硅灰石粉对水泥基砂浆力学性能影响的研究

硅灰石粉对水泥基砂浆力学性能影响的研究

摘要：基于硅灰石胶砂活性指数试验的基础上，对硅灰石一水泥砂浆抗折强度、抗压强度、抗冲击性能和弹性模量等力学性能进行了系统研究。结果表明，硅灰石胶砂抗压活性指数为67%。通过XRD分析表明，在胶砂后期水化过程中，硅灰石粉参与水化反应，特征峰强度有所降Di；与基准砂浆性能对比，在抗压强度相同前提下，硅灰石粉能提高砂浆抗折强度、抗冲击性能和弹性模量，并降Di试件荷载变形。通过SEM分析表明，硅灰石颗粒表面生成水化产物并与水泥浆体形成致密的连生体，该结构对砂浆起到了显著的微筋增强作用；且当掺量达到或超过25%时，硅灰石粉在浆体中形成三维网络骨架。

A b stract:based on the aaivity index experiment ofwollastonite paste,the paper makes a systematic studyon the mechanical properties of wollastonite-cement mortar such as flexural strength,compressive strength,shock resistance and elasticity modulus.According to the re-sults,the compressive actMty index of wollastonite powder is 67%.The XRD analysis indicates that in the later hydration process of mor-tar,wollastonite powder takes part in the hydration reaction,whose characteristic peak strength drops somewhat;compared with the perfor-mance ofreference mortar,under the premise of same cmpressive strength,wollastorute powder can enhance the flexural strength,shockresistance and the elasticity modulus ofthe mortar while reduce reduce the load deformation,The SEM analysis indicates that wollastonitepowder generates hydration products at the surface and forms compact interlocked mass with cement mortar.The structure has a distinctiveeffect of micro-fiber reinforcement on the mortar;besides,when the amount of admixture reaches or exceeds 25%,wollastorute powderwillform 3D network framework in the paste.K ey w o rd s:wollastonite;actMty index;micro-fiber reinforcement;elasticity modulus:shock resistance

引言

硅灰石是一种天然链状偏硅酸盐矿物，结构式为Ca3(Si30)。在硅灰石结晶结构中，S104骨架链和Ca06八面体柱形成的复合单链成为硅灰石结晶结构的基本单元。这种特殊晶体结构决定了其性质，当其粉碎成细小颗粒时，仍保持针状形态。由于具有独特的粉体纤维性能，高长径比硅灰石粉(15～20:1)已广泛应用于涂料、塑料、橡胶、冶金和耐火材料等行业中，用以提高材料硬度、弯曲强度和撞击阻力，以及提高材料热稳定性，增强抗腐蚀型和提高耐磨性。而硅灰石在水泥混凝土中的研究开始于20世纪90年代，起步较晚，更鲜有工程应用。我国是硅灰石资源相当丰富的国Jia，目前已在十多个省、区发现了硅灰石矿床。如何合理开发资源，充Fen开发硅灰石矿物应用领域，具有重要的意义。

鉴于国内鲜有关于硅灰石粉作为水泥基复合材料掺合料的研究，笔者研究了硅灰石粉作为活性混合材的可行性，并系统研究了硅灰石粉对水泥基材料抗压强度、抗折强度、弹性模量、抗冲击性能等力学性能的影响，通过XRD、SEM等微观测试手段，对硅灰石粉活性及其对水泥基材料力学性能影响的机理进行了分析。

1试验

1.1试验原材料

试验采用亚东水泥厂生产的P.0 42.5级水泥，其性能指标如表l所示；粉煤灰为湖北麻城火电厂生产的I级粉煤灰，其体积平均粒径为12.0 p4m，密度为2.58g/Cm3;硅灰为艾肯牌硅灰，密度为2.28g/Cm3;细骨料所用的石英粉，其细度为100目，细骨料所用的石英砂为ISO标准砂；硅灰石粉为江西盛泰化工有限公司生产，其基本物理性能如表2所示，化学成分如表3所示，形貌为针棒状。减水剂为中建新型建材厂生产的聚羧酸减水剂，固含量为20%，减水率为23%。

1.2试验配合比

硅灰石粉水泥基砂浆材料配合比如表4所示：胶凝材料由水泥、粉煤灰、硅灰按7:2:1的质量比组成，砂胶比为0.3，试验采用的水灰比为0.2。硅灰石粉等质量取代胶凝材料的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%掺入；通过外加剂掺量的调整，控制砂浆扩展度在(180±l0)mm。

1.3试验方法

首先，将水泥、粉煤灰、硅灰和石英砂称好后，倒入搅拌机内搅拌1 min，使其混合均匀。加入配合比中设定用水量，加入部分掺量减水剂，控制砂浆扩展度达到(180±10)mm

范围。然后，将称量好的硅灰石粉倒入搅拌机内，搅拌3 min左右，直Zhi硅灰石粉均匀分散后，加入剩余掺量的减水剂，调整砂浆工作性能测试，控制砂浆跳桌扩展度在(180±l0)mm

范围。

成型40 mmx40 mmx160 mm菱形试件．测试胶砂抗压强度和抗折强度：成型10 mmxl00 mmx400 mm薄板试件，测试砂浆弹性模量：成型咖100 mmx50 mm圆饼试件，测试胶砂抗冲击性能。

将灌满砂浆的试模置于砂浆标准养护箱中，养护24 h后拆模：拆模后，试件置于砂浆标准养护箱中进行水养，Zhi28d龄期。

2试验结果及分析

2.1硅灰石粉胶砂活性

根据GB 1596-2005中粉煤灰活性指数试验方法，对硅灰石粉的活性指数进行了测试。其中，对比胶砂配合比为450g水泥，1 350 gISO标准砂，225 mL水；试验胶砂硅灰石粉取代30%水泥质量，即315 g水泥，125 g硅灰石粉，1 350 g ISO标准砂，225 mL水。分别按GB/T 17671规定进行搅拌、成型和养护。试件养护Zhi28 d，测试两组水泥胶砂抗压强度比值，以检验硅灰石粉的活性。

试验硅灰石粉28 d抗折28 d抗压强28 d抗压28 d抗压强编号掺量腻强度/MPa折比值／%强度／MPa度比值／%由试验结果可知，一方面，试验胶砂与对比胶砂28 d抗压强度比值，即硅灰石粉活性指数为67%，满足国标GB 2847-2005中活性混合材定义的技术要求（水泥胶砂28 d强度比≥65%）。因此，硅灰石粉，可充当混凝土中的活性混合材使用。另一方面，试验胶砂与对比胶砂28d抗折强度比值为85%，远大于28 d抗压强度比值。表明相同抗压强度试件，掺入硅灰石粉，极有可能大幅度提高试件的抗折强度。

将7、28d龄期试验胶砂破碎后，去除颗粒砂，磨细水泥浆体。不同龄期试验胶砂水泥浆体及硅灰石粉进行XRD微观测试，测试结果如图2所示。由图2可知，从7d到28d龄期，随着水化进程的发展，试验胶砂中的硅灰石粉特征峰相对强度有一定的减弱。再结合硅灰石粉胶砂活性达到67%，可推断出，硅灰石粉参与了水泥水化反应。同时，在水化后期仍可以测试到明Xian的硅灰石粉特征峰，说明水化反应只能部分地消耗硅灰石粉，水泥浆体中仍然含有大量的硅灰石粉。

2.2硅灰石粉掺量对水泥基砂浆材料基本力学性能和工作性能影响新拌砂浆外加剂掺量与硅灰石粉掺量关系，如图3所示。在保证砂浆扩展度均为(180±10)mm情况下，随着硅灰石粉体积掺量的增加，砂浆初始扩展度在一定范围所需的外加剂掺量逐渐增加，即砂浆初始扩展度随硅灰石粉体积掺量增加而呈下降趋势。一方面本试验所选硅灰石粉与水泥相比密度低，取代等质量水泥后，体系比表面积增加，需水量增加，使得浆体黏度增加：另一方面硅灰石粉针状颗粒形态会增大了浆体内阻，导致砂浆扩展度下降，这种影响随硅灰石粉增加而愈发显著。

掺量关系曲线。当硅灰石粉掺量为10%—30%时，试件抗折强度均有所提高。其中，抗折强度随硅灰石粉掺量的增加而逐步提高，当硅灰石粉掺量达到30%时，提高幅度达到了18.7%。掺入硅灰石粉，可以有效改善水泥基砂浆的抗折强度；同时，在掺入硅灰石粉后，砂浆试件抗压强度相比较低水胶比体系的基准砂浆试件，变化幅度在5 MPa内，影响并不明Xian。

通过对掺硅灰石粉砂浆试件进行SEM微观测试可以发现，在水化后期，硅灰石粉能在水泥砂浆中形成连续网状分布，如图5所示。这种连续分布的网状结构，在水泥基硅灰石粉形成的连续网状骨架材料中起到加筋作用。在受到外力的情况下，纤维状晶体具有防止水泥胶砂试件微细裂纹发展和阻裂作用，具有Ji械增强功能。

2.3硅灰石粉对水泥基砂浆抗冲击性能的影响材料所承受的冲击荷载可以分为机械冲击和爆破冲击两种。材料抗机械冲击性能是在反复冲击荷载作用下，材料吸收动能的能力。尽管有文献对混凝土或砂浆用冲击性能测试设备进行了描述，但迄今为止国内外对材料的冲击试验尚无统一的方法，在冲击荷载的施加方式上有落锤试验和摆锤试验等。本试验采用落锤冲击砂浆圆板试验，采用自制测试设备，落锤质量为2.31 kg，自由下落高度为800 mm。试验记录砂浆试件破坏时的冲击次数，即当试件膨胀Zhi与设备底部的四块挡板中的任意三块接触时的冲击次数。试验中，冲击次数Ⅳ为三个试块的平均值，掺硅灰石粉砂浆试件与基准试件破坏时的冲击次数比值记为Cjy：

分别为试件的高度和直径，本试验试件高度和直径分别为5 cm和10 cm。图6落锤式混凝土抗冲击测试设备表6硅灰石粉掺量对砂浆材料抗冲击性能试验从表6可知，随着硅灰石粉的掺入，砂浆试件破坏时冲击次数大幅上升，说明硅灰石粉在砂浆中能够较好地吸收冲击能量，从而提高试件的抗冲击能力：当硅灰石粉质量掺量为0^_5%或超过25%时，破坏时冲击次数N随硅灰石粉掺量增加而提高的速度较慢；而当硅灰石粉质量掺量为5%~25%时，破坏时冲击次数N随硅灰石粉掺量增加而提高的速度**。这是由于质量掺量小于5%时，硅灰石粉在水泥浆体中的分布较少，当受到冲击荷载时。

不含或只有极少量硅灰石粉分布的局部浆体**开裂，因此，试件抗冲击性能提高相对有限；当掺量为5%-25%时，随着掺量增加，硅灰石粉的网络骨架逐渐形成，吸收冲击荷(a)试验前的Al试件

(d)冲击Po坏后的Al试件

载的能力提高幅度**；当掺量超过25%E~P络骨架形成时，再增加硅灰石粉掺量，试件吸收冲击荷载的能力增幅明Xian下降。

(b)冲击10次的A4试件

(c)冲击30次的A7试件

(c)冲击Po坏后的A4试件

(f)冲击Po坏后k1A7试件

图7砂浆试件28 d龄期时抗冲击试验

从图中可以看出，在吸收冲击力时，掺入硅灰石粉的试件表面，出现类似纤维增强砂浆受冲击后多层剥落的现象：Al试件在4次冲击后破坏，表面在铁锤冲击处出现了一个约2-3 mm深的浅坑；而A4试件中硅灰石粉掺量达到15%，抗冲击性能明Xian提高，在冲击10次后，铁锤冲击下表面出现一个明Xian深坑，在冲击21次后破坏，坑深约为7 mm;A7试件中硅灰石粉掺量达到30%，抗冲击性能进一步提高，在冲击39次后破坏时，坑深约为6 mm。

2.4硅灰石粉对水泥基砂浆材料弹性模量的影响弹性模量反映水泥基复合材料所受应力与所产生的应变质检的关系，是对其进行力学性能分析和结构设计所必须的重要参数。本试验采用三点弯曲法测试28 d龄期砂浆薄板试件(16 mmxl00 mmx400 mm)的荷载一挠度曲线，采用位移控制加载，加载速率为1 mm/min，下支点间距为

图8砂浆薄板试件的荷载一挠度测试

测得试件的弹性模量、**力值、**位移、抗弯强度，结果见表7。

表7砂浆试件的荷载一扰度测试结果

由表7可知：砂浆试件弹性模量的大小，与硅灰石粉掺量有着直接的关系：砂浆试件弹性模量随着硅灰石粉掺量的增加而提高；当硅灰石粉掺量由O提高到30%时，试件28 d弹性模量由20.62 GPa提高到了37.24 GPa；砂浆试件**荷载应力与弹性模量成正比，试件挠度变形（即**位移）与弹性模量成反比。可见，增加硅灰石粉，可提高水泥基砂浆材料的弹性模量，有利于提高材料刚度和降Di荷载形变。

3结论

(1）硅灰石粉可以作为水泥基复合材料的活性混合村，其28 d水泥胶砂活性能够达到67%。在水泥基胶凝材料体系中，硅灰石粉参与水化反应，但水化后期仍然存在较多的硅灰石晶体。

(2)硅灰石粉在掺量为0～30%时，对砂浆抗压强度无明Xian影响；硅灰石粉的掺入，可以有效改善水泥基砂浆的抗折强度，表明在此范围，砂浆抗折强度随硅灰石粉掺量的增加而逐步提高。当硅灰石粉掺量为25%时，硅灰石粉在水泥浆体中形成网络状微筋骨架。当硅灰石粉掺量达到30%时，砂浆试件28 d抗折强度达到15.7 MPa。

(3)硅灰石粉能够有效改善水泥基砂浆材料的抗冲击性能。随硅灰石粉量的增加，砂浆试件抗冲击荷载次数提高。当硅灰石粉掺量达到30%时，砂浆试件28 d抗冲击荷载次数基准砂浆试件的7.4倍。

(4)掺入硅灰石粉有利于提高水泥基砂浆材料的刚度以及降Di荷载形变。随硅灰石粉量的增加，砂浆试件弹性模量逐渐提高，试件**荷载应力随之增大，挠度形变随之减小。当硅灰石粉掺量由0增加到30%时，砂浆试件28 d弹性模量由20.62xl03MPa提高到37.24x103MPa。