石英砂对水泥浆性能及其水膜厚度影响实验研究

温梦丹，陈嘉健，高御审

（佛山科学技术学院土木工程系，广东 佛山 528000）

0 引言

随着经济的发展，工程项目的逐渐增多，混凝土的用量也日益增大，水泥作为制作混凝土主要材料消耗巨大.由于水泥生产成本较高，耗能大且对环境污染大，越来越多的矿物掺和料被用来替代部分水泥投入使用.国内外众多学者在矿物掺和料对于混凝土的性能影响方面做了众多研究.马保国等认为水泥浆的比表面积随石英砂的掺入量先增大后减小，且石英砂对提高水泥浆的强度有正向贡献[1]；陈嘉健等认为水泥浆的流动性主要由其胶凝材料水膜厚度大小决定[2]；KANADASAN等成功利用最大化填充密度的方法配制出性能稳定的自密实混凝土[3]；王丽等以石英砂为结构增强剂配置成修复剂，涂覆于混凝土表面使得自修复混凝土抗渗性、抗盐冻性能得到明显改善[4]；WAN等则认为石英砂的掺入能提高偏高岭土地质聚合物的抗压强度[5]；何峰等对硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献进行了分析，结果表明硅灰和石英粉均对其强度提高有贡献[6]；CHOPRA等则证明了混凝土强度的提高是因为致密C-S-H凝胶形成的缘故[7]；贾进等认为骨料颗粒越细其填充效果越好[8]；NANCY等利用平均粒径为275 μm的高纯度石英砂代替普通石英砂配制的超高性能混凝土可形成致密的微结构，并减轻了碱-硅反应[9]；王钧等指出随着石英砂掺量的增加，活性粉末混凝土的抗压强度先增大后减小[10]；丁秋霞等利用石英砂成功制备出性能良好的矿物聚合材料[11]；李胜男通过研究得出无掺合料的普通混凝土其早期性能较好，但后期有掺和料的混凝土其性能将超过普通混凝土[12]；许林峰等认为随着石英砂添加量的增加，水泥砂浆的原拉拔强度和拉伸强度都有明显的提高[13]；张宝龙等利用石英砂、粉煤灰、硅灰等配制出了抗压强度超过200 MPa、抗折强度近60 MPa的活性粉末混凝土[14]；KUMAR等实验表明用石英砂置换不高于40%粗骨料并不会对混凝土强度产生显著影响，混凝土的渗水高度和吸水率随着石英砂掺量的增加而增加[15].

文献搜索结果表明，石英砂对于水泥浆性能影响还较少得到研究，为补充这一部分的空缺，本研究探索了石英砂对水泥浆性能的影响，并通过实验测量得到石英砂对水泥浆填充密度的影响，从而进一步计算出水膜厚度，并对水膜厚度在流动性中的贡献和石英砂对流动性的定量影响规律进行了叙述.根据研究结果，作者认为石英砂对水泥浆的填充密度和比表面积均有影响，一方面石英砂颗粒可填充水泥颗粒间的空隙，使其在相同用水量下，填补胶凝材料颗粒间空隙的用水量减少，填充颗粒空隙以外、可用于提高水泥浆流动性的水量增多；另一方面石英砂的颗粒改变胶凝材料的比表面积，在相同水量情况下，改变了覆盖单位面积固体颗粒的水量.

1 材料

本实验中使用的胶凝材料有硅酸盐水泥和石英砂两种.硅酸盐水泥为海螺32.5 R复合硅酸盐水泥，产自广东省英德市望埠镇龙尾山，经验证符合中国规范GB175-2007/XG1-2009，密度经测量为3 100 kg/m3；石英砂是石英石经破碎、研磨加工而成的石英颗粒.石英砂的原产地为广东省河源市，根据销售商家提供的资料，产品符合国家推荐城镇建设行业标准CJ/T43-2005，密度经测量为2 600 kg/m3，颗粒级配为Ⅲ区，细度模数为0.844.试验中还使用了高效减水剂，此减水剂为粉状高性能聚羧酸减水剂，产地为山东省莱阳市.

2 实验方案

本研究的实验分两个阶段.第一阶段测量了不同水胶比下掺石英砂水泥浆的流动性、0.63 mm的过筛率和28 d抗压强度，包括作半动态流动性的扩展度测量和作动态流动性的流速测量.水泥浆的水胶比以0.05为差值自0.35到0.60区间内变化；石英砂掺量以5%为差值自5%到20%区间内变化.第二阶段测量上-阶段试样中的胶凝材料的填充密度，为其后水膜厚度的运算提供计算依据.根据此实验方案，配比以“Q-石英砂量-水胶比”为编号，其中Q代表石英砂，各水泥浆试样的详细配比及其流动性等测量数据见表1.

表1 各试样配比和流动性、过筛率、强度测试结果

3 流动性测量

3.1 测量方法

试样的半动态流动性的测量采用小型塌落度筒作扩展度测试，动态流动性的测量采用V型漏斗作流速测试，扩展度为提起塌落度筒后水泥浆在水平面上的两个垂直方向的直径平均值减去塌落度筒底面直径之差，流速为V型漏斗体积与充满V型漏斗的水泥浆全部流出所需时间之比值.流动性测量均在水泥浆完成搅拌后5 min内进行，整个实验过程中实验室温度控制在（20±2）℃.

3.2 测量结果

流动性结果见表1第5、6栏和图1.扩展度结果表明，扩展度随石英砂掺量的增加而增加，但当水胶比较小或较大时，增加效果并不明显.随着水胶比的增大，扩展度变大的速度有所减缓.

流速结果表明，当水胶比在0.40或以上时，流速随石英砂掺量的增加而增大，当水胶比在0.40或以下时，石英砂的掺入并未对水泥浆的流速产生大的影响.在低水胶比时，石英砂掺加对流动性的影响较不明显.这可能是因为低水胶比时，水泥浆内部的游离水过少不能完全包裹颗粒物导致几乎失去流动性能.

图1 扩展度和流速随石英砂掺量变化情况

4 粘聚性测试

4.1 测量方法

试样的粘聚性大小是通过过筛率大小表征的，其过筛率测量是采用0.63 mm方孔孔筛，取搅拌完成后的水泥浆约250 g从300 mm高度倾倒通过方孔孔筛，静置2 min让浆体通过滤筛落至下方托盘，称得通过孔筛的水泥浆的质量与所使用的水泥浆的总质量的比值即为该试样的过筛率.过筛率测量在水泥浆完成搅拌后5 min内进行，整个实验过程中实验室温度控制在（20±2）℃.若只有较少试样能够通过孔筛，过筛率较低，则表明水泥浆试样粘聚性较高；若有较多试样能够通过孔筛，过筛率较高，则表明水泥浆试样粘聚性较低.

图2 0.63 mm过筛率随石英砂掺量变化情况

4.2 测量结果

过筛率结果见表1第7栏和图2.过筛率结果表明，水泥浆的0.63 mm过筛率随石英砂掺量的增加而增大，这主要是因为石英砂的颗粒较大，其掺入改变了水泥浆的颗粒级配，导致粘聚性变差.当水胶比较大时，石英砂的掺入对水泥浆0.63 mm过筛率影响情况复杂，这可能是因为高水胶比改善了水泥浆的流动性，对过筛率产生正面效果，而石英砂又影响了水泥浆的颗粒分布，对过筛率产生负面效果.

5 强度测量

5.1 测量方法

水泥浆试件强度测量为将完成搅拌后的水泥浆倒入模具，经过振捣、抹平及拆模，形成底面边长为70.7 mm立方体试块，将试块放置在温度为（20±3）℃、湿度在90%以上的混凝土养护箱中，经龄期为28 d的养护.最终强度取两个相同配比试件同步测试其抗压强度的平均值.

5.2 测量结果

水泥浆试块强度结果见表1最后一栏和图3.28 d强度结果表明，石英砂等量替代水泥会降低水泥浆的抗压强度，且水泥浆的强度随着石英砂掺量的增加而逐渐减小，最大减小幅度可达65.79%.这主要是由于水泥的标准强度取决于C3S和C2S含量的多少.而掺石英砂的水泥浆，由于等质量取代了部分水泥，使C3S和C2S的含量相对降低，所以导致了水泥浆强度的降低.当水胶比为0.35、石英砂掺量为0时，水泥浆的强度达到最大值.这是因为低水胶比时，水泥浆内部结构密实，颗粒间空隙小，均质性较好.

针对当前目的地感官营销实践面临的问题，结合上述目的地感官营销的3种运用方式分析，本文认为现阶段目的地感官营销研究所要重点解决的问题包括：

图3 28 d强度随石英砂掺量变化情况

6 填充密度测量

6.1 测量方法

胶凝材料填充密度的测量采用水测紧密值法.水测紧密值法是指固体颗粒组合在不同水量下能达到的填充率最大值（既固体颗粒在浆体中所占体积的百分比）为固体颗粒的填充密度.胶凝材料的填充率最大值出现在胶凝材料颗粒刚好能被水包裹形成湿润水泥浆的时候，此时颗粒间距最小，搭配最为紧密.当水胶比较大时，胶凝材料的固体颗粒会分散悬浮在水中，密实度降低，此时降低水胶比能提高密实度；当水胶比较小时，水量并不足够把固体颗粒包裹成水泥浆，此时提高水胶比能提高胶凝材料的密实度.

在胶凝材料填充密度的测量中，进行试验的水胶比需要定为一个能覆盖最佳水胶比的范围.在无实验经验的情况下，可以先投入胶凝材料再一点点的加水充分搅拌，直到试验品出现浆体而不再呈粉状时，以此水胶比为起点，开始测量胶凝材料在水泥浆中的填充率.把水泥浆填满已知体积的容器，填充率为P，则有

其中M为水泥浆的质量，V为容器的体积，Mc、Mq、Mw分别为水泥、石英砂、水的质量，Rc、Rq为水泥和石英砂占总胶凝材料的体积分数，υw为体积水胶比，ρc、ρq、ρw为水泥、石英砂和水的密度.由上式可推出

其中Vs为胶凝材料的总体积.

逐步调大水胶比，重复填充率的测量，直至出现填充率随着水胶比的增大而逐渐减小.填充密度测量同样在水泥浆搅拌后5 min内进行，整个实验过程中实验室温度控制在20±2℃，在不同的水胶比下取得的最大填充率Pmax即为该胶凝材料的填充密度.该测试方法能模拟出固体颗粒在水泥浆中的紧密悬浮状态，考虑到了空气量、水量、减水剂的影响，比以往填充密度的干测量法更为准确.

6.2 测量结果

胶凝材料填充密度测量结果见表2第二列，胶凝材料填充密度随石英砂掺量的变化情况见图4.结果表明，胶凝材料的填充密度随着石英砂掺量的增加变化浮动较小，大致维持在0.500左右.

图4 填充密度随石英砂掺量变化的情况

7 水膜厚度计算

7.1 计算方法

其中T为水膜厚度，We为剩余水体积，A为胶凝材料的比表面积，Vw为试样的实际用水体积，Vh为孔隙体积，Mc、Mq分别为试样中所用水泥和石英砂的实际质量，ρc、ρq为水泥和石英砂的密度，Pmax为胶凝材料的填充密度，Ac、Aq为水泥和石英砂的比表面积.

7.2 计算结果

水膜厚度随石英砂掺量的变化情况见表2和图5.结果表明，当水胶比在0.40或以上时，石英砂的掺入能增大其水膜厚度，这主要是因为石英砂的掺入减小了胶凝材料的比表面积，从而胶凝材料上吸附水厚度，即水膜厚度变大的缘故，且随着水胶比的增大，水膜厚度增大的幅度增加.观察图4和图5，可以得出石英砂掺量对水膜厚度的变化规律与其对填充密度的变化规律相一致.

图5 水膜厚度随石英砂掺量变化的情况

8 水膜厚度对水泥浆流动性的影响

水膜厚度对扩展度的影响见图6.回归分析结果表明，水膜厚度单一参量与扩展度的相关系数平方R2已经达到0.9057，石英砂的加入使R2有一定提高效果，但并不显著.由此可见，水泥浆的半动态流动性能扩展度的大小绝大程度上是由水膜厚度的大小决定的.当水膜厚度较小时，扩展度随水膜厚度的增加快速增加；当水膜厚度较大时，扩展度增加的速度变缓.

图6 扩展度随水膜厚度变化情况

水膜厚度对流速的影响见图7.回归分析结果表明，水膜厚度单一参量与流速的相关系数平方R2为0.8975，加入石英砂，则R2轻微提高.由此可见，水泥浆的动态流动性能流速的大小绝大程度上是由水膜厚度的大小决定的.石英砂的掺入也会对流速的增大有轻微程度的正向影响.水膜厚度与流速的关系接近成一次线性相关，与半动态流动性扩展度不同的是，在高流动性的状态下，由于石英砂的滚珠效应能使在相同水膜厚度情况下，水泥浆动态流动性能显著提高.

图7 流速随水膜厚度变化情况

从水膜厚度的计算方法及其对水泥浆流动性的影响可得知，石英砂对水泥浆流动性的影响体现在对其填充密度和比表面积的改变，由于石英砂的掺入对水泥浆的填充密度影响不大，而使其比表面积有所减小，因此水膜厚度增大，水泥浆流动性增大.

9 结论

本研究通过对30组掺石英砂水泥浆试样流动性、0.63 mm过筛率、28 d强度和5组胶凝材料填充密度的测量，得到的主要结论如下：

（1）水泥浆的流动性随石英砂掺量的增加而增大，对流速增强效果大于对扩展度增强效果，当水胶比为0.45时，流速增加量最大，为45.1 mL/s.

（2）水泥浆的0.63 mm过筛率随石英砂掺量的增加而增大，最大增加幅度达55%，水泥浆粘聚性变差.

（3）石英砂对水泥浆的强度呈负向影响，且影响程度与石英砂掺量成正比关系，减小幅度达最大65.79%.

（4）胶凝材料的填充密度随着石英砂掺量的增加变化不大，当石英砂掺量一定时，水膜厚度随水胶比的增大而增大.水泥浆的水膜厚度可在测得胶凝材料的填充密度后，通过式（3）量化.

（5）石英砂的掺入对胶凝材料流动性的影响主要体现在对其比表面积和填充密度的改变.填充密度和比表面积的综合影响可以通过单一参数水膜厚度得到量化，水膜厚度增大0.1 μm，试样扩展度增大约33.3 mm，流速增大约16.7 mL/s.

实验结果表明用石英砂等量置换水泥能在有效减少水泥用量下显著提高水泥浆的流动性，但同时会降低其粘聚性和抗压强度.基于本研究得到的结果，石英砂混凝土拥有一定的应用前景.对于隔墙、垫块等强度要求不高的混凝土构件，石英砂混凝土可通过减少水泥用量降低成本和生产水泥所带来的环境污染，流动性的增加也有便于施工的进行.此外，对于强度要求较高的混凝土构件，在掺加石英砂情况下，强度的降低可通过降低水灰比得到补偿.

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