掺加水泥对地质聚合物砂浆性能的影响研究

陈金梅 高明 谢政专 黎碧云

摘要：文章探究了掺加普通硅酸盐水泥对粉煤灰-矿渣基地质聚合物砂浆性能的影响。结果表明：（1）随着普通硅酸盐水泥掺量的增加，地聚物砂浆扩展度呈现先变小后变大又保持不变，最后变小的规律，当水泥掺量为2%和3%时，地聚物砂浆扩展度相同，均为210 mm;（2）随着水泥掺量增加，地聚物砂浆28 d抗折强度变大，地聚物砂浆28 d抗压强度呈现先变大后变小的规律，当水泥掺量为4%时，地聚物砂浆28 d具有最大抗折强度，为5.1 MPa，当水泥掺量为3%时，地聚物砂浆28 d具有最大抗压强度，为38.3 MPa;（3）综合地聚物砂浆的扩展度、3 d抗折和抗压强度，水泥掺量为3%时，地聚物砂浆性能最优。

关键词：粉煤灰;矿粉;地质聚合物;水泥;扩展度;强度

0 引言

水泥生产需要经过“两磨一烧”的工艺步骤，需要消耗天然资源，产生大量污染物，对人类生存环境产生极大的影响。地质聚合物是由激发剂激发活性质材料生成的胶结材料，其性能的影响因素很多，例如水玻璃模数、水胶比、Si/Al等[1-3]。原材料不同，制备出的地质聚合物性能不同。研究表明，在体系中加入矿渣可以缩短凝结时间，提高强度[4-7]。尚建丽[8]以矿渣和粉煤灰为原料制备地质聚合物，矿渣/粉煤灰比例分别为2、1和0.5，发现随着矿渣掺量增大，地质聚合物强度增加。贾屹海[9]研究粉煤灰/矿渣基地质聚合物，发现当矿渣/粉煤灰>1∶9时，地质聚合物7 d强抗压强度达到80.7 MPa，28 d抗压强度达到103.1 MPa。但Nath[10]等研究发现矿渣只能在一定范围内增加地质聚合物强度，当矿渣掺量超过胶凝材料总量的40%时，地质聚合物强度反而下降。同时，矿渣的加入也会缩短地质聚合物反应的时间[11]。本文以水泥作为外掺剂，以粉煤灰和矿粉为胶凝材料，天然河砂为骨料，水泥分别占到胶材质量的0、1%、2%、3%、4%，制备地质聚合物，探究水泥对地质聚合物砂浆性能的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

采用华新水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥，比表面积为4 320 cm2/g，物理性能见表1，化学成分见表2。普通Ⅱ级粉煤灰（Ⅱ FA）和矿渣（BFS）的化学组成见表2。

1.2 试验配比

本实验中，FA/BFS配比按照5∶5，模数统一为1.4，水胶比为0.5。具体配合比见表3。

1.3 试验方法

将粉煤灰、矿粉、砂子和水泥预先混合作为固体组分，硅酸钠和NaOH溶液混合作为液体组分，NaOH溶液用于调节水玻璃模数，将固体组分和液体组分混合搅拌90 s后，浇筑入模（4 cm×4 cm×16 cm）成型，在室温下养护1 d后，拆模放入标准养护室养护至3 d测试强度，砂浆扩展度和强度分别参照《水泥胶砂流动度试验方法》（GB/T2419-2005）和《水泥胶砂强度试验方法》（GB/T17671-1999）进行。综合考虑砂浆扩展度和强度，选用较优配比进行微观表征。

2 结果与讨论

2.1 砂浆扩展度和强度试验结果

根据表4试验结果绘制出不同水泥掺量下地聚物砂浆扩展度、砂浆抗折强度以及砂浆抗压强度，如图1、图2所示。

图1是不同配合比砂浆的扩展度图。由图可知，对于上述不同水泥掺量，地聚物砂浆扩展度呈现先变小后变大又保持不变，最后变小的规律。水泥掺量为0时，地聚物砂浆扩展度最大，为220 mm;水泥掺量为2%时，地聚物砂浆扩展度开始变小，为205 mm;水泥掺量为3%～4%时，地聚物砂浆扩展度变大并且具有相同扩展度，为215 mm;水泥掺量为4%时，地聚物砂浆扩展度最小，为190 mm。综上，水泥掺量在0～4%范围时，地聚物砂浆扩展度在190～220 mm范围，最大扩展度与最小扩展度相差30 mm。

图2为不同水泥掺量下地聚物砂浆的28 d抗折强度和抗压强度图。由图2（a）可知，地聚物砂浆28 d抗折强度随水泥掺量增加而增大，28 d抗压强度均随水泥掺量的增加，先变大后变小。对于图2（a），当水泥掺量为4%时，地聚物砂浆28 d具有最大抗折强度，为5.1 MPa;未掺水泥时，地聚物砂浆28 d抗折强度最小，为3.0 MPa。对于图2（b），水泥掺量增加，地聚物砂浆28 d抗压强度呈现先变大后变小的规律，水泥掺量为3%时，地聚物砂浆具有28 d最大抗压强度，为38.3 MPa;水泥掺量为0时，地聚物砂浆28 d抗压强度最小为29.4 MPa，最大抗压强度与最小抗压强度两者相差8.9 MPa。水泥掺量为4%时，地聚物28 d抗压强度小于水泥掺量为3%时地聚物砂浆的28 d抗压强度。综合地聚物砂浆的扩展度、28 d抗折和抗压强度，水泥掺量为3%时，地聚物砂浆性能最优。

2.2 配比4号地聚物砂浆的扫描电镜图分析及矿物分析

图3为水泥掺量为3%时（配比4号）的扫描电镜图。从图中可以看出，样品基体生成相比较明显，整体结构致密，说明内部有大量无定形地质聚合物凝胶相生成，水泥的加入可以和矿渣同时为体系提供大量Ca2+，加速反应的进行，生成大量“C-S-H”以及“C-A-S-H”无定型凝胶产物，对整个体系强度也起到了增强作用[12-13]，同时基体中有少量裂缝出现，推测原因可能是掺加矿渣，前期水化热变大，水化速率加快导致温度升高，浆体失水速率加快，干缩形成裂缝。

2.3 XRD

图4为用X射线测定的水泥掺量为3%时（配比4號）的矿物分析图。从图中可以看出，其在20o～40o范围有明显的峰包出现，说明此时有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”无定形凝胶产物生成，进一步验证了扫描电镜图中观察到大量无定形地质聚合物凝胶相的现象。水泥和矿渣为整个体系提供了大量的Ca2+，还可看出有“C-S-H”凝胶产物和Ca（OH）2晶体的形成，“C-S-H”的形成能促进体系中Si和Al的溶出，加速地聚反应的进行，生成大量的“N-A-S-H”，使基体结构更致密[14]。Ca2+对地质聚合物早期强度的提高起到了至关重要的作用。图4中沸石相的出现可能是由“N-A-S-H”转化生成。

3 结语

（1）从砂浆扩展度可以得出，随着水泥掺量增加，地聚物砂浆扩展度呈现先变小后变大又保持不变，最后变小的规律。水泥掺量在0～4%范围时，地聚物砂浆扩展度在190～220 mm范围，最大扩展度与最小扩展度相差30 mm。

（2）从砂浆强度可以得出地聚物砂漿28 d抗折强度随水泥掺量增加而增大，28 d抗压强度均随水泥掺量的增加，先变大后变小。水泥掺量为3%时，地聚物砂浆具有28 d最大抗压强度，为38.3 MPa;水泥掺量为0时，地聚物砂浆28 d抗压强度最小为29.4 MPa，最大抗压强度与最小抗压强度两者相差8.9 MPa。综合地聚物砂浆的扩展度、3 d抗折和抗压强度，水泥掺量为3%时，地聚物砂浆性能最优。

（3）通过X射线衍射图谱和扫描电镜观察可得试块基体结构较为密实，有大量“N-A-S-H”和“C-A-S-H”凝胶生成，但同时出现了裂缝，推测原因可能是掺加矿渣，水化速率加快。同时水化热变大导致温度升高，浆体失水速率加快，干缩形成裂缝。

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