偏高岭土/海泡石对水泥净浆工作性能与强度的影响

张博飞

(中铁十八局集团第五工程有限公司神华项目管理部，天津 300220)

硅酸盐类矿物或工业废弃物，如偏高岭土、粉煤灰及矿渣等，因具有一定的活性及特殊的物理性能，被广泛的应用在水泥基材料当中，一定程度上实现了水泥基材料的绿色高性能化。而海泡石是一种富含镁的纤维状硅酸盐粘土矿物，近年来，也受到水泥基材料研究者的关注；T. Kavas等[1]研究了海泡石纤维掺量对水泥强度的影响，并认为10%的海泡石纤维能够增强水泥基复合材料的强度，同时指出海泡石纤维在水泥基体中的搭接状态是影响最佳掺量的重要原因。S. Martinez-Rankirez等[2]的研究认为，海泡石对石灰砂浆强度影响不大，但可以降低砂浆的碳化速率。S. Andrejkovic ov等[3-4]研究显示，海泡石对掺高岭土的石灰砂浆的抗折强度有利，并发现海泡石的保水效果为其它活性物质提供了反应基础，使石灰砂浆的后期强度得到显著改善。He C[5]利用模拟水泥孔隙液，探究了海泡石在水泥基碱性条件下的作用情况；并对海泡石进行了煅烧改性，以化学铝收缩试验监测煅烧改性前后海泡石的反应速率，得出了改性海泡石的最佳煅烧温度及其在水泥砂浆中的强度发展情况。Gonzalo Mrmol等[6]将海泡石加入MgO-SiO2体系的纤维水泥中，结果表明，海泡石的加入可以促进MgO-SiO2体系水泥浆体的水化，同时海泡石的加入显著改善了纤维水泥的均匀性。胡亚敏等[7]以海泡石纤维、水泥、乳胶粉及硅微粉等为原料，获得了工作性及力学性能良好的修补砂浆。孙凯利等[8-9]系统研究了海泡石与粉煤灰对水泥砂浆的强度和耐久性的影响。偏高岭土在水泥基材料中的研究，相对成熟，其在水泥水化中与Ca(OH)2反应并使其含量大大减少，水化硅酸钙(C-S-H)的含量相应增多，生成板状晶体与絮凝状物质，并可以引起内部平均孔径的显著减少，孔结构比纯水泥净浆更优越。但关于海泡石与偏高岭土的研究还不多见，特别是对于新拌水泥基材料的性能影响，还很少报道，是否二者的协同作用会提高水泥基材料的综合性能，还有待研究。正因如此，本文开展关于偏高岭土与海泡石对水泥净浆强度等性能与微结构的影响的综合研究。

1 原材料的物理性能及化学组成

1.1 原材料

本试验采用的是强度等级为42.5的P.I基准水泥，主要物理性能指标见表1，化学组成见表2；偏高岭土和海泡石的主要化学组成见表2。减水剂采用2T-CAG6型号的萘系高效减水剂。

表1 P.I 42.5水泥物理性能指标

表2 P.I 42.5水泥、偏高领土和海泡石的化学组成 %

1.2 配合比

经过前期研究，目前所采用的配合比见表3。

表3 试验配合比 g

2 试验方法

2.1 水泥净浆流动度试验

水泥净浆流动性试验参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2012)执行。在搅拌过程中，采用手控程序，慢速搅拌120 s，停止15 s，同时将搅拌锅锅壁的胶材用刮刀刮下，再高速转动120 s。搅拌停止后，将拌好的水泥净浆迅速注入已经用湿抹布擦好并放在水平玻璃板上的水泥净浆流动度试模中，用刮刀刮平，将水泥净浆流动度试模垂直方向提起，同时用秒表记录水泥净浆在玻璃板上流动时间至30 s，用直尺测量互相垂直且两个直径最大值的平均值作为水泥净浆的流动度。

2.2 水泥净浆标准稠度、凝结时间试验

水泥净浆标准稠度、凝结时间试验参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2011)标准进行。本试验主要测定复掺海泡石与偏高岭土对水泥净浆性能的影响，主要包括标准稠度用水量与初凝、终凝时间。

2.3 水泥净浆强度试验

本项试验主要以测定不同复掺比例的海泡石与偏高岭土在不同龄期下对水泥净浆强度的影响为目的，并探究海泡石与偏高岭土对水泥净浆强度影响的发展规律。

按照配合比称取原料，用搅拌锅按照标准将原料制成浆体，立即将水泥浆体装入试验试模。模具尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，成型3组，每组6个试块，24 h后对其拆模编号，再将其置于标准养护箱(温度为20±1℃，相对湿度不小于90%)中，养护至预先制定的三种龄期(3 d、7 d和28 d)后应用试验压力机测量其抗压强度，记录数据并分析得到海泡石与偏高岭土复掺的最佳比例掺量。

3 结果与讨论

水泥净浆的原料为:42.5强度等级的P.I基准水泥，偏高岭土与海泡石。偏高岭土采用内掺方法替代水泥，选取0、10%、20%、30%、40%等五个掺量；海泡石采用外掺，掺量依次为0、5%、10%、15%、20%。通过均匀试验法，探究不同配比海泡石和偏高岭土的掺入对水泥净浆基本性能的影响。试验中，所有组的水灰比均为0.4。

3.1 扩展度特征

取水泥净浆的流动度为基准，扩展度为120 mm×120 mm，向其他不同配比的水泥净浆中掺入外加剂，当其达到相同于基准组的扩展度时，记录相应的减水剂的掺加量。

从图1中可以看出：当海泡石掺量一定时，向其中掺加偏高岭土后，随着偏高岭土掺量的增加，使其达到基准组的扩展度所需要的减水剂不断增加，且在单位变量中，同组中增加的趋势在逐渐减小，即整个增长的过程总体上呈一种减缓的趋势。图2中可以看出：当偏高岭土的掺量一定时，向其中掺加海泡石，随着海泡石的掺量增加，掺加的减水剂的量也在不断地增大，以满足相同要求的扩展度。在海泡石掺量为10%之前，减水剂的增加呈一种平缓的趋势；在10%之后，减水剂用量显著增加。

图1 海泡石掺量对减水剂掺量的影响

图2 偏高岭土掺量对减水剂掺量的影响

由此可以分析出，随着掺加海泡石与偏高岭土的掺量不断增加，其相应的水泥净浆的扩展度在不断减小，需要更多的减水剂来达到基准组的扩展度。对于掺加的偏高岭土的水泥净浆，由于偏高岭土加入后与水发生反应，减少体系中自由水的量；其次，其特有的片层状结构和粒径小的特点，不具有“微滚珠”效应，其对水与减水剂分子的吸附能力大于硅酸盐水泥，因此作用于整个水泥净浆体系中减水剂的量就随着偏高岭土含量的增多而增加[10]。海泡石呈纤维状管状，对于水有极强的吸附性，自由水进一步减少，因此分散作用会比较弱，进而扩展度会减小，需要更多的减水剂；其次，海泡石对于浆体中的微颗粒吸附阻止其相对自由的运用，纤维间相互交错阻拦，进而带动着水泥与偏高岭土颗粒的运动迟滞。综合两者的原因，随着两者的掺量不断增加，因此需要更多的减水剂，让浆体中有更多的自由水来分散润滑，让浆体有更大的扩展度[11]。

3.2 水泥净浆粘度特征

表4中只列出了部分配比的水泥净浆的粘度值，在实际水泥净浆制备中，随着海泡石与偏高岭土的掺加量不断增大，浆体不断变稠、变粘，并逐渐不能形成视觉上的浆体，部分粘度太大，仪器无法测出，粘度也无法准确测量，以下只列出能测出粘度值的水泥净浆相关数据。

表4 部分水泥净浆粘度及塑性屈服强度

表4中可以看出随着海泡石掺量的增加，水泥净浆的粘度在逐渐增大，由于偏高岭土特殊的结构及较大的比表面积，需水量显著增加；另一方面海泡石成纤维状，其加入对于水的需求也逐渐增大，偏高岭土与海泡石的效应叠加，导致水泥净浆中的自由水减少，分散润滑作用减弱，同时纤维结构比较密集，粘度增长呈曲线状态发展，导致很大部分配比的水泥净浆粘度太大[12]。

3.3 对标准稠度用水量的影响

海泡石与偏高岭土在不同掺量下，水泥浆体的标准稠度用水量如图3和图4所示。

图3 海泡石掺量对标准稠度用水量的影响

图4 偏高岭土掺量对标准稠度用水量的影响

从图3中看出：当海泡石掺量一定时，标准稠度用水量随着偏高岭土的掺量增大而增大。从整体上看，当掺加量不超过20%时，标准稠度用水量增加的比较平缓；在20%及以后会有较大幅度的增加。从图4中看出：当偏高岭土掺量一定时，水泥净浆的标准稠度需水量随着海泡石的掺量增大而变大，海泡石掺量为10%时为一个标志点，在该掺量下前后会有截然不同的变化。从图3、图4中的曲线变化趋势上看，当另一变量一定时，偏高岭土的标准稠度用水量的变化率比海泡石小。

3.4 对水泥净浆凝结时间的影响

海泡石与偏高岭土在不同掺量下的凝结时间如图5和图6所示。

图5 海泡石掺量对水泥净浆初凝时间的影响

图6 海泡石掺量对水泥净浆终凝时间的影响

在图5和图6两图中，从横向上看，随着海泡石的掺量的增加，水泥净浆的初凝时间与终凝时间都在不断增加，并呈曲线增加，初始的增长趋势比较平缓，但是在海泡石掺量为10%后开始迅速增加；在纵向上看，随着偏高岭土掺量的增加，水泥净浆的凝结时间也在不断增加中，当掺量为0～20%时，其初凝时间与终凝时间的变化相差不大，但是在20%之后的变化就比较增长明显。

3.5 对水泥净浆强度的影响

3.5.1 单掺海泡石的影响

单掺海泡石的水泥净浆试块的抗压强度数值如图7所示，在试验中偏高岭土的掺量为0。

从图7中可以看出，随着海泡石掺量的增加，同龄期下水泥净浆试块的抗压强度在不断增长，但增长的趋势在不断减缓。

图7 单掺海泡石对水泥净浆抗压强度的影响

分析其原因，掺入海泡石后，由于其几乎不发生水化反应，还是保持一种纤维状态存在，在水泥的水化过程中，生成的水化硅酸钙(C-S-H)与钙矾石等胶凝物质会黏连附着在海泡石的表面甚至会形成包裹，比较好的促进微集料效应，在一定程度上促进了水泥净浆试块的抗压强度，同时海泡石的加入由于其较强的吸附特性，会将一部分水吸附于海泡石内部，一定程度上减小了水灰比，提高了其强度；但当海泡石的掺量过高时，单位体积中的胶凝材料减少，海泡石的含量升高，水泥水化生成的胶凝性物质相应的逐渐减少，反应速率也相对较慢，海泡石所占据得空间比重比较大，对水泥净浆的强度起到微弱的作用，因此，在后期中强度增长比较缓慢[13]。

3.5.2 单掺偏高岭土的影响

单掺偏高岭土的水泥净浆试块的抗压强度数值如图8所示，试验中海泡石的掺量为0。

图8 单掺偏高岭土对水泥净浆抗压强度的影响

从图8中可以看出，当偏高岭土掺量为10%时，其7 d、28 d的水泥净浆试块抗压强度比同龄期的基准组水泥都有不同程度的增长，而3 d有适度的下降；当掺量大于10%后，各龄期的强度都在不同程度的降低；在纵向上看3 d、7 d强度发展比较缓慢，而28 d的强度发展比较快。

分析其原因，偏高岭土的火山灰活性比较低，在水泥水化早期进程中水化速度比水泥的慢，自由水的相对含量比较高，抑制了水泥的凝结硬化，因此在3 d的龄期中比基准组水泥净浆强度偏低。在后期水化进程中偏高岭土的水化程度增大，与水泥水化生成的CH反应生成具有水硬性的物质；由于偏高岭土颗粒比水泥颗粒小，原料及其产物有效的填充在水泥颗粒及其产物的空隙中，生成填充效应，密实度更加提高，抗压强度因此有增加；其次，反应的同时CH的减少促进了水泥水化反应向正向进行，降低了水泥净浆体系中碱的量，再加上偏高岭土表面的成核效应，水泥水化的部分组分在偏高岭土表面形核生长，共同促进了水泥的水化，因此在大龄期的成长中强度会有增加。随着偏高岭土取代水泥的掺量逐渐增大，水泥用量在不断减少，其产生具有凝结强度的物质在不断减少，偏高岭土不具有水硬性，因此在相同龄期下随着偏高岭土掺量增加其强度在不断减小[14]。

3.5.3 海泡石和偏高岭土复掺的影响

不同掺量配比下的水泥净浆试块的抗压强度数值如图9所示。

图9 偏高岭土不同掺量对水泥净浆抗压强度的影响

从图9中可以看出在偏高岭土掺量为定值时，同龄期的水泥净浆试件的抗压强度在海泡石掺量较少时明显增长；后期掺量增加时，试件的抗压强度有不同的减少或者是增加。在纵向上比较，当海泡石的掺量一定时，随着偏高岭土的掺入增加，其强度逐渐减少。

究其原因，在宏观上，由于偏高岭土与海泡石的需水量比较大，随着掺量的不断增加，在搅拌过程中逐渐形成半固体，流动性很差，在振捣密实过程中密实状态很差，因此导致试块抗压强度在掺量不同时有不同程度的增大与降低。在微观上，一是由于偏高岭土的火山灰活性与外貌形态，较低的掺量对于试块抗压强度有增强作用，而较大的掺量影响水泥水化的进程，对强度有不利影响；其次是海泡石掺量较少时，其相应的纤维结构会增加水泥净浆的强度，结合偏高岭土的微集料效应更好的促进强度的发展；掺量增加时，拌和水量的相应比例减少，海泡石纤维在水泥净浆中分布不均匀且占据较大的体积空间，因此掺量较大时试件强度会有不同程度的增加与减少。

3.6 水化产物的SEM分析

为了更加直接的探究在不同海泡石与偏高岭土掺量下，水泥净浆水化3 d、7 d和28 d等不同龄期下的水化产物组成，采用SEM分析在不同条件下水泥净浆水化的微观形貌，具体SEM图见图10。

从图10(b)中可以看出，单掺10%海泡石的水泥净浆水化过程中的水化产物附着在海泡石的纤维上，其水化产物的“密集度”不如基准组的水泥；图10(c)中单掺偏高岭土空间更为密实，无明显孔隙，原因是颗粒较小的偏高岭土及其水化产物填充在颗粒较大的水泥颗粒中间，微观结构更为密实，但Ca(OH)2晶体明显减少[15]；图10(d)为复掺海泡石与偏高岭土的水泥净浆微观形貌，在海泡石与偏高岭土的相互作用下，密实度更高。偏高岭土的密实作用与海泡石纤维的被附着连接，且后期水化程度变高，使得孔隙更加小[16]。

图10 不同配比的水泥净浆28 d的SEM图

4 结论

(1)在水泥净浆的基本性能试验中，复掺海泡石与偏高岭土时，随着二者的掺量不断增大，其标准稠度用水量、凝结时间在不断增大；扩展度在减小，同时达到基准组的扩展度所需要的减水剂在不断增加；粘度随着二者的掺量增加而急剧增大。

(2)在水泥净浆的强度试验中，其强度随着偏高岭土的掺量先增加后降低，随着海泡石的掺量增加而升高，当偏高岭土掺量10%、海泡石掺量为20%时其强度达到复掺最佳值。

(3)在水泥净浆水化的微观试验中，复掺海泡石与偏高岭土有助于提高水泥净浆的密实程度。