水泥基自流平砂浆的制备及其性能_张树鹏_李东旭

1、第32卷第1期V o l .32N o .1材料科学与工程学报J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e &E n g i n e e r i n g 总第147期F e b.2014文章编号:1673-2812(201401-0058-06水泥基自流平砂浆的制备及其性能张树鹏,李东旭(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009【摘要】利用细水泥、U E A 膨胀剂以及其他化学添加剂的复配,制备了一种水泥基自流平砂浆。研究了细水泥、矿渣粉以及U E A 膨胀剂的掺量对水泥基自流平材料的力学性能、流动性与收缩性的影响,并用

2、X R D 、S E M 方法对其水化产物和硬化浆体微观结构进行了表征。结果表明,该种水泥基自流平材料具有早强、低收缩的特点,流动度150m m 、1d 抗压强度大于20M P a 、28d 抗压强度达到60M P a 、收缩率0.01%。【关键词】细水泥;U E A 膨胀剂;力学性能;收缩性能;钙矾石中图分类号:T Q 177.6文献标识码:AP r e p a r a t i o n a n d P r o p e r t i e s o f C e m e n t -b a s e d S e l f -l e v e l i n g M o r t a r Z H A N G S h

3、u -p e n g ,L I D o n g-x u (C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,N a n j i n g 210009,C h i n a 【A b s t r a c t 】B y c o m p o u n d i n g f i n e c e m e n t ,U E A (U -t y p e e x p a n s i v e a

4、g e n t a n d s o m e ch e mi c a l a d d i t i v e s ,a t y p e o f c e m e n t -b a s e d s e l f -l e v e l i n g m o r t a r w a s p r e p a r e d .T h e e f f e c t s o f f i n e c e m e n t ,h e a v y c a l c i u m p o w d e r ,s l a g p o w d e r a n d U E A o n t h e p e r f o r m a n c e o

5、f t h e s e l f -l e v e l i n g m o r t a r w e r e s t u d i e d b y m e a s u r i n gi t s m e c h a n i c a l p r o p e r t y ,s h r i n k a g e a n d f l u i d i t y .T h e m i c r o s t r u c t u r e s o f h y d r a t e d p r o d u c t s w i t h d i f f e r e n t b i n d e r s a n d h a r d e

6、n e d p a s t e s w e r e i n v e s t i g a t e d b y X -r a y d i f f r a c t o m e t r y (X R D a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y (S E M .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c e m e n t -b a s e d s e lf -l e v e l i ng m o r t a rh a s t h e f o l l o wi n g f e a t

7、u r e s :a c c e l e r a t i n g s t r e n g t h e n i n g (c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a t a c u r i n g a g e o f 1d a yi s o v e r 20M P a a n d a t 28d a y s i s o v e r 60M P a ,h i g h -f l u i d i t y (i n i t i a l f l u i d i t y i s o v e r 150m m a n d f l u i d i t y a f t e r

8、20m i n i s 150m m ,a n d l o w s h r i n k a g e (s h r i n k i n g p e r c e n t a g e a t a c u r i n g a g e o f 28d a y s i s l e s s t h a n 0.01%.【K e y w o r d s 】f i n e c e m e n t ;U E A (U -t y p e e x p a n s i v e a g e n t ;m e c h a n i c a l p r o p e r t y ;s h r i n k a g e p e r

9、f o r m a n c e ;e t t r i n gi t e 收稿日期:2013-07-04;修订日期:2013-11-18基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011B A E 14B 06,江苏省新型环保重点实验室开放课题资助项目(A E 201007作者简介:张树鹏(1989-,男,硕士研究生,主要从事自流平材料的制备及性能研究。E -m a i l :s u p o m 008163.c o m 。通讯作者:李东旭,男,博士生导师,主要从事环境协调性胶凝材料等方面的研究。E -m a i l :d o n g x u l i n ju t .e d u .c n 。

10、1引言水泥基自流平砂浆是以水泥为主要胶凝材料,加入骨料如石英砂和粉状填料并使用各种化学添加剂进行改性,通过生产工艺混合均匀成为一种粉状产品。目前国内生产的水泥基自流平材料存在早期强度低,表面粉化严重等问题1,为满足水泥基自流平砂浆的早强、低收缩的特殊要求,国内外配置的水泥基自流平砂浆所用的胶凝体系主要有以下两种:以普通硅酸盐水泥为主,辅以铝酸盐水泥和石膏;以铝酸盐水泥为主,辅以硅酸盐水泥和石膏2。由于铝酸盐水泥价格昂贵,配置出的自流平砂浆成本高,使得建筑工程中大面积使用成本造价较高,用户难以接受。将普通硅酸盐水泥粉磨至细水泥,一方面能够使其早期水化速度加快从而能够提高其早期强度,另一方面可以大

11、大降低自流平砂浆成本。同时为了解决普通硅酸盐水泥的收缩性的问题,本文采用以普通硅酸盐水泥为主,辅以细水泥和U E A膨胀剂的胶凝体系制备了水泥基自流平砂浆,研究了细水泥、重钙粉、矿渣粉以及U E A膨胀剂的掺量对水泥基自流平材料的力学性能、流动性及收缩性的影响。2实验2.1原材料(1水泥:江苏天山水泥集团有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥以及磨细至比表面积大约为550600m2/k g的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。(2填料:浙江长兴辉煌建材有限公司生产的重钙粉;马鞍山海螺水泥有限责任公司生产的高炉矿渣,经烘干、粉磨至比表面为350m2/k g。(3骨料:浙江长兴辉煌建材有限公司生

12、产的石英砂,目数分别为5070目和70120目。(4化学外加剂:S U N B OP C-1016聚羧酸高效减水剂;E l o t e xF L OWK I T3210可再分散乳胶粉;B e r m o c o l lE230x(低粘度羟乙基纤维素醚;P823粉磨消泡剂;苏州市建筑科学研究院有限公司生产的U E A混凝土膨胀剂。2.2配方组成及样品制备实验所制备的水泥基自流平砂浆的组成及配比见表1,添加剂按胶凝材料、骨料及填料总量的质量百分比添加,拌合水按干粉砂浆成品的总重添加。在涂刷好界面剂的硅钙板(15c m×15c m表面摊铺35m m 厚的砂浆作为样品,以观察其流平性能和硬化

13、后的表面性状。其他试样的制备和性能测试,见试验方法。表1自流平砂浆的组成及配比T a b l e1C o m p o n e n t sa n dp r o p o r t i o n so fS L M/%C o m p o n e n tR a wm a t e r i a lP e r c e n t a g e/w/%B i n d e rP o r t l a n dc e m e n t24F i n ec e m e n t810A g g r e g a t eC o a r s es a n d30F i n es a n d20M i n e r a lf i l l e

14、rC a l c i u mc a r b o n a t e10S l a gp o w d e r5S t r e n g t he n h a n c e rR e d i s p e r s i b l ep o l y m e rp o w d e r0.60.8R h e o l o g ym o d i f i e rS u p e r p l a s t i c i z e r0.20.4H P M C0.010.02P8230.1E x p a n s i v ea g e n tU E A06M i x i n gw a t e rW a t e r18212.3试验方法试

15、验按照J C/T985-2005地面用水泥基自流平砂浆行业标准规定执行。自流平砂浆时间成型、强度测试参照标准G B/T17671。3结果分析与讨论3.1细水泥掺量对自流平砂浆性能的影响本次试验主要研究细水泥掺量对自流平砂浆性能的影响。对自流平材料的初始流动度、20m i n流动度、1d抗折和抗压强度以及28d抗折和抗压强度进行测试。配合比和试验结果如表2,固定其他因素不变(30%粗砂骨料、20%细砂骨料、15%重钙粉填料、0.7%可再分散乳胶粉、0.3%超塑化剂及0.2的水料比。表2掺细水泥自流平材料的配比和性能测试结果T a b l e2P r o p o r t i o na n dt e

16、 s tr e s u l t so fS L Mc o n t a i n i n gf i n ec e m e n tN o.C e m e n t/%F i n ec e m e n t/%F l u i d i t y/m m20m i nf l u i d i t y/m mF l e x u r a ls t r e n g t h(1d/M P aC o m p r e s s i v es t r e n g t h(1d/M P aF l e x u r a ls t r e n g t h(28d/M P aC o m p r e s s i v es t r e n g

17、 t h(28d/M P 012.79.845.0 23551501454.816.99.648.6 330101501506.424.510.552.0 425151551505.921.610.149.4 520201501455.720.49.549.2 615251501455.320.69.348.6从表2可以看出:细水泥在自流平材料中的掺量对其早期力学性能有一定的影响。在流动度方面,掺加细水泥的自流平砂浆要明显小于未掺加的自流平砂浆,随着细水泥掺量的增大,自流平砂浆的流动度变化不大,流动度损失大约在5m m内。按照化学反应动力学的一般原理,在其他条件不变的

18、情况下,反应物参与反应的比表面积愈大,其反应速度就愈快,即水泥水化速度与水泥本身颗粒大小有关系。水泥经粉磨后比·95·第32卷第1期张树鹏,等.水泥基自流平砂浆的制备及其性能表面积增大,水泥颗粒与水能够充分接触使得水泥的水化速度变快,加速了水泥水化物的产生,加速胶凝体系的凝聚速率导致了浆体粘度增加,这也是掺加细水泥的自流平砂浆流动度要明显小于未掺加的自流平砂浆的原因。从图1与图2可以看出:掺量在10%之前自流平材料的1d抗折和抗压强度是随着细水泥掺量的增加而增加的,说明一定掺量的细水泥可以有效地增加自流平材料的早期力学性能;但是当掺量在10%之后自流平材料的1d抗折和抗压强

19、度随着细水泥掺量的增加而降低,这是因为水泥磨细后,比表面增大,使得水泥颗粒参与水化反应所需的用水量会相应增加,当在同一水料比的条件下,随着细水泥图1细水泥掺量对抗折强度的影响F i g.1E f f e c t so ff i n ec e m e n to nf l e x u r a ls t r e n g t ho fS L M s 颗粒的增加导致部分水泥颗粒与水不能完全接触,水泥早期水化产物生成较慢从而产生早期强度略显下降的趋势。图中可以发现,自流平材料28d力学性能变化趋势反而相对平缓,这是因为随着水泥比表面积的增大,水泥早期强度的这种提升只是把应在后期增长的强度提早到前期,对水泥

20、后期的强度影响较小,细水泥的掺量为10%时,自流平砂浆的各方面性能都较好 。图2细水泥掺量对抗压强度的影响F i g.2E f f e c t so ff i n ec e m e n to nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fS L M s3.2矿渣粉掺量对自流平砂浆性能的影响本次试验配合比和测试结果如表3所示。细水泥的掺量为10%,固定其他因素不变(30%粗砂骨料、20%细砂骨料、0.7%可再分散乳胶粉、0.3%超塑化剂及0.2的水料比。表3掺矿渣粉自流平材料的配比和性能测试结果T a b l e3P r o p o r t i o na n d

21、t e s tr e s u l t so fS L Mc o n t a i n i n gs l a gp o w d e rN o.C e m e n t/%F i n ec e m e n t/%S l a gp o w d e r/%F l u i d i t y/m m20m i nf l u i d i t y/m mF l e x u r a ls t r e n g t h(1d/M P aC o m p r e s s i v es t r e n g t h(1d/M P aF l e x u r a ls t r e n g t h(28d/M P aC o m p r

22、 e s s i v es t r e n g t h(28d/M P a1251051551355.821.98.149.7 22010101501356.224.17.750.6 31510151501306.326.18.959.5 41010201451356.927.89.059.5 5510251501307.329.410.059.1从表3可以看出:当增加矿渣粉的掺量时,初始流动度影响不大,20m i n流动度与初始流动度相比,流动度经时损失较大。同时,自流平材料的力学性能随着矿渣粉掺量的提高而显著增加。从图3和图4可以发现:自流平砂浆的抗折强度和抗压强度都随着矿渣粉掺量的增加而

23、显著提升。普通细度的矿渣粉加入水泥砂浆后,可以很好地分散水泥的凝聚结构,从而增加水泥颗粒的水化空间,扩大水泥水化产物生成的场所,有利于提升自流平浆体的早期强度。在水泥水化的中后期,水泥水化产物C a (O H2的不断生成,矿渣逐渐发挥活性,生成更多的水化硅酸钙凝胶填充浆体内部空隙,很好地改善了孔结构,从而使得自流平砂浆的结构更加致密,这也是自流平砂浆后期强度随着矿渣掺量的增加而提升的原因。3.3U E A膨胀剂掺量对自流平砂浆性能的影响本次试验所用的膨胀剂是苏州市建筑科学研究院有限公司生产的U E A混凝土膨胀剂,主要成分含有·6·材料科学与工程学报2014年2月 图3矿渣

24、掺量对自流平材料抗折强度的影响F i g .3E f f e c t s o f s l a g p o w d e r o n f l e x u r a l s t r e n g t h o f S L M s 图4矿渣掺量对自流平材料抗压强度的影响F i g .4E f f e c t s o f s l a g p o w d e r o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f S L M s 硅铝酸盐熟料、明矾石以及石膏,属于U 型高效膨胀剂即U E A -H 膨胀剂。该种膨胀剂的特点为含碱量低,等量替代水泥时不影响强度。在混凝土中掺

25、入水泥量的10%12%即可补偿混凝土的收缩,提高其抗裂能力3。本次试验配合比和测试结果如表4所示。U E A 膨胀剂以内掺的方式加入到自流平砂浆里,固定其他因素不变(30%粗砂骨料、20%细砂骨料、15%重钙粉填料、0.7%可再分散乳胶粉、0.3%超塑化剂及0.2的水料比。从表4可以看出:随着U E A 膨胀剂的水泥替代量的增加,自流平砂浆的初始流动度变化不大,20m i n 流动度与初始流动度相比,流动度经时损失有增大的趋势,在掺量为5.5%时最为明显。在自流平材料力学性能方面,U E A 膨胀剂对其影响不大。图5为自流平砂浆在1d 、3d 以及28d 的收缩率,由图可知水泥基自流平砂浆在水

26、化过程中存在不同程度的体积收缩,没有内掺U E A 的水泥基自流平砂浆则表现得尤为明显。对比图5中的收缩率值可以看出内掺了U E A 膨胀剂的自流平砂浆的收缩得到了明显改善,自流平材料的收缩率控制在-0.05%0.05%之内。从流动度,强度以及收缩性能来看,表4中掺量为3%的自流平材料配比较为合理。表4掺U E A 自流平材料的配比和性能测试结果T a b l e 4P r o p o r t i o n a n d t e s t r e s u l t s o f S L M c o n t a i n i n g U E A N o .C e m e n t /%F i n e c e

27、m e n t/%U E A /%F l u i d i t y /m m 20m i n f l u i d i t y /m m F l e x u r a l s t r e n g t h (1d /M P a C o m p r e s s i v e s t r e n g t h (1d /M P a F l e x u r a l s t r e n g t h (28d /M P a C o m p r e s s i v e s t r e n g t h (28d /M P a U 1301001501506.424.510.552.0U 228931501506.324

28、.411.651.2U 327.39.13.61501456.123.611.051.0U 426.88.94.31501406.223.911.352.2U 526.38.84.91501356.122.510.651.8U 625.98.65.51451306.024.510.954.83.4胶凝体系水化产物的X R D 分析对自流平材料早期阶段的水化产物进行X R D 分析,结果见图6。从图中可见掺有U E A 膨胀剂的胶凝体系在早期水化过程中生成了大量膨胀性的钙矾石(A F t ,并随着U E A 掺量的增加,钙矾石X R D 衍射峰随之变得明显。而未掺U E A 膨胀剂的U 1胶凝体

29、系虽然也生成了钙矾石,但是其X R D 衍射峰不如其他几组明显,这也是其收缩性能不如其他几组的原因。U E A 膨胀剂里的硅铝酸盐熟料主要由高岭石、伊利石、蒙脱石、方解石等组成,其中高岭石(A l 2O 3·2S i O 2·2H 2O 是有一层硅氧四面体和一层铝氧八面体层构成的11型的层状硅铝酸盐矿物,经高温煅烧后,脱出羟基,原子间发生较大的错位,形成结晶度很差的偏高岭石以及无定形的活性A l 2O 3和S i O 2。在C a O 、C a S O 4和水的条件下,这些活性组分与它们发生反应,生成膨胀性水化产物5:A l 2O 3+3C a O+3C a S O 4+3

30、2H 2O 3C a O ·A l 2O 3·3C a S O 4·32H 2O (1A l 2O 3+4C a O+13H 2O 4C a O ·A l 2O 3·13H 2O (2x S i O 2+C a O+y H 2O C a O ·x S i O 2·y H 2O (3·16·第32卷第1期张树鹏,等.水泥基自流平砂浆的制备及其性能 图5U E A 膨胀剂对自流平砂浆收缩率的影响F i g .5E f f e c t s o f U E A o n s h r i n k i n g p e

31、r c e n t a g e o f S L M s 图6胶凝体系水化3d 的X R D 图谱F i g .6X R D p a t t e r n s o f c e m e n a t i o n s ys t e m s 水泥浆体水化过程中,活性A l 2O 3水化生成大量钙矾石,产生体积膨胀,活性S i O 2在石膏的激发下可与C a (O H 2进行水化反应,生成水化硅酸钙,提供强度保障。而U E A 膨胀剂内的明矾石多在碱和硫酸盐激发下,按下式反应6:2K A l 3(S O 43(O H 6+13C a (O H 2+5C a S O 4+78H 2O 3(C 3A ·

32、;3C a S O 4·32H 2O +2K O H (4所以钙矾石和C -S -H 凝胶的形成是互相促进的,使得水泥强度和收缩性能能够协调发展。另外,由于U E A 消耗了C a (O H 2,加速了水泥水化反应从而导致浆体黏度增加,使得流动度经时损失随着U E A 掺量的增大而增加7。对于水化产物的分析从微观上揭示了表4和图5的试验结果。3.5胶凝体系水化产物的S E M 分析图7为胶凝体系水化3d 的S E M 照片。从图中可以观察到,未掺U E A 膨胀剂的U 1胶凝体系内出现了一些细小裂纹,放大后可见一些细小针状A F t 晶体,但这些A F t 晶体还不足以填补那些细小裂

33、缝,从微观上解释了U 1配比的自流平材料早期收缩较大的原因。在掺有U E A 膨胀剂的U 2胶凝体系内也同样可以观察到大量的细小针状A F t 晶体,以及板状、凝胶状水化产物,由于这些大量的A F t 晶体和凝胶的包裹、填充使得自流平材料结构变得非常致密,减少了细小裂纹的产生 。图7胶凝体系水化3d 的S E M 照片(a 配比U 1(×1000;(b 配比U 2(×1000;(c 配比U 1(×10000;(d 配比U 2(×8000F i g .7S E M i m a g e s o f c e m e n t a t i o n s ys t e m s ·26·材料科学与工程学报2014年2月第 卷第 期 张树鹏 ， 等 水泥基自流平砂浆的制备及其性能 · · 掺加重钙粉与矿渣粉两种填料制备自流平砂浆 重钙粉的主要成 分 是 碳 酸 钙 ， 作为填料加入水泥 基自流平材料中可以增加材料的流动度 ， 降低水化热 ， 减小收缩 。 矿渣是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的 熔融物 ， 具有较高的潜在活性 ， 磨细后的矿渣粉可以作 为砂浆的填料以及混 凝 土 的 独 立 组 分 ， 能改善强度和 。 耐久性 强度以及收缩 性 能 较 好 ， 最终得出配方 组水泥基 自流平材料在流动度 、 强度