沸石粉砂浆流变性能和强度的根本控制因素研究

温梦丹，陈嘉健，马岸民，高御审

（佛山科学技术学院 土木工程系，广东 佛山 528000）

为改善混凝土性能、配置低水泥量的绿色环保混凝土，越来越多的矿物掺合料被用来替代部分水泥.沸石粉由天然沸石经粉磨后制得，是一种以SiO2和Al2O3为主的天然矿物，能与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙等一系列水化产物[1]，是一种活性比较高的矿物掺合料，且沸石在我国储量巨大，廉价易得[2]，用此来替代水泥应用于混凝土生产是切实可行的.部分学者表示沸石粉能使水泥石中孔细化，降低总孔隙率，提高混凝土强度[3-5]；也有学者认为虽然掺入沸石粉降低了水泥强度[6]；但沸石粉适量取代水泥可以有效预防混凝土碱硅酸反应[7-9]；且沸石粉适量掺入对混凝土的早龄期抗裂性、干燥收缩、流动性和粘性均有较好的影响[10-12]；一些学者也研究了砂的比重、粗细对其混凝土的性能影响，砂子越细，砂率越大，都有利于提高混凝土抗压强度[13-14].然而，文献检索表明，目前对于探索沸石粉、砂子对材料性能影响的根本控制因素涉及甚少.

本研究选取水泥砂浆为研究对象，探索沸石粉、胶砂比（胶凝材料与砂的体积比）对混凝土性能的影响.作者认为沸石粉、胶砂比对水泥砂浆的流动性能、强度、平均水（浆）层厚度均有影响.为进一步探索不同胶砂比沸石粉砂浆流动性的影响机理，本研究通过试验得到沸石粉对固相材料填充密度的影响，从而进一步计算出综合了填充密度和总表面积影响的参数平均水（浆）层厚度，对水膜厚度单变量、水膜厚度和浆膜厚度双变量对沸石粉砂浆流动性的定量影响规律进行了叙述.

1 实验材料

本实验中使用的材料其化学组成与物理性能见表1.水泥为产自广东省佛山市的海螺牌P·C 32.5R复合硅酸盐水泥；沸石粉产自宁夏石嘴山市，色白，平均粒径为12.6μm；减水剂为德国巴斯夫股份有限公司生产的聚羧酸液态高效减水剂，密度经测量为1030 kg⋅m-3，掺量统一为胶凝材料的2%；标准砂为厦门艾思欧有限公司生产的中国ISO标准砂，细度模数为2.48.

表1 水泥、沸石粉和砂的化学组成与物理性能

2 实验方案

实验分两个阶段：第一阶段配制了共24组不同配比的沸石粉砂浆试样，试样配比数据中变量为水胶比（W/B）、沸石粉掺量、胶砂比（C/S），测量了砂浆的流动性（半动态流动性的扩展度测量和动态流动性的流速测量）、1.25 mm方孔筛的过筛率和28 d抗压强度.其中，砂浆的W/B分别为1.4和1.3；沸石粉掺量分别为0%至15%，以5%为级差；C/S分别为0.75、0.65及0.55.第二阶段测量上阶段试样的胶凝材料与砂混合后的填充密度以及砂的填充密度，为其各试样水膜厚度、浆膜厚度计算提供依据.各试样详细配比及其流动性等测量数据见表2.

表2 各试样配比和流动性、过筛率、强度测试结果

配比编号（Z-沸石粉掺量-W/B-C/S） 水泥 沸石粉 减水剂 水 砂 扩展度/mm 流速1质量配合比3/kg⋅m- 流动性/(mL⋅s-)1.25 mm过筛率/%28 d强度/MPa Z-5-1.3-0.75 817.6 30.8 8.7 357.8 908.6 276.0 36.8 30.0 35.1 Z-10-1.4-0.75 753.8 60.0 9.0 375.0 884.3 305.0 46.3 54.6 23.0 Z-10-1.3-0.75 774.6 61.7 9.3 357.8 908.6 272.0 32.6 17.4 27.3 Z-15-1.4-0.75 712.0 90.0 9.6 375.0 884.3 282.0 40.7 28.8 18.9 Z-15-1.3-0.75 731.5 92.5 9.9 357.8 908.6 246.5 27.4 17.3 22.5 Z-0-1.4-0.65 794.0 00.0 7.5 355.5 967.2 301.0 34.6 93.3 23.2 Z-0-1.3-0.65 814.6 00.0 7.7 338.7 992.4 240.0 22.7 78.6 25.9 Z-5-1.4-0.65 754.3 28.5 8.0 355.5 967.2 315.0 40.3 86.0 26.7 Z-5-1.3-0.65 773.9 29.2 8.3 338.7 992.4 272.5 29.0 58.9 29.9 Z-10-1.4-0.65 714.6 56.9 8.6 355.5 967.2 298.0 33.8 69.8 20.5 Z-10-1.3-0.65 733.2 58.4 8.8 338.7 992.4 252.5 25.8 43.7 24.4 Z-15-1.4-0.65 674.9 85.4 9.1 355.5 967.2 263.4 30.2 54.1 17.6 Z-15-1.3-0.65 692.5 87.6 9.3 338.7 992.4 227.5 23.5 44.7 23.1 Z-0-1.4-0.55 741.3 00.0 7.0 331.9 1 067.2 272.5 21.5 83.4 18.0 Z-0-1.3-0.55 759.3 00.0 7.2 315.7 1 093.2 194.0 07.6 30.0 20.3 Z-5-1.4-0.55 704.2 26.6 7.5 331.9 1 067.2 285.0 30.2 79.0 23.5 Z-5-1.3-0.55 721.3 27.2 7.7 315.7 1 093.2 216.0 14.5 29.6 27.0 Z-10-1.4-0.55 667.2 53.1 8.0 331.9 1 067.2 267.5 26.2 24.6 14.9 Z-10-1.3-0.55 683.4 54.4 8.2 315.7 1 093.2 193.5 10.6 07.0 23.6 Z-15-1.4-0.55 630.1 79.7 8.5 331.9 1 067.2 222.5 22.2 17.8 14.8 Z-15-1.3-0.55 645.4 81.6 8.7 315.7 1 093.2 159.5 10.2 06.6 21.5

3 实验第一阶段

3.1 流动性测量

3.1.1 测量方法

试样半动态流动性的测量采用小型坍落度筒作扩展度测试，动态流动性的测量采用V型漏斗（图1）作流速测试[15-17]，扩展度为提起坍落度筒后沸石粉砂浆在水平面上的两个垂直方向的直径平均值减去坍落度筒底面直径之差；流速为V型漏斗体积与充满V型漏斗的砂浆全部流出所需时间之比值.

图1 小型坍落度筒和V型漏斗

3.1.2 测量结果

流动性结果载于表2第7、8栏及图2.

结果表明，W/B、C/S一定时，扩展度、流速随沸石粉掺量的增加先增大后减小，在5%时达到最大值.这是因为沸石粉颗粒小，少量加入时，填充了水泥颗粒间的空隙，增大了胶凝材料的密实性，砂浆的内部结构改变，用于填充内部空隙的需水量减少，用于提供砂浆流动性的水相对增多；当沸石粉大量加入时，因沸石粉自身比表面积较大，对流动性的增加起到抑制作用.W/B、沸石粉一定时，扩展度、流速随C/S增大而增大，流速的变化幅度比扩展度变化幅度大，这是因为大C/S，表示单位体积砂浆含砂量少，浆体相对多，流动性增强.

图2 扩展度和流速随W/B、C/S变化情况

3.2 黏聚性测试

3.2.1 测量方法

本研究由过筛率大小表征试样的黏聚性大小，其过筛率测量方法是把搅拌完成后的约250 g沸石粉砂浆从孔筛正上方300 mm高处倾倒，让其通过1.25 mm方孔孔筛，静置2 min让砂浆通过滤筛落至下方托盘，称得托盘收集的砂浆质量与所倾倒的砂浆总质量的比值作为该试样的过筛率.若沸石粉砂浆黏聚性较高，则只有较少试样能够通过孔筛，过筛率较低；反之则相反.

3.2.2 测量结果

过筛率结果载于表2第9栏和图3.结果表明，W/B、C/S一定时，过筛率随沸石粉掺量的增加先减小后增大，在掺量为15%时达到最小值，与未掺沸石粉的空白试样相比，掺沸石粉试样的过筛率均有所降低，表明沸石粉的掺入会使砂浆黏聚性有所提高.这主要是因为沸石粉的掺入可能导致沸石粉砂浆颗粒间粘结性增强，黏聚性提高.沸石粉掺量、W/B一定时，过筛率随C/S减小先增大后减小，在C/S为0.65时为最大值，即适当提高砂浆中砂的比重，黏聚性降低，继续提高砂的比重，黏聚性有所回升，这可能是因为C/S的适当降低，砂浆内部浆体含量减少，固体颗粒之间粘结性减弱，黏聚性降低，C/S持续降低，砂浆流动性大幅度减小影响了砂浆过筛率.

图3 1.25 mm过筛率随W/B、C/S变化情况

3.3 强度测量

3.3.1 测量方法

试样强度取3个相同配比、同步制作、同步测试的70.7 mm立方体试样在标准养护条件下达到28天龄期时的抗压强度的平均值.

3.3.2 测量结果

强度测量结果载于表2最后一栏和图4.结果表明，适量沸石粉等体积替代水泥会提高砂浆的抗压强度，W/B、C/S一定时，沸石粉砂浆的强度随着沸石粉掺量的增加先增大后减小，在掺量为5%时为最大值.这主要是由于沸石粉能够与水化产物Ca(OH)2作用生成更致密的水化硅酸钙凝胶，导致砂浆强度的提高，当沸石粉掺量过大时，大量沸石粉会附着在水泥颗粒表面阻止水泥水化，导致砂浆强度降低.沸石粉掺量、W/B一定时，砂浆强度随C/S的减小而减小.这是因为C/S减小时，骨料的空隙率会增大，砂浆密实度减小，强度降低.

图4 28 d抗压强度随W/B、C/S变化情况

4 实验第二阶段

4.1 填充密度测量

4.1.1 测量方法

固相材料填充密度的测量采用水测紧密值法.水测紧密值法是指在不同水量下砂浆中固体颗粒组合能达到的填充率（既固体颗粒在砂浆中所占体积的百分比）最大值为固相材料的填充密度.固相材料填充率最大值出现在固体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，粘结最为紧密.当W/B较大时，固体颗粒会随充分的水量呈散布而非紧密状态，密实度降低，此时降低W/B能提高密实度；当W/B较小时，没有足够水把固体颗粒包裹成水泥浆，此时提高W/B能提高砂浆的密实度.

4.1.2 测量结果

填充密度测量结果见表3和图5.结果表明，C/S一定时，适量沸石粉的掺入会显著提高固相材料的填充密度，随着掺量的不断增大，填充密度呈曲线变化；沸石粉掺量一定时，C/S越小，填充密度越小.

图5 填充密度随C/S变化情况

4.2 平均水（浆）层厚度计算

4.2.1 计算方法

在取得固相材料（砂）的填充密度后，平均水（浆）层厚度可通过下式计算[18]

式中，T为平均水（浆）层厚度，µm；We为剩余水体积，mL；A为固相材料（砂）的总表面积，m2；Vw为试样的实际用水体积，mL；Vp为颗粒间空隙体积，mL；Mc、Mz、Ms分别为试样中所用水泥、沸石粉和砂的实际质量，g；ρc、ρz、ρs为水泥、沸石粉和砂的密度，kg⋅m-3；Pmax为固相材料（砂）的填充密度；Sc、Sz、Ss为水泥、沸石粉和砂的比表面积，m2⋅kg-1.

4.2.2 计算结果

水膜厚度、浆膜厚度计算结果载于表3和图6.结果表明，相同W/B、C/S下，水膜厚度随沸石粉掺量的增大呈曲线变化，固相材料总表面积随沸石粉掺量的增大而增大，浆膜厚度随沸石粉掺量的增大无明显变化；相同沸石粉掺量、W/B下，C/S的适当增大能提高砂浆的水膜厚度、固相材料总表面积以及浆膜厚度.由表3可得，沸石粉的掺入改变了固相材料的填充密度及固体颗粒总表面积，结合式（1～4）揭示了水膜厚度变化是受固相材料填充密度和固体颗粒总表面积相互制约的结果，浆膜厚度是砂填充密度和砂总表面积相互制约的结果.

表3 水泥砂浆试样水膜厚度、浆膜厚度

图6 水膜厚度、浆膜厚度随沸石粉掺量变化的情况

5 沸石粉砂浆流动性控制因素

5.1 水膜厚度对沸石粉砂浆流动性的影响

平均水膜厚度对扩展度、流速的影响示于图7.回归分析结果表明，在固定C/S情况下，水膜厚度单一参量与流速、扩展度的相关系数平方2R均已达到0.9以上.由此可见，沸石粉砂浆的半动态流动性能扩展度、动态流动性能流速的大小主要控制因素均是水膜厚度的大小和C/S.在固定C/S情况下，水膜厚度提高，流动性增大，水膜厚度下降，流动性减小.

图7 扩展度、流速随水膜厚度变化情况

从水膜厚度的计算方法及其对沸石粉砂浆流动性的影响可得知，沸石粉对砂浆流动性的影响原因在对其固相材料填充密度和固相材料总表面积的改变，综合原因为对水膜厚度的改变.

5.2 水膜厚度、浆膜厚度对沸石粉砂浆流动性的影响

水膜厚度、浆膜厚度共同对砂浆流动性影响示于图8.回归分析结果表明，水膜厚度与浆膜厚度双变量共同决定了不同C/S情况下所有砂浆的流动性.水膜厚度、浆膜厚度为砂浆流速、扩展度的根本控制因素.沸石粉的掺入和C/S的调整对砂浆流动性的影响实质上均是通过改变砂浆水膜厚度和浆膜厚度而产生影响.

图8 水膜厚度、浆膜厚度对流动性影响图

6 结论

本研究通过对24组不同沸石粉掺量、不同C/S的沸石粉砂浆流动性、1.25 mm过筛率、28 d强度和12组砂浆固相材料填充密度的测量和水膜厚度的计算以及砂填充密度测量和浆膜厚度的计算，发现W/B、C/S一定时，扩展度、流速随沸石粉掺量的增加先增大后减小，在5%时达到最大值；黏聚性随沸石粉掺量增加而提高，在掺量为15%时达到最佳；适量沸石粉掺入会提高砂浆的抗压强度，在掺量5%时达到最佳，提高约30%；C/S一定时，适量沸石粉掺入会显著提高固相材料的填充密度.进一步得出平均水(浆)层厚度可以量化填充密度和总表面积的综合影响，水膜厚度与浆膜厚度双变量共同决定了砂浆的流动性.沸石粉掺量和C/S对砂浆流动性的影响实质上均是通过改变砂浆水膜厚度和浆膜厚度而产生影响.

基于本研究得到的结果，掺加沸石粉和优化C/S可使混凝土流动性增加以便于施工的进行，可使强度提高以减少混凝土用量，可通过减少水泥、砂用量降低单位混凝土量生产成本、减小环境污染，为配制高流动性绿色混凝土提供良好掺和料和更优配比.发现了砂浆流动性的根本控制因素，对未来砂浆混凝土的配比设计提供了解决思路.