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沈池清:矿渣微粉、高性能添加剂(HQ-20A)对干混抹灰砂浆的性能影响

中国散装水泥推广发展协会信息网  2021-01-26  来源:杭州汇强建材科技有限公司

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      水泥行业作为一个高能耗行业,国家在倒逼我们少用水泥或提高水泥利用率, 每年预拌砂浆生产企业都会遇到水泥价格暴涨和货源紧张这一问题,如何保证产品质量减少水泥用量本公司研发中心作了研究与同行进行探讨。

      预拌砂浆行业节约水泥的方法之一是建议用户少用高强度等级砂浆,经试验抹灰砂浆强度等级在M10以上抗压强度增加但其抗拉强度增加并不明显,其弹性模量与收缩显著增加,反而容易出现裂缝和空鼓。

      节约水泥的方法之二是利用部分高活性矿物掺合料取代水泥,如二级粉煤灰、矿渣微粉等,再加入高性能砂浆添加剂(HQ-20A),还能延缓砂浆的凝固、降低水化热,压制抹灰砂浆的裂缝产生,减少水泥用量。

      本研发中心针对节约水泥方法之二进行了研究试验:

      1、将矿粉掺入抹灰砂浆中,对砂浆性能影响如何;

      2、砂浆加水拌合后放置一段时间,对砂浆拌合物性能是否会造成影响。

      针对第一个问题:由于矿粉和粉煤灰含有同水泥成分相似的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等活性成分,具有常温下能与水泥水化产物发生二次水化反应的“火山灰效应”,同时其自身还兼有良好的“颗粒形态效应”及“微集料效应”,对水泥的水化产物结构产生一定影响。因此,在合理掺量内使用矿粉和粉煤灰掺入砂浆中替代部分水泥,一方面可以降低砂浆成本,另一方面可以改善砂浆各项性能。

      但在大部分文献的试验中,由于胶砂比为1:3,且只考虑砂浆强度因素,与实际砂浆生产的配比和应用存在较大出入,故指导意义大于实际应用意义。而本次研究,基于我公司实际抹灰砂浆生产配合比,在粉煤灰取代部分水泥的基础上再掺入矿粉等量取代水泥来研究砂浆的各项性能,试验结论对实际生产应用更具意义。

      针对第二个问题:砂浆拌合物放置一段时间后再次加水,与在干混砂浆拌合物现场加水一样,都是不被允许的。但是再次加水究竟会对砂浆拌合物硬化后产生什么影响,影响有多大,目前还没有文献可查阅,故本次对这一问题仅作初步研究, 研究放置二小时后再次加水对砂浆性能的影响。

      1 试验配合比

      本次试验中所用的水泥P.O42.5、矿粉GB/T18046S95、粉煤灰GB/T1596Ⅱ级,砂取公司贮存库(其中天然砂80%、再生细骨料20%,综合细度模数2.3),砂浆添加剂(HQ-20A,由杭州汇强建材科技有限公司研发),砂浆拌合用水为本公司实验室自来水。

      考虑到实际生产中的经济效益,矿粉在砂浆强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆中,掺量分别为胶凝材料的17%、27%及31%,矿粉和粉煤灰的总量分别为胶凝材料的66%、57%及52%。干混抹灰砂浆各组份用量见表1,用水量以砂浆拌合物稠度达到90mm~100mm为准,本次试验基准样与试验样采用固定加水量。

表1  各强度等级干混抹灰砂浆配合比


      2 试验结果

      总结现有的试验数据,我們发现,在已有粉煤灰取代部分水泥的基础上,掺入矿粉后对各强度等级干混抹灰砂浆的各项性能均有不同程度的影响。

      2.1矿粉对砂浆和易性及保塑性的影响

      矿粉的掺入有利于提高砂浆的和易性及保塑性,但对强度等级不同的抹灰砂浆影响程度也不一样。

      从和易性来看,矿粉的掺入能进一步提高强度等级为M5的抹灰砂浆拌合物的和易性;但是对强度等级为M10及M15的抹灰砂浆拌合物来说,掺与不掺矿粉的和易性基本一致。

      从保塑性来看,矿粉的掺入能进一步提高各强度等级抹灰砂浆拌合物的保塑性能,即能降低砂浆拌合物的2h稠度损失率。相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆拌合物的2h稠度损失率分别降低2.0%、6.4%及11.1%。

表2  矿粉对砂浆拌合物和易性及保塑性的影响



图1 矿粉对砂浆拌合物保塑性的影响

      2.2矿粉对砂浆保水性能及凝结时间的影响

      矿粉的掺入能提高各强度等级干混抹灰砂浆拌合物的保水性,但是会延长砂浆拌合物的凝结时间。

      从保水率来看,相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10 及M15的抹灰砂浆拌合物的保水率分别提高1.0%、1.0%及1.4%。

      从凝结时间来看,相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆拌合物的凝结时间分别增加0.5h、2.1h及1.7h。

表3  矿粉对砂浆拌合物保水性及凝结时间的影响



图2 矿粉对砂浆拌合物保水性能的影响


图3 矿粉对砂浆拌合物凝结时间的影响

      2.3矿粉对砂浆拉伸粘结强度和收缩率的影响

      矿粉的掺入降低了各强度等级干混抹灰砂浆的14d拉伸粘结强度,增加了28d收缩率。

      从14d拉伸粘结强度来看,相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆14d拉伸粘结强度分别降低0.08MPa、0.15 MPa及0.11MPa。

      从28d收缩率来看,相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆28d收缩率分别增加0.06%、0.13%及0.02%。

表4  矿粉对砂浆拌合物硬化后的性能影响



图4 矿粉对砂浆14d拉伸粘结强度的影响


图5 矿粉对砂浆28d收缩率的影响

      2.4矿粉对砂浆抗压强度的影响

      矿粉的掺入提高了各强度等级干混抹灰砂浆的28d和60d抗压强度。

      从28d抗压强度来看,相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后强度等级为M5、M10及M15的抹灰砂浆28d抗压强度分别增加3.3MPa、0.4MPa及1.4MPa。

      从60d抗压强度来看,掺入矿粉后强度等级为M5和M15的抹灰砂浆60d抗压强度依然高于不掺矿粉的砂浆。但是从强度增长率来看,与28d抗压强度作比较,掺矿粉的砂浆强度增长率低于不掺矿粉的。通常情况掺矿粉的砂浆后期强度增长高于不掺矿粉砂浆的强度增长,其原因是我们试验时采用相同水胶比,如果用砂浆稠度控制用水量,掺矿粉的砂浆用水量应小于不掺矿粉砂浆用水量,掺矿粉的砂浆强度增长率应该会更高。

表5 矿粉对砂浆拌合物硬化后的性能影响



图6 矿粉对砂浆28d抗压强度的影响


图7 矿粉对砂浆60d抗压强度的影响

      由于掺入矿粉后,水泥在水化时生成的氢氧化钙可激发矿粉的活性,并与矿粉中的活性组分互相作用,生成水化硅酸钙等水化产物,使水泥石的结构更加密实, 从而使砂浆强度提高。这也是矿粉与粉煤灰的“火山灰效应”即二次水化反应的相同之处。

      2.5矿粉对砂浆抗冻性能影响

      由于强度等级为M5及M15的抹灰砂浆试件,25次冻融循环试验还在进行,故本次仅探讨矿粉对强度等级为M10的抹灰砂浆的抗冻性能影响。

      矿粉的掺入降低了干混抹灰砂浆的抗冻性能。从表6中可知,虽然矿粉能提高砂浆的28d抗压强度,但是也增加了砂浆25次冻融循环后的强度损失率。相对于不掺矿粉的砂浆来说,掺入矿粉后砂浆经历25次冻融循环的强度损失率增加0.7%。

表6  矿粉对砂浆拌合物硬化后的性能影响


      矿粉掺入引起砂浆抗冻性能下降的原因,从硅酸盐矿物水化机理分析,一方面是由于矿粉的水化速度比水泥慢,另一方面是掺入矿粉后可以减少砂浆达到规定稠度所需的用水量。那么在相同水胶比的情况下,掺了矿粉的砂浆会有更多的水没有参与胶凝材料的水化,这一部分水就成为毛细孔空隙贮存可冻水,掺了矿粉的砂浆中可冻水多于未掺矿粉的砂浆,从而降低了砂浆的抗冻性能。而从微观上看,矿粉的掺入会使砂浆中的孔隙结构发生改变,具体改变过程还需进行其他试验验证。

      2.6砂浆拌合物再次加水对拌合物硬化后的性能影响

      不管有无掺入矿粉,在砂浆拌合物放置2h后,再次加水搅拌对砂浆的收缩和抗压强度均有不利影响。
从28d收缩率来看,再次加水拌合对强度等级低且不掺矿粉的砂浆影响更大。不掺矿粉的强度等级分别为M5、M10及M15的抹灰砂浆,2h后再次加水,其28d收缩率相对于不再加水的砂浆分别增加0.06%、0.04%及0.02%;而掺矿粉的强度等级分别为M5、M10及M15的抹灰砂浆,2h后再次加水,其28d收缩率相对于不再加水的砂浆分别增加0.04%、0.03%及0.01%。

      从28d抗压强度来看,再次加水拌合对强度等级高且不掺矿粉的砂浆影响更大。不掺矿粉的强度等级分别为M5、M10及M15的抹灰砂浆,2h后再次加水,其28d 抗压强度相对于不再加水的砂浆分别降低0.3MPa、0.4MPa及0.6MPa%;而掺矿粉的强度等级分别为M5、M10及M15的抹灰砂浆,2h后再次加水,其28d抗压强度相对于不再加水的砂浆分别降低0.2MPa、0.5MPa及0.3MPa。

      我们认为,上述问题主要是由于砂浆拌合物再次加水,一是导致水胶比变动而引起的。另一方面是胶凝材料加水二小时后已接近初凝,开始出现水化产物,硅酸三钙水化成氢氧化钙晶体遭到破坏,造成28天抗压强度下降,掺矿粉砂浆二小时后加水强度下降率低于不掺矿粉的砂浆,其原因是掺矿粉砂浆初期水化速度慢,是否还有其他原因,有待进一步的试验验证。

表7  拌合物再次加水对砂浆硬化后的性能影响



图8 拌合物再次加水对砂浆硬化后28d收缩率的影响


图9 拌合物再次加水对砂浆硬化后28d抗压强度的影响

      3结论与建议

      (1)矿粉有利于提高抹灰砂浆拌合物的和易性、保塑性(降低2h稠度损失率)及保水率,但是会延长砂浆拌合物的凝结时间,冬季适宜使用;

      (2)矿粉有利于提高抹灰砂浆的抗压强度,但降低14d拉伸粘结强度的原因是14天矿粉才开始水化,28天的拉伸粘结强度与不掺矿粉的砂浆基本接近;增加28d收缩率和冻融后强度损失率是采用固定水胶比的原因造成(在其他试验中已得到验证);

      (3)拌合物再次加水拌合,对强度等级较低砂浆影响较大,会降低砂浆的28d 抗压强度,增加抹灰砂浆的28d收缩率,但对掺入矿粉的砂浆影响较小。

      (4)由于矿粉会延长干混砂浆的凝结时间,降低水化热,预拌砂浆企业冬季不宜掺加,温度较高时适量掺入能预防抹灰砂浆的空鼓裂缝。

      (5)在水泥、矿渣微粉、粉煤灰、细骨料组成的砂浆体系中适量掺入高性能添加剂(HQ-20A),提高砂浆的工作性、延长可操作时间,提高施工效率,降低弹性模量,预防抹灰砂浆的空鼓裂缝,提高砂浆抗冻性能和耐久性。

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