沸石细度及掺量对水泥性能影响研究

2023-12-11王敬宇高阳阳何昌毓徐宁

中国建材科技 2023年5期

王敬宇，高阳阳，何昌毓，徐宁

（1.建筑材料工业技术监督研究中心硫（铁）铝酸盐水泥重点实验室，北京 100024；2.中国建筑材料科学研究总院有限公司绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

0 引言

天然沸石是我国常见的火山灰材料，沉积广泛，储量丰富，开采加工简易。我国已发现沸石矿床或矿点400多处，已探明储量超过100亿吨。天然沸石无需煅烧，粉磨后可直接掺入水泥中替代水泥。因此，沸石应用于水泥混凝土不仅节约成本，更是符合低碳战略的优质辅助性低碳材料[1]。近年来，关于天然沸石应用于混凝土的研究越来越深入，结果表明，在实际工程中用一定量的沸石取代水泥制备砂浆及混凝土，不仅节约水泥，降低施工成本及碳排放，还能改善砂浆性能[2]。

沸石含有大量活性的Al2O3,SiO2，由硅-氧和铝-氧四面体构成三维骨架[3-4]，构造式如图1所示。由于沸石骨架结构中充满开放性孔道，有很大的比表面积，且不同种类沸石有不同但确定的内部通道尺寸，这些都被水分子填充[3]，会对工作性有一定影响。Ahmadi B和Shekarchi M[5]将天然沸石粉作为一种水泥基材料加入混凝土中，结果表明沸石有火山灰性，且混凝土性能得到加强。Vejmelkova E等[6]研究发现，沸石粉取代率10%为最佳比例，在这个界限下，混凝土的各项性能均得到加强。国内关于沸石的研究也较多。沸石掺量在0%～10%时，沸石粉填充在水泥颗粒之间，可增大胶凝材料的密实度，改善水泥浆体内部结构，提高流动性[7]。当沸石粉掺量大于10%时，水泥浆体流动性随沸石粉掺量增加而降低[8]。一方面，沸石内部充满开放性的孔穴和通道，自然状态下可吸收大量拌合用水储存在内部空间，导致拌合用水减少，大幅降低水泥浆体的流动性，另一方面，沸石掺入水泥后导致胶凝材料整体比表面积增加，单位表面积胶凝材料的平均水量减小，使得水泥浆体流动性显著降低。温梦丹等[9]测试了沸石粉掺量在0%～15%时水泥砂浆的流动度，结果表明流动度随沸石掺量先增加后减小。沸石对力学性能也有一定影响。据现有研究，混凝土抗压强度随沸石掺量增加总体呈先增加后下降趋势，抗压强度在掺量为5%～15%时最大[10-12]。

图1 硅-氧和铝-氧四面体构造式[7]Fig.1 Structural formula of silicon oxygen and aluminum oxygen tetrahedra[7]

综上，沸石有着广泛的应用前景。但是，前述研究仅针对沸石作为掺合料对流动性及强度的影响，而细度与矿物活性有很强的关联性，本文从细度入手，研究不同细度沸石作为混合材对水泥砂浆强度的影响，并采用XRD、TG-DSC等测试手段对硬化体进行表征，探究沸石细度对反应活性的影响。

1 试验

1.1 原材料

基准水泥。矿物XRD图谱见图2。细度D50为8.69μm，D90为29.82μm。

图2 基准水泥XRD图谱Fig.2 XRD pattern of reference cement

粗沸石：产地金华。矿物XRD图谱见图3。细度D50为7μm，D90为40.89μm。

图3 沸石XRD图谱Fig.3 XRD pattern of zeolite

细沸石：产地金华。矿物XRD图谱见图3。细度D50为2.62μm，D90为13.35μm。

1.2 试验方法

1）砂浆流动性测试按GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行。

2）砂浆强度测试按GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法》进行。

3）净浆X射线衍射分析。将不同龄期终止水化净浆碎块置于无水乙醇中，用玛瑙研钵研磨至无颗粒感。采用岛津XRD-6100型X射线衍射仪进行物相分析。铜靶，石墨单色器，管压40kV，电流100mA，扫描速率4(°)/min。

4）热重分析。采用美国TA Instruments Q600同步热分析仪对试样进行TG-DSC分析。温度范围30～1000℃，升温速率10℃/min，环境气体为氮气。

2 结果与分析

2.1 掺粗沸石的试样力学性能

图4、图5为粗沸石不同掺量下3d、7d、28d的抗折强度与抗压强度。沸石不同掺量对抗折强度、抗压强度的影响不同。随着沸石掺量的增加，砂浆3d、7d、28d抗折强度和抗压强度均有下降。从抗折强度来看，15%以下的掺量对3d、28d强度的影响不大，掺量超过15%后，强度迅速下降，7d强度变化与3d、28d趋势相同，但是速率不同，掺入10%后强度会迅速下降，后随着掺量增加，强度下降均匀。从抗压强度来看，随着掺量增加，3d、7d、28d强度均呈线性下降，掺入40%后28d强度为39.03MPa，仅为空白强度的68.03%。

图4 抗折强度Fig.4 Flexural strength

图5 抗压强度Fig.5 Compressive strength

2.2 掺细沸石的试样力学性能

图6、图7为细沸石不同掺量下3d、7d、28d的抗折强度与抗压强度。沸石不同掺量对抗折强度、抗压强度的影响不同。随着沸石掺量增加，砂浆3d、7d抗折强度和抗压强度均下降，28d抗折强度和抗压强度则先上升后下降。沸石掺量为10%时，28d抗折强度最高，为9.0MPa，相较空白样提高6.6%。从28d抗压强度看，沸石掺量20%时出现最大值59.5MPa，相较空白样提高6.1%，而沸石掺量40%时仍能达到46.1MPa，相较空白样下降17.7%。

图6 抗折强度Fig.6 Flexural strength

图7 抗压强度Fig.7 Compressive strength

2.3 掺不同细度沸石的流动度分析

图8为不同细度沸石不同掺量下的砂浆流动度。随着沸石掺量增加，砂浆流动度逐渐下降，流动度与掺量大致为线性关系，沸石掺量为40%时，砂浆流动度为120mm，实际已无流动性。相同掺量下，粗沸石与细沸石对砂浆的流动度影响无显著差别。

图8 不同细度沸石下的试样流动度Fig.8 Sample fluidity with different fineness of zeolites

2.4 掺不同细度沸石的XRD分析

图9为不同细度沸石不同掺量下的28d XRD图谱。沸石细度及掺量不会对反应产生影响。由图9可知，水化产物主要仍为钙矾石及氢氧化钙。从XRD峰值高度来看，28d时细沸石的水化产物氢氧化钙峰高要高于粗沸石，说明此时掺入细沸石试样的水化产物要明显多于粗沸石试样，这是因为细沸石的比表面积大，反应活性提高，促进了水泥水化反应以及沸石自身的反应速率，提高了水泥的水化程度。