复掺功能填料对水泥砂浆性能影响研究

彭月月，吴发红

(1．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001;2．盐城工学院土木工程学院，江苏盐城224002)

水泥基材料因具有抗压强度高、耐久性好、使用寿命长和成本低等优点被广泛应用于建筑与市政设施领域。随着科学技术的不断进步，水泥基材料逐渐向高强、高性能方向发展，添加功能填料是制备高性能水泥基材料的有效途径，其中纳米材料、纤维材料是功能填料的首选。

国内外诸多学者研究表明，纳米与纤维材料对水泥砂浆物理与力学性能有明显影响。Byung-Wan Jo等[1]研究发现，掺6%NS的水泥砂浆7 d抗压强度增加了52%。曾凯龙[2]研究了BF对水泥砂浆力学性能的影响。结果表明，随BF掺量增大，其抗折强度先提高后降低，抗压强度变化不显著。潘慧敏[3]研究发现，掺1.0%～2.0%BF能提高混凝土的抗压、抗折强度。李欢欢[4]研究发现Al2O3能促进水泥水化，增强砂浆的抗压强度、抗折强度。

现有文献报道多为单一功能材料掺加对水泥砂浆物理与力学性能的影响，对复掺功能材料对水泥砂浆物理与力学性能影响的研究较少。本文主要研究W/C与NS、BF、Al2O3等功能材料掺量对水泥砂浆流动性、抗压强度、抗折强度的影响，通过四因素三水平的正交试验，确定最优配合比，对制备高性能水泥砂浆作研究探讨。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

水泥采用盐城某水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，质量符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求[5]。砂采用中砂，细度模数2.56；Al2O3(300目)购自河南郑州某公司；NS(纯度为99.99%)由上海某公司生产，直径为50 nm；BF由上海某公司提供，长度为18 mm ；液体聚羧酸高性能减水剂(TC-PCA)购自西安某公司，减水率为25%。

1.2 试块制备和测试方法

试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，试件的抗压、抗折强度测试按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)进行[6]，流动度测试按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)进行[7]。搅拌好的新鲜砂浆一部分测其流动性，另一部分倒入模具中成型，振捣密实，放入标准养护室进行养护，24 h后脱模，继续养护至7 d与28 d测其强度。

1.3 试验配合比

正交试验配合比如表1所示，以水泥量为单位1，Al2O3、BF、NS的量采用外掺法。

表1 正交试验配合比Table 1 Orthogonal test mix ratio

2 结果与讨论

2.1 流动性分析

水泥砂浆流动性试验测试值如图1所示。

图1 水泥砂浆流动度Fig 1 Fluidity of cement mortar

由图1可知，各因素对砂浆流动性的影响趋势为Al2O3：2.5%>5%>7.5%；BF:0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0 %>0.5 %>1.5 %；W/C：0.45>0.40>0.35。根据正交试验的极差分析，即图1中每个因素的最大值减去最小值，得出的差值越大对流动性的影响也越大，因此可以得出影响流动性最主要的因素是W/C，其次是BF掺量，继而是NS掺量，Al2O3掺量影响最低。最优配比为水胶比0.45，Al2O3、BF、NS掺量分别为2.5%、0.1%、1.0%。

随着Al2O3掺量的增加，水泥砂浆的稠度增大，流动性减小。随着BF掺量的增加，水泥砂浆流动性呈先上升后下降的趋势，这可能是由于当掺量较少时BF均匀分散在砂浆中，纤维平均间距较小，对砂浆流动的阻碍影响小，可改善砂浆流动性；当掺量增加时，BF在砂浆中随机分布形成空间网络结构，阻碍砂浆流动，造成流动性下降[8-9]。NS是一种高活性的纳米颗粒，具有较大的比表面积，会迅速吸收水分子，少量的NS可以填充于砂浆的空隙之中，起到润滑作用，使砂浆流动性变大；但是随着NS掺量的增加，NS的诱导反应加速了水泥水化反应，水化产物增加，堵塞孔隙，砂浆的流动性降低[10-11]。

2.2 抗压强度分析

试样7 d和28 d的抗压强度值如图2、图3所示。

图2 水泥砂浆7 d抗压强度Fig 2 7 d compressive strength of cement mortar

图3 水泥砂浆28 d抗压强度Fig 3 28 d compressive strength of cement mortar

从图2和图3可以看出，各因素对砂浆28 d抗压强度的影响趋势为Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.05%>0.15%；NS：1.0%>0.5%>1.5%；W/C：0.35>0.45>0.4。影响试样7 d和28 d抗压强度最主要的因素是W/C，其次是Al2O3掺量，继而是BF掺量，NS掺量影响最低。最优配比为水胶比0.35、Al2O3掺量5%、BF掺量0.1%、NS掺量1.0%。

当W/C分别为0.40、0.45时，相对于W/C为0.35，试样7 d抗压强度分别下降了13%、6.7%、28 d抗压强度分别下降了11%、4.9%；当Al2O3粉末掺量分别为5%、7.5%时，相对于Al2O3掺量2.5%，试样7 d抗压强度分别上升15.2%、12.9%，28 d抗压强度分别上升10.3%、8.6%；当BF掺量分别为0.1%、0.15%时，相对于BF掺量0.05%，试样7 d抗压强度分别上升3.6%、下降2.2%，28 d抗压强度相对于0.05%分别上升8.3%、3.2%；当NS掺量分别为1%、1.5%时，相对于NS掺量0.5%，试样7 d抗压强度分别上升5.8%、4.5 %，28 d抗压强度分别上升8.03%、5.05%。

这是由于Al2O3粉末粒径小，低掺量时完全分散在砂浆的孔隙中，可以改善砂浆的抗压性能，同时Al2O3粉末中存在Na2O、CaO等氧化物，与水反应生成NaOH和Ca(OH)2，从而提高砂浆的抗压强度；低掺量时BF能在砂浆中均匀分散，与砂浆同时受力，提高其抗压强度，随着掺量增加，BF在砂浆中易出现团聚现象，纤维分布不均匀，导致基体内部出现孔洞和空隙，从而使砂浆密实度下降，抗压强度也下降；低掺量时NS完全分散在砂浆中，使其水化反应充分，生成大量C—S—H凝胶，从而提高砂浆的抗压强度，随着NS掺量增加，NS不能完全分散，包裹着水泥颗粒且吸收大量水分，使水泥水化反应速率减慢，水化产物减少，导致抗压强度降低[12]。

2.3 抗折强度分析

试样7 d和28 d的抗折强度值如图4、图5所示。

图4 水泥砂浆7 d抗折强度Fig 4 7 d flexural strength of cement mortar

图5 水泥砂浆28 d抗折强度Fig 5 28 d flexural strength of cement mortar

从图4和图5可知，各因素对砂浆7 d和28 d抗折强度的影响趋势。Al2O3：5%>7.5%>2.5%；BF：0.1%>0.15%>0.05%；NS：1.0%>0.5%>0.15%；W/C：0.45>0.35>0.4。影响7 d和28 d抗折强度最主要的因素是Al2O3掺量，其次是BF掺量，继而是NS掺量，W/C影响最低。最优配比为W/C 0.45、Al2O3掺量5%、BF掺量0.1%、NS掺量1.0%。

当Al2O3粉掺量分别为5%、7.5%时，相对于Al2O3掺量2.5%，试样7 d抗折强度分别上升19%、8.2%，28 d抗折强度分别上升13.5%、4%；当BF掺量分别为0.1%、0.15%时，相对于BF掺量0.05%，试样7 d抗折强度分别上升3.02%、下降10.2%，28 d抗折强度分别上升10.8%、5.6%；当NS掺量分别为1%、1.5%时，相对于NS掺量0.5%，试样7 d抗折强度分别上升6.3%、下降2.4%，28 d抗折强度分别上升10.1%、5.5%。

这是由于低掺量时Al2O3填充在砂浆空隙之中，使砂浆更加密实，从而提高抗折强度，当其掺量增加时，会导致水泥水化反应不充分，使抗折强度有所下降。在水泥砂浆中掺入BF，BF平均间距小，能减少裂缝尖端的应力集中，在外力作用下，BF之间相互搭接，能够抑制裂缝的发展，提高抗折强度。NS为纳米颗粒，具有填充效应，能够改善水泥砂浆孔隙结构，增加密实度；同时，NS比表面积大，又具有很强的活性，可与水泥水化产物中Ca(OH)2反应生成较大尺度水化产物，从而增强浆体抗折强度[13]。

3 结论

(1)流动性的最优配比为W/C 0.45、Al2O32.5%、BF 0.1%、NS 1.0%。水胶比越大，流动性越大；BF掺量为0.05%～0.10%可以改善砂浆的流动性，当BF掺量超过一定量后，随其掺量增加，砂浆流动性降低。

(2)试样7 d、28 d抗压强度的最优配比为W/C 0.35、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。NS掺量1.0%和Al2O3掺量5.0%可明显提高砂浆的抗压强度。抗折强度的最优配比为W/C 0.45、Al2O35%、BF 0.1%、NS 1.0%。随着Al2O3、BF、NS掺量增加，砂浆抗折强度减小。本文所研发的复掺功能材料砂浆可应用于沿海风机设备基础混凝土外表面，延长其使用寿命。