是由于烧粘土具有表面羟基、可交换性阳离子和分散性特点，导致烧粘土具有亲水性能［9］;另一方面，本研究使用的烧粘土比表面积为570m2/kg，水泥的比表面积为370 m2/kg，烧粘土的比表面积远远高于水泥。粉体比表面积越大，颗粒表面“裹住”的水也越多，这两方面因素均能使得烧粘土颗粒部分替代水泥后砂浆所需的水量大大超过纯水泥砂浆，同时烧粘土颗粒所能释放的水分少于纯水泥砂浆，从而导致其掺入砂浆后砂浆的保水率增大。

由图14可以看出，随着烧粘土取代水泥量增大，砂浆的7d和28d抗压强度均明显下降，烧粘土替代水泥量为80%时，砂浆28d抗压强度由21.9 MPa下降到1.7 MPa。将烧粘土掺入砂浆之后，砂浆复合胶凝体系中的水泥熟料矿物总量减少，熟料矿物水化生成提供强度的C-S-H、钙矾石等水化产物减少，因而导致砂浆7d和28d抗压强度降低。

(2)水泥-烧粘土-矿渣复合配伍对砂浆性能的影响 保持胶凝材料总量一定，辅助胶凝材料替代水泥量从0至80%，烧粘土与矿渣配伍比例分别为10:0、8:2、4:6、6:4、2:8 和 0:10，砂浆胶凝材料配伍与砂浆保水率的关系见图15。水泥-烧粘土-矿渣复合胶凝体系配伍与砂浆7d与28d抗压强度的关系分别如图16和图17所示。

由图15、图16和图17可以看出: ①利用复合胶凝材料配伍后配制的小部分试样砂浆的保水率可以达到国家标准保水率要求，大部分仍然不能满足国家标准要求，需通过利用掺入保水型外加剂来调控砂浆的工作性能使得其满足国家标准要求。②水泥被烧粘土替代越多，砂浆的保水率越高，但其7d和28d抗压强度均产生一定程度的下降;水泥是影响砂浆7d和28d抗压强度的主要因素，但矿渣对砂浆28d抗压强度的影响程度加大。水泥含量低于40%时，水泥含量越低，砂浆28d抗压强度下降趋势明显。③水泥含量、烧粘土与矿渣内部配伍比例是决定砂浆强度等高区域的影响因素，因此采用合理的烧粘土与矿渣配伍比例可以提高复合胶凝体系的活性并减少水泥用量。

图15 水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系砂浆保水率三元等高图

图16 水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系砂浆7d抗压强度三元等高图

图17 水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系砂浆28d抗压强度三元等高图

3 结论

(1)利用粉煤灰、活化煤矸石和烧粘土分别等量替代水泥，均能改善砂浆的保水率，但会导致砂浆强度下降。将矿渣等量替代水泥后，砂浆的保水率略有增大;在替代水泥量40%时，其砂浆28d抗压强度超过纯水泥砂浆。

(2)在水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系、水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系和水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系中，均可通过复掺辅助胶凝材料部分改善砂浆的保水性能。但水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系配制的砂浆工作性未能满足国家保水率相关标准要求;而水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系和水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系配制的砂浆只在大掺量下(替代水泥量80%)满足国家标准的要求。

(3)就砂浆强度而言，在水泥-粉煤灰-矿渣胶凝体系中，粉煤灰占辅助胶凝材料总量40% ～60%较为适宜;辅助胶凝材料以粉煤灰为主时，辅助胶凝材料替代水泥量宜控制在40%以下。在水泥-活化煤矸石-矿渣胶凝体系中，活化煤矸石占辅助胶凝材料总量20%～40%较为适宜;辅助胶凝材料以活化煤矸石为主时，辅助胶凝材料替代水泥量宜控制在40%以下。在水泥-烧粘土-矿渣胶凝体系中，辅助胶凝材料以烧粘土为主时，辅助胶凝材料替代水泥量宜控制在20%以下。

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