海泡石纤维增强高石粉含量机制砂砂浆性能的研究

2022-04-20詹奇淇章家海王晓海项炳泉

硅酸盐通报 2022年3期

詹奇淇，章家海，王晓海，陈慧，项炳泉

(1.安徽省建筑科学研究设计院，合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，合肥 230031；3.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，合肥 230031)

0 引言

在我国工程建设规模日益增长的环境下，使用机制砂替代天然砂配制砂浆和混凝土有效解决了建筑用砂紧缺的问题，但机制砂中石粉含量过高时会破坏胶凝体系硬化后的紧密堆积结构，进而降低力学性能和耐久性[1]。此外,机制砂在生产过程中常使用水洗或风选收集的方式控制石粉含量，也增加了污水排放,淤泥堆积和生产能耗，对周边环境和能源供应造成极大的压力[2]。因此，改善高石粉含量下机制砂砂浆的力学性能和耐久性，扩大石粉的利用率具有重要的经济效益和社会效益。

目前，添加纤维是优化水泥制品性能的主要手段，可有效提高水泥制品的韧性，以达到良好的力学性能和耐久性[3]。亓松彬[4]使用玻璃纤维改善了水泥砂浆内部的孔隙率和孔结构，从而提高了水泥砂浆的密实度。何健辉等[5]在此基础上使用玻璃纤维有效抑制了水泥砂浆塑性收缩开裂，并发现纤维直径越小阻裂效果越明显。何顺爱等[6]在水泥砂浆中掺入不同掺量和不同尺度的玄武岩纤维，水泥砂浆孔隙率降低幅度最高为56.2%，抗折强度最大增长幅度为27.1%。王磊[7]通过外加适量聚丙烯纤维有效提高了水泥砂浆的抗折强度，但对抗压强度的影响不大，其中纤维掺量为1.2 kg/m3，长度为12～18 mm时，水泥砂浆的干燥收缩最小。刘明辉等[8]采用硫酸钙晶须与聚丙烯纤维进行对比分析，结果表明，机制砂中的石粉质量分数提高至15%时，硫酸钙晶须可显著提高试件的抗压强度和弹性模量，而相同条件下聚丙烯纤维的改性作用不明显。

基于上述研究发现，现有研究多集中于人造纤维，其中玻璃纤维生产过程中的塑料粉尘易致癌，聚丙烯纤维难降解，玄武岩纤维、碳纤维和硫酸钙晶须较为环保，但价格高昂。海泡石纤维作为一种理想的天然矿物纤维，主要成分为富镁硅酸盐，因特殊的层间结构使其比表面积远高于一般矿物，具有优异的性能，且价格低廉[9]。因此，本文采用海泡石纤维，通过力学试验、干燥收缩试验、热重分析(TG)、压汞测试(MIP)和微观试验(SEM)，系统研究了不同长度和掺量下海泡石纤维对高石粉含量机制砂砂浆性能的影响，并对微观结构进行分析。

1 实验

1.1 原材料

(1)水泥：巢湖海螺42.5级普通硅酸盐水泥，有关技术指标如表1所示。

表1 硅酸盐水泥的指标

(2)机制砂:中电建安徽长九新材料股份有限公司提供，主要成分为石灰岩，细度模数为3.1，Ⅱ区级配砂，堆积密度为1 463 kg/m3，紧密密度为1 720 kg/m3，表观密度为2 720 kg/m3，石粉含量为8.2%，泥块含量为2.2%，吸水率为0.8%，含水率为0.5%，压碎指标为23.4%，MB值(亚甲蓝值)为0.7，百分号均表示质量分数。

(3)石粉：取自长九公司干法制砂生产线，灰罐中储存的粒径小于0.075 mm的颗粒。

(4)粉煤灰：取自合肥东凯新型建材有限公司，Ⅱ级粉煤灰，需水量为104%，细度为24.55%，含水量为0.1%，烧失量为2.1%，百分号均为质量分数。

(5)减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产，聚羧酸高性能减水剂，固含量为14.6%，减水率为30%，百分号均为质量分数。

(6)海泡石纤维：分子式MgO[Si6O15]2(OH)4·12H2O[10]，由灵寿县百胜矿产品加工厂生产，体积质量为1 280 kg/m3，抗拉强度为219 kPa，弹性模量为6.403 MPa。海泡石纤维悬浮液(溶液质量分数ω=10%)pH值为9，比表面积为873 m2/g(厂家提供)，呈现出一种纤维状多孔的微观形态，见图1。

图1 海泡石纤维的微观形态

(7)拌和用水：实验室自来水。

1.2 试验配合比和试件制备

选用直径相同、长度不同的海泡石纤维进行试验，长度分别为1 mm、3 mm、5 mm，每种长度纤维的体积掺量均设置0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%五种水平，并与空白组进行对比分析。以质量计算，砂浆胶砂比1 ∶3，水胶比0.76，机制砂用量1 450 kg/m3，粉煤灰按水泥质量的20%进行取代。为保证浆体良好的工作性，在水泥质量的0.6%～1.8%之间调节减水剂外掺量。

石粉含量为机制砂中公称粒径小于80 μm且矿物组成和化学成分与被加工原岩相同的颗粒含量。当石粉含量过高时，尤其是泥粉存在时，会对水泥胶砂的力学性能和体积稳定性产生显著有害影响。《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)和《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)均规定机制砂中的石粉质量分数不应超过10%，较严格的质量标准进一步加剧了工程技术人员对高石粉含量机制砂产品的不认可，石粉含量的接受度需大量数据和试验佐证才能获得推广。在此背景下，试验配合比中机制砂中的石粉质量分数提高至20%。水泥砂浆配合比如表2所示。

表2 砂浆试验配合比

砂浆拌合物装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试模用于3 d、7 d和28 d抗压强度测试，剩余浆料装入40 mm×40 mm×160 mm试模用于28 d干燥收缩测试，收缩测试后试件用于28 d抗折强度测定。成型后用塑料薄膜覆盖试件浇筑面，以避免试件表面水分散失，并置于标准养护室内养护24 h后拆模。抗压强度待测试件置于温度20 ℃、相对湿度90%以上的环境中养护；干燥收缩待测试件置于温度20 ℃、相对湿度60%的自然干燥条件下进行养护。

1.3 测试方法

参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)测定试样的强度和自然干燥收缩值，并采用TG、MIP和SEM微观分析方法对干燥收缩试样的早期水化程度、物相和孔结构进行分析。

2 结果与讨论

2.1 海泡石纤维对砂浆力学性能的影响

图2为海泡石纤维不同长度和体积掺量下，机制砂砂浆3 d、7 d和28 d抗压强度的变化情况。由图2分析可得，纤维掺量和试件养护龄期对机制砂抗压强度的影响较为显著，纤维长度的影响相对不明显。同一掺量下，纤维长度的减小提高了试件抗压强度，当纤维体积掺量为1.5%，且长度从5 mm减至3 mm时，7 d抗压强度提高6.1%，长度从3 mm减至1 mm时，7 d抗压强度提高3.9%，变化幅度较小。同一长度下，纤维体积掺量在0%～1.5%时，掺量越高抗压强度越大，继续提高掺量，抗压强度降低，不同龄期抗压强度均在纤维体积掺量为1.5%时达到峰值。其中长度为1 mm的纤维掺量为1.5%时，3 d、7 d和28 d抗压强度与同龄期空白组试件相比分别提高60.8%、84.9%和98.9%，涨幅较大，且相较于3 d龄期抗压强度变化，纤维对7 d和28 d龄期抗压强度的影响更明显。

图2 纤维长度和掺量对抗压强度的影响

图3为海泡石纤维不同长度和掺量下，机制砂砂浆28 d抗折强度的变化情况。分析图3可得，在同一纤维掺量下，1 mm纤维试件抗折强度高于3 mm和5 mm纤维试件，且在拌制过程中发现3 mm和5 mm纤维较1 mm纤维易盘绕成团，抗折强度结果和拌制现象间接反映出短海泡石纤维在砂浆中的分散效果优于长海泡石纤维[11]。同一纤维长度时，28 d抗折强度随纤维在适宜体积掺量范围内的增加而提高，超过适宜范围，抗折强度降低。1 mm、3 mm和5 mm纤维的最优体积掺量分别为1.5%、0.5%和0.5%，对应抗折强度较空白组分别提高36.2%、5.8%和2.9%；纤维体积掺量提高至2.0%时，3 mm和5 mm纤维试件的抗折强度较空白组分别降低2.7%和9.0%，而1 mm纤维试件的抗折强度较空白组提高11.2%。

图3 纤维长度和掺量对抗折强度的影响

综合砂浆力学试验分析结果，短海泡石纤维在适宜掺量下可有效改善高石粉含量机制砂砂浆的力学性能，掺入过量的纤维不利于试件强度的发展；纤维掺量的变化对试件抗压强度的影响更为显著，而对抗折强度的影响较小。这是因为：海泡石纤维孔道内吸附的拌和用水以及自身的弱碱性有助于促进水泥的水化反应，相应水化产物的数量增加，砂浆硬化结构体系更为密实，试件抗压强度随之提高[12]；但海泡石纤维抗拉强度和弹性模量较小，当抗折试件底部出现裂缝时，横跨裂缝的纤维无法有效约束裂缝发展，试件破坏时的挠度提升较小，纤维和水泥砂浆复合体系仍属于脆性材料。

2.2 海泡石纤维对砂浆干燥收缩的影响

图4(a)为纤维体积掺量变化时，机制砂砂浆干燥收缩值的变化情况。从图中分析可得，空白组和纤维体积掺量小于1.0%的试件在测定周期内均呈收缩状态，纤维体积掺量大于等于1.0%的试件在0～5 d内出现膨胀现象，纤维组试件5 d内的膨胀现象可能与早期水化程度相关。图5为砂浆干燥收缩试件3 d龄期时的TG和DTG曲线，图中400～500 ℃内的热流变化主要为水泥水化产物氢氧化钙(CH)分解的吸热峰[13]。空白组、1.0%纤维体积掺量和2.0%纤维体积掺量的砂浆样品在400～500 ℃内的质量损失分别为0.51%、2.64%和6.31%，随着纤维体积掺量的增加，吸热峰强度和样品质量损失率提高，砂浆早期水化产物中的CH含量上升；有研究[14]表明水泥水化生成的CH含量与水泥水化程度成正比。在自然干燥条件下，纤维组试件早期水化程度的增强提高了水化硅酸钙(C-S-H)和CH的含量，其数量的增加是引起纤维组试件5 d内出现膨胀现象的主要原因。此外，海泡石纤维自身的比表面积远大于水泥颗粒，可有效约束水泥早期水化产生的毛细管压力，进一步降低砂浆早期的自收缩效应[15]。

图5 自然干燥条件下砂浆3 d龄期的TG和DTG曲线

同时，试验发现：纤维组试件在测定周期内的收缩值均小于空白组，且增长幅度较平缓；当长度为1 mm的纤维掺量为0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%时，试件28 d自然干燥收缩值相较于空白组分别降低34.9%、46.2%、50.1%、54.7%和72.1%，外掺海泡石纤维显著增强了高石粉含量机制砂砂浆的抗干燥收缩能力，纤维掺量越大改善越明显。这是由于砂浆主要在5～14 d失水，此时硬化胶凝体系内部的毛细孔因失水产生了不均匀的压应力，进而促进了砂浆的体积变形[16]。而在砂浆中复掺适量海泡石纤维后，一方面纤维具有良好的亲水性，可均匀分布于砂浆内部，形成一种三维承托体系，增强砂浆的结构稳定性[17]；另一方面，海泡石纤维因其特殊的层间结构而具有较大的吸附性，硬化前会吸收大量的拌和用水，硬化后随着胶凝体系内部吸附水的散失，纤维会释放内部的自由水，填充失水后的毛细孔，补偿毛细孔内部产生的压应力[18]，实现良好的自养护效应，并抵消砂浆内部因不均匀压应力所产生的收缩变形。

由图4(b)分析可得，相同掺量下，海泡石纤维长度对砂浆干燥收缩的改善情况不明显。纤维体积掺量为1.5%时，纤维长度为3 mm和5 mm的试件，其28 d干燥收缩值相较于1 mm时仅分别提高2.2%和5.0%。其他掺量下，纤维长度对干燥收缩的影响结果相似，长度的变化对干燥收缩的影响不显著。

图4 海泡石纤维掺量和长度对机制砂砂浆干燥收缩的影响

2.3 压汞法测定机制砂砂浆内部孔隙结构

图6和表3给出了长度为1 mm的纤维在不同体积掺量下，28 d龄期砂浆干燥收缩试件的压汞孔径分布情况。分析得出，纤维体积掺量为0%、0.5%、1.0%和1.5%时，砂浆的总孔隙率分别为28.40%、25.49%、23.98%和23.34%，总孔隙率与纤维体积掺量成反比。空白组试件内部的孔体积主要由孔径大于200 nm的多害孔组成，其体积占比为49.22%，高于纤维组试件；而纤维组试件内部的孔体积主要由孔径小于20 nm的无害孔组成，长度为1 mm的纤维体积掺量分别为0%、0.5%、1.0%和1.5%时，无害孔体积占比分别为10.81%、65.04%、78.16%和82.78%，且随着纤维体积掺量的提高，少害孔、有害孔和多害孔的数量下降。有研究[19]表明，孔径小于20 nm的孔属于凝胶内孔和凝胶微晶间孔，其数量与水泥基材料的抗压强度成正比，而孔径大于20 nm以上的孔多为过渡孔，其数量与抗压强度成反比。这说明海泡石纤维体积掺量的提高有利于砂浆内部孔结构向无害孔发展，从而提高砂浆的宏观抗压强度和体积稳定性。孔结构的变化规律与砂浆自然干燥养护过程中内部有效水灰比的变化相关，水化初期砂浆内部自由水含量大，与外界温湿度差值较高，易造成大量水分通过毛细孔蒸发，有效水灰比降低，砂浆孔结构劣化[20]；而海泡石纤维因其亲水性在砂浆拌和过程中可均匀分布于基体各处并吸附部分自由水，在有效水灰比降低时及时释放自由水，加速胶凝体系水化，并抑制砂浆内部少害孔、有害孔和多害孔的形成。

图6 1 mm纤维不同体积掺量下砂浆的孔径分布

表3 不同海泡石纤维体积掺量下试件的孔体积占比

2.4 海泡石纤维增强砂浆的微观特征

图7为空白组和长度为1 mm的纤维体积掺量为1.5%时试件的SEM照片。由图7(a)可看出，空白组试件的水化体系主要为絮状或胶凝态的C-S-H，有明显的孔状结构和散状颗粒物质，是一种典型的非匀质材料，试件一旦发生体积变形，易形成集中应力，不利于砂浆的强度和体积稳定性[21]。而图7(b)中纤维试件水化体系由大量针棒状钙矾石、片状CH晶体和C-S-H胶结组成，与空白组相比，整体更为致密，硬化结构的孔隙数量显著减少。图7(c)、(d)为纤维试件进一步放大的SEM照片，图中大量针棒状钙矾石和片状CH晶体相互堆叠并填充砂浆内部的有害孔，其形成后的体积膨胀是补偿收缩和降低有害孔数量占比的主要原因，彼此间相互穿插构成了较为稳定的网状结构，硬化结构体系的密实性和体积稳定性得到增强。这是由于胶凝材料初期的水化作用主要受结晶成核效应控制[22]，海泡石纤维因其结构特殊，可为水化过程的结晶聚团提供更多的成核质点；同时海泡石纤维较强的吸附作用易扰乱水化液相中的离子浓度，伴随着水化过程中成核生长的增多，将促进铝酸三钙(C3A)等活性物质表面结晶形成的胶凝态亚稳层溶解[23]，多种因素共同作用下缩短了胶凝体系水化反应诱导期，并促进纤维砂浆试件的水化，相应针棒状钙矾石、片状CH晶体和C-S-H含量增加。