钢渣砂水泥砂浆和易性能影响因素研究*

白志平 孙英健 刘云鹏 庞 凌 施志宏

(内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司1) 呼和浩特 010050) (武汉理工大学材料工程学院2) 武汉 430070)

0 引 言

水泥砂浆主要由水泥、河砂、水等通过一定配比组合而成，其中河砂是主要原料，占砂浆总质量的70%左右，但河砂属于不可再生自然资源，储量有限[1-4].钢渣砂与水泥熟料有相似的矿物组成和化学成分，含大量CaO和铁氧化物，高碱度钢渣砂中还含有较多C2S和C3S，具有一定潜在胶凝活性，且自身坚硬、棱角丰富，在取代天然河砂作为细集料应用于水泥砂浆时，有利于改善其强度[5-7].因此，若能最大限度地利用钢渣资源，不仅能降低生产成本，同时能节约天然矿质资源，实现可持续发展.

钢渣砂具有多孔囊状结构，颗粒表面细粉含量较高，应用于水泥砂浆时存在的问题是和易性能差.熊付刚[8]发现随钢渣砂掺量增大，砂浆拌和物的稠度表现出先增大后减小的趋势，并认为掺量为40%时，砂浆稠度和密度最大，保水性最好.蔡肖等[9]在研究钢渣砂等体积取代天然河砂制备砂浆时发现，随钢渣砂掺量增大，钢渣砂砂浆拌和物的需水量呈线性增加趋势.和易性能作为钢渣砂砂浆施工的首要条件，还需进一步全面深入研究.对钢渣砂砂浆和易性影响因素进行研究，包括钢渣砂处理工艺、水灰比、钢渣砂粒径范围、减水剂用量等，研究其对钢渣砂砂浆和易性能的影响规律，并提出和易性能较好的优选方案.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1) 水泥 采用某P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥基本物理性能指标见表1.

表1 水泥物理性能指标

2) 细集料 热闷钢渣砂标号记为NM；热泼钢渣砂标号记为GX；河砂标号记为HS.细集料各项基本性能指标见表2，筛分结果和细度模数见表3.

表2 钢渣砂及河砂基本性能指标

表3 钢渣砂及河砂筛分结果

3) 外加剂 来自某公司木质素磺酸钠减水剂，黄褐色粉末状，减水率为10%～15%.

4) 拌和水 采用自来水.

1.2 砂浆配合比

由于钢渣砂的密度与天然河砂差别较大，故采用等体积替代方法.将0～2.36 mm的两种钢渣砂分别以0，25%，50%，75%100%等体积代替天然河砂制备钢渣砂水泥砂浆，研究钢渣砂处理工艺、水灰比、钢渣砂粒径范围，以及减水剂用量等因素对钢渣砂砂浆和易性能的影响规律，砂浆配合比见表4.

表4 钢渣砂砂浆试验配合比

河砂100%代表其用量为1 350 g，钢渣砂的用量是根据其相对于河砂的密度和比例掺量等体积换算得出.

2 试验结果与分析

2.1 钢渣砂处理工艺

两种钢渣砂扫描电镜图见图1，砂浆流动度随钢渣砂掺量增加的变化曲线见图2.

图1 钢渣砂扫描电镜图

图2 砂浆流动度随钢渣砂掺量增加变化曲线

由图1可知，不同处理工艺的钢渣砂，其形貌孔隙特征有所差异，NM表面形貌较GX均匀平整，且囊状孔隙较GX少，这就导致NM密度较大，吸水率较小，而GX密度较小，吸水率较大.从外观来看，NM呈现灰褐色扁平状，棱角丰富，而GX呈现黄色颗粒状，且颗粒间细粉含量比前者高很多，存在于较多的孔隙之中，这可能是由于GX在热泼处理工艺下有杂质产生所致，导致其在相同陈化时间下，需要更多水分和更好的水环境才能充分水化.由图2可知，随钢渣砂掺量增加，砂浆流动度均呈现明显降低的趋势；在相同配合比同等掺量下，GX的流动性较内蒙的差，在掺量为25%～75%之间时，NM砂浆的流动度要平均比GX砂浆高8.0%左右，在钢渣砂掺量为100%时，两种钢渣砂砂浆拌和物均较干，基本无流动度可言.表明不同处理工艺钢渣砂，在代替天然河砂制备砂浆时，对砂浆和易性能影响较大，NM密度较大、孔隙较少，吸水率较小，其砂浆需水量较低，流动性较好；而GX密度较小、内部孔隙较多，且颗粒表面及内部含较多细粉，吸水率较大，导致其砂浆需水量增加，流动性大大降低.

2.2 水灰比

将0～2.36 mm的NM和GX等体积代替25%天然河砂，通过设置0.45，0.50，0.55，0.60四组梯度的水灰比制备水泥砂浆，研究水灰比对钢渣砂水泥砂浆和易性能的影响规律.水灰比对钢渣砂砂浆流动度的影响规律见图3.

图3 水灰比对钢渣砂砂浆流动度的影响规律

由图3可知，随着水灰比增大，即砂浆拌和物用水量增加，两种钢渣砂砂浆流动度均呈现出线性增大的趋势，且在水灰比为0.50～0.55时，内蒙钢渣砂砂浆流动度均要比广西钢渣砂砂浆流动度大7.7%左右，说明水灰比对砂浆流动度的影响较大.在水灰比为0.45时，钢渣砂砂浆拌和物较干，流动性很差；水灰比为0.50时，拌和状态一般，流动性也较差；水灰比为0.55时，两种钢渣砂砂浆拌和状态达到最佳效果，流动性最好，砂浆拌和物较均匀，黏聚性最好，且无泌水现象，保水性也最好；水灰比为0.60时，虽然砂浆流动性更好，但表面会产生气泡，发生分层离析和泌水现象，其黏聚性能和保水性不好.因此，在实际施工时要选择合适的水灰比，控制钢渣砂砂浆具有良好和易性能的最佳用水量.

2.3 钢渣砂粒径范围

选择两种钢渣砂分别以25%掺量等体积代替天然河砂在最佳水灰比0.55下成型制备水泥砂浆，研究在同一掺量相同水灰比条件下不同粒径范围钢渣砂对其砂浆和易性能的影响规律.不同粒径范围的钢渣砂对其砂浆流动度的影响规律见图4.

图4 不同粒径范围钢渣砂对砂浆流动度的影响规律

由图4可知，钢渣砂掺量为25%时，在相同水灰比条件下，随钢渣砂颗粒最小粒径增大，两种钢渣砂砂浆流动度均呈现出不断增加的趋势，这是因为随着钢渣砂颗粒最小粒径增大，钢渣砂砂浆中较细的颗粒部分明显减少，即比表面积大的部分减少而比表面积小的部分增加，砂浆吸水率减小，拌和时需水量降低，进而砂浆流动度有所增加.此外，NM砂浆流动度在粒径范围为0～2.36 mm变化至0.15～2.36 mm时增加幅度和GX相当，但粒径范围由0.15～2.36 mm至0.6～2.36 mm时，NM砂浆流动度增加幅度要明显比GX砂浆大.从拌和状态来看，在水灰比为0.50时，NM砂浆在粒径范围为0.3～2.36 mm时，砂浆的流动性、黏聚性和保水性最佳，即和易性能最好；而GX由于流动性能较NM差，其砂浆在粒径范围为0.6～2.36 mm时才能达到最佳的和易性能.因此，筛去钢渣砂中较细的部分有利于其在较低的水灰比下满足砂浆良好的和易性能要求.

2.4 减水剂用量

选择两种钢渣砂分别以25%掺量等体积代替天然河砂在水灰比为0.50时成型制备水泥砂浆，每种砂浆分别以水泥用量为标准设计三种不同用量的木质素磺酸钠减水剂，减水剂用量分别为1.35 g(水泥用量的0.3%)、2.25 g(水泥用量的0.5%)和3.15 g(水泥用量的0.7%)，研究减水剂用量对钢渣砂砂浆和易性能的影响规律.减水剂用量对钢渣砂砂浆流动度的影响规律见图5.

图5 减水剂用量对钢渣砂砂浆流动度的影响规律

由图5可知，两种钢渣砂在同等粒径下掺量为25%、水灰比为0.50时，使用减水剂的效果要明显比不加减水剂好很多，且与图2相比，在减水剂用量为1.35，2.25，3.15 g时，NM砂浆的流动度分别增大了14.0%，29.3%，42.3%，GX砂浆的流动度分别增大了12.9%，24.5%，36.7%.这是因为减水剂具有吸附分散和润湿润滑作用，在同样的水灰比下能使砂浆表现出更加湿润的状态，进而使砂浆的流动性能有所提高.此外，随着减水剂用量增加，两种钢渣砂砂浆的流动度均呈现明显增加的趋势，在减水剂用量为1.35 g(水泥用量的0.3%)时，GX砂浆流动性较差，不能满足基本使用性能要求，NM砂浆拌和状态一般；在减水剂用量为3.15 g(水泥用量的0.7%)时，GX砂浆拌和状态较好，而内蒙钢渣砂拌和状态则明显较稀，且稍微静置半分钟，浆体表面立即出现分层离析和泌水现象，并伴随有气泡产生，浆体与砂的裹覆性较差，且短时间内即凝结硬化，表现为砂浆的黏聚性和保水性能较差；而在减水剂用量为2.25 g(水泥用量的0.5%)时，NM砂浆的拌和性能良好，细集料砂与水泥的粘接程度较高，保水性也较好.因此，减水剂虽能提高钢渣砂砂浆和易性能，但要根据钢渣砂基本性能控制合适的减水剂用量，确保达到最佳的砂浆拌和状态.

3 结 论

1) 砂浆和易性能由钢渣砂密度、吸水率、形貌孔隙和颗粒间细粉含量决定.钢渣砂处理工艺不同，其形貌孔隙特征有所差异；在掺量为25%～75%时，内蒙热闷钢渣砂砂浆流动度平均要比广西热泼钢渣砂砂浆高8.0%.

2) 水灰比为0.50～0.55时，内蒙钢渣砂砂浆流动度平均要比广西钢渣砂砂浆高7.7%左右；且在水灰比为0.55时，两种钢渣砂砂浆拌和状态效果最佳，表现出流动性、黏聚性和保水性能均较好.

3) 随钢渣砂颗粒最小粒径增大，钢渣砂中比表面积大的颗粒减少而比表面积小的颗粒增加，吸水率减小，对其砂浆和易性能的提高有重要影响.水灰比为0.50时，内蒙钢渣砂砂浆在粒径范围为0.3～2.36 mm时达到最佳和易性能，广西钢渣砂砂浆则在0.6～2.36 mm时才达到.

4) 减水剂对提高砂浆流动性有明显作用，在减水剂用量为1.35，2.25和3.15 g时，内蒙钢渣砂砂浆的流动度分别增大了14.0%，29.3%和42.3%，广西钢渣砂砂浆的流动度分别增大了12.9%，24.5%和36.7%；合适的减水剂用量是确保砂浆和易性能良好的关键，内蒙钢渣砂砂浆在减水剂用量为2.25 g时和易性能最佳，而广西钢渣砂砂浆则在减水剂用量为3.15 g时才最佳.