干粉砂浆收缩性能及力学性能的研究

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干粉砂浆收缩性能及力学性能的研究

权刘权，李东旭

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京２１０００９）

以木质素纤维与膨胀剂掺入含有粉煤灰的水泥砂浆中，通过正交试验研究了不同掺量的木质素纤维、膨胀剂和粉煤灰摘要：

对干粉砂浆的流动性能、力学性能以及收缩性能的影响。同时探讨了氧化钙对粉煤灰水泥基自流平材料性能的影响。

干粉砂浆；木质素纤维；膨胀剂；氧化钙；力学性能；收缩关键词：

中图分类号：ＴＱ１７７．６文献标识码：Ａ文章编号：１００１－７０２Ｘ（２００７）０５－０００７－０３６

Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｒｙｐｏｗｄｅｒｍｏｒｔａｒ

ＬＩＤｏｎｇｘｕＱＵＡＮＬｉｕｑｕａｎ，

（ｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

０前言

物相对减少，水泥水化所形成的凝胶量也减少，从而导致干燥收缩率降低，使粉煤灰砂浆后期的收缩率较水泥砂浆低。膨胀剂是一种能与水泥或其它胶凝浆体反应，最终生成其它产物使体积增加的物质，它的主要功能在于掺入水泥基材料中起抗裂、防渗作用。膨胀剂在水泥水化，硬化过程中能使水化产物体积有适量膨胀，从而填充混凝土的部分空隙。本文研究以不同掺量的粉煤灰、膨胀剂和甲基羟乙基纤维素醚加入到普通干粉砂浆中，对其性能的影响，同时探讨氧化钙掺量对粉煤灰水泥基自流平材料性能的影响。水泥基材料在硬化过程中因毛细孔内水分的失去将造成构件宏观体积的收缩，主要有水分蒸发产生的干燥收缩和化学收缩引起的自生收缩，过大的收缩应力将使受限构件产生开裂，从而降低构件的力学性能和耐久性。在水泥砂浆和混凝土中掺入纤维［１－２］可以明显减少收缩所产生的裂纹，显著地提高水泥砂浆和混凝土的抗裂性能和耐久性，同时还有一定的增韧效果。目前，水泥砂浆和混凝土中应用和研究较多的纤维有尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚酯等［３－４］，但对于天然木质素纤维砂浆的研究和应用还相对较少。砂浆收缩过大会在体系内部产生收缩裂缝。尽管随着水泥水化作用的进行，能够对这类收缩裂缝产生愈合作用，但砂浆的这种“自愈”作用是有限的。已有许多关于粉煤灰砂浆和混凝土收缩性能的研究［５］。粉煤灰作为一种具有潜在水硬活性的混合材料，早期反应能力差，颗粒表面能较低，粉煤灰颗粒间的水分容易蒸发散失，从而引起干缩增大；到后期，粉煤（ＯＨ）灰在水泥水化释放出的碱性成分［主要为Ｃａ２］的激发下，发生所谓的二次水化，使砂浆ｐＨ值降低。一方面减少了碳化收缩，另一方面也使砂浆界面结构致密，失水量降低，干缩率下降；又由于粉煤灰取代水泥后，水泥用量减少，水泥水化产收稿日期：２００６－０６－２８

作者简介：权刘权，男，１９８２年生，硕士研究生。

１试验原材料

木质素纤维，长度约为２５０μｍ；硫铝酸钙膨胀剂；甲基羟乙基纤维素醚；原状粉煤灰在球磨机中粉磨，每次称取３０００ｇ粉煤灰与高温煅烧的脱硫石膏混合物进行粉磨１ｈ，过０．０８ｍｍ筛的筛余为０．４％；江南－小野田Ｐ・Ⅱ５２．５水泥；砂：细砂、特细砂；减水剂：木质素磺酸钙、萘系高效减水剂；氧化钙：化学纯，经粉磨后过０．０８ｍｍ筛筛余为０。２

２．１

试验分析

稠度及力学性能试验

采用正交试验法，选择膨胀剂、木质素和粉煤灰的掺量３个因素，但没有考虑各因素之间的交互作用。根据正交试验的要求和聚合物砂浆的有关理论，确定正交试验的因素及水平３见表１。按照Ｌ（安排试验方案，试验中膨胀剂与粉煤灰掺９３）量分别为等量取代水泥的量，木质素纤维的掺量为混合料干质量百分比。试验配合比及其性能测试结果见表２，方差分析ＮＥＷＢＵＩＬＤＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ・７・

权刘权，等：干粉砂浆收缩性能及力学性能的研究

结果见表３～表５。表１

水平１２３

膨胀剂的掺量／％

５１０１５

２．２

正交试验因素水平表

木质素纤维掺量／％

０．１０．３０．５

粉煤灰的掺量／％

２０３５５０

对浆稠度影响的分析

从表３可以看出，膨胀剂、木质素纤维与粉煤灰的掺量对干粉砂浆的稠度都有一定的影响。增加膨胀剂与粉煤灰的掺量，可以提高干粉砂浆的稠度，而增加木质素纤维的用量，则不利于砂浆稠度的提高。从表２试验结果可以直接看出，稠度最好的是试样Ｍ７，其粉煤灰与膨胀剂的掺量都最大，而木质素纤维掺量最小。粉煤灰加入砂浆中，对其稠度有一定的改善作用，原因是粉煤灰中含有许多球形玻璃微珠，而水泥颗粒是不规则的几何体，粉煤灰中的这些微珠在水泥颗粒间起到“滚珠”作用，减少了水泥颗粒间相对滑移的阻力，增加了砂浆的稠度。木质素纤维为短棒结构，长度约２５０μｍ，当与混合料搅拌时相互搭接，从而对砂浆的稠度产生不利的影响。干粉砂浆稠度的测试是在加水搅拌后很短的时间内完成，因此，对其稠度的影响主要在于组成材料物理结构上，而不应是化学方面的原因。加入到砂浆中的膨胀剂是一种细度很细的材料，当与其它材料混合搅拌时，膨胀剂将填充在水泥与粉煤灰颗粒之间，改善胶凝材料颗粒的级配，有利于干粉砂浆稠度的提高。２．３

对强度影响的分析

从表４可以看出，膨胀剂、木质素纤维与粉煤灰的掺量对砂浆中砂的用量为１４４３．７ｋｇ／ｍ３，水的用量为３００ｋｇ／ｍ３，并且加入适量的甲基羟乙基纤维素醚和木质素磺酸钙。表２

试样编号Ｍ１Ｍ２Ｍ３Ｍ４Ｍ５Ｍ６Ｍ７Ｍ８Ｍ９

３

Ｌ（配合比与测试结果９３）

膨胀剂木质素纤维粉煤灰

／ｋｇ／％／ｋｇ１２．０５１２．０５１２．０５２４．１０２４．１０２４．１０３６．１５３６．１５３６．１５

０．１０．２０．３０．１０．２０．３０．１０．２０．３

４８．２０１２０．５０８４．３５１２０．５０８４．３５４８．２０８４．３５４８．２０１２０．５０

稠度４８．５５３７．１６３８．１２６０．１２２９．８１５１．８４６５．５８４６．１８４９．９７

抗折强度抗压强度

／ＭＰａ／ＭＰａ４．３５３．２６４．１７２．５０３．６８３．７５２．７２３．１８２．７０

１９．６９１５．３８１８．４４１０．７５１５．５６１５．６９１１．２５１４．８８１０．３８

表３

试验项目膨胀剂掺量

ＳＳ２３９．６２８

稠度的方差分析

自由度２２２２８

ＭＳ１１９．８１４２３１２．６８００１９．９８９６５８．３９８７

Ｆ比２．０５１６６５．３５４２３０．３４２３０

显著性﹡﹡﹡

干粉砂浆的抗折强度都有一定的影响。从表５看出，对于抗压强度而言，膨胀剂是重要影响因素，粉煤灰是次重要影响因素。表２的测试结果表明，不论抗折还是抗压强度，试样Ｍ１的强度都最高。增加粉煤灰与膨胀剂的掺量对干粉砂浆的抗折强度与抗压强度都是不利的。膨胀剂与粉煤灰交互作用试验方差分析结果见表６。表６

膨胀剂与粉煤灰交互作用抗折强度方差分析

ＳＳ

自由度２２２１１８

ＭＳ０．８５０２１０．１４３６１０．７１７１４０．１９６３６０．００２４０

Ｆ比３５４．２５４６５９．８３７４２９８．８１０２８１．８１４８

显著性﹡﹡﹡﹡﹡﹡

木质素纤维掺量６２５．３６０粉煤灰掺量误差总和

３９．９７９１１６．７９７１０２１．７６５

注：﹡表示相对重要因素。下同。

表４

试验项目膨胀剂掺量

ＳＳ

抗折强度的方差分析

自由度２２２２８

ＭＳ０．８５０２１０．０９１９４０．７１７１４０．０９９３８

Ｆ比８．５５５３４０．９２５２０７．２１６３５

显著性﹡﹡﹡

膨胀剂掺量

１．７００４２

１．７００４２

木质素纤维掺量０．２８７２２粉煤灰掺量交互作用误差总和

１．４３４２９０．１９６３５０．００２４０３．５１７３６

木质素纤维掺量０．１８３８９粉煤灰掺量

误差总和

１．４３４２９０．１９８７６３．５１７３６

表５

试验项目膨胀剂掺量

ＳＳ

抗压强度的方差分析

自由度２２２２８

ＭＳ２５．０９００１１．４８４７４１６．１４１６８０．９１４０１

Ｆ比２７．４５０４４１．６２４４３１７．６６０２６

显著性﹡﹡﹡﹡

５０．１８００２

木质素纤维掺量２．９６９４９粉煤灰掺量误差总和

３２．２８３３６１．８２８０２８７．２６０８９

从表６可以看出，当考虑膨胀剂与粉煤灰掺量的交互作用时，膨胀剂与粉煤灰都成为重要的影响因素，并且两者之间的交互作用也是相对重要的影响因素，两者之间存在较优的配合比关系，能够共同作用于干粉砂浆的力学性能。由于加入干粉砂浆中的硫铝酸钙类膨胀剂中含有明矾石、石膏和另外几种材料，这些材料在与水泥中的硅酸钙水化反应过程中析出的Ｃａ（ＯＨ）生成水化硫铝酸钙。粉煤灰的活性２相互作用，效应也是由于粉煤灰中活性部分ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３与Ｃａ（ＯＨ）２发生注：﹡﹡表示重要影响因素。下同。

・８・

新型建筑材料２００７．５权刘权，等：干粉砂浆收缩性能及力学性能的研究

反应，生成硅铝酸钙。然而粉煤灰与膨胀剂对砂浆的作用都与水泥水化生成的Ｃａ（ＯＨ）试验增加粉煤灰与膨胀剂２有关系，的掺量就应减少水泥的用量，当它们的掺量达到一定的值时，将影响其性能的发挥。２．４干粉砂浆的干缩性能试验分析

试验采用２５ｍｍ×２５ｍｍ×２８０ｍｍ的模具，用电子比长仪测量不同龄期试样的长度变化，研究干粉砂浆的干缩性能。测１４、２１、２８ｄ的干缩率见表７。得掺木质纤维砂浆７、表７

试样

编号Ｍ１Ｍ２Ｍ３Ｍ４Ｍ５Ｍ６Ｍ７Ｍ８Ｍ９

木质素纤维也是对干粉砂浆１４ｄ收缩率的重要影响因素。木质素纤维被包裹在胶凝材料的水化产物中，通过纤维与胶凝材料的水化产物的粘结力来控制砂浆的收缩与膨胀。在砂浆中加入木质素纤维，不仅不会对干粉砂浆的强度产生大的不利影响，而且可以有效地控制干粉砂浆的收缩性能。３结论

（１）在配制干粉砂浆时，增加膨胀剂与粉煤灰的掺量可以提高砂浆的稠度，而增加木质素纤维的用量则不利于砂浆稠度的提高。（２）当粉煤灰与硫铝酸钙类膨胀剂共同加入到砂浆中时，不利于粉煤灰对砂浆后期强度的提高，同时膨胀剂对砂浆的微膨胀作用也会受到限制，因此，硫铝酸钙膨胀剂不适宜共同配制干粉砂浆。（３）在干粉砂浆中加入木质素纤维不仅不会对砂浆的强度产生大的不利影响，而且可以有效地控制砂浆的收缩性能。掺木质素纤维砂浆的干缩率

干缩率／×１０－４

７ｄ２．２９０．６４－０．７８０．２２０．４２１．４１２．６３２．２０－０．０５

１４ｄ２．３３－２．１５－１．３６－０．３８－０．７１２．４８０．２９２．２７－０．６９

２１ｄ１．５５０．７８－１．９８－１．８３０．５２２．３８０．２３２．１７－０．６０

２８ｄ３．１４１．２６－０．８６－１．４９－０．９１２．９００．２５２．５７０．０１

参考文献：

［１］

ＨｏｕｓｓａｍＡ，Ｔｏｕｔａｎｊｉ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｉｌｉｃａｆｕｍｅｅｘｐａｎｓｉｖｅ－ｃｅｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄ

对试样测试结果进行方差分析，发现对各龄期收缩率的影响因素是变化的。７ｄ试样的收缩率中，膨胀剂、木质素纤维与粉煤灰都是不太重要的影响因素，然而对１４ｄ试样的收缩这与这些材料加率，这３个影响因素都成为了重要影响因素。入砂浆中的作用机理有很大的关系。粉煤灰作为一种具有潜在水硬活性的混合材料，早期反应能力差，颗粒表面能较低，粉煤灰颗粒间的水分容易被蒸发散失，从而引起干缩增大，到后期，粉煤灰在水泥水化释放出的碱性成分［主要为Ｃａ（ＯＨ）发生所谓的二次水２］的激发下，化，使砂浆的ｐＨ值降低，这一方面减少了碳化收缩，另一方面也使砂浆界面结构致密，失水量降低，干缩率下降；又由于粉煤灰取代水泥后，水泥用量减少，水泥水化产物相对减少，所形成的凝胶量也减少，从而使掺粉煤灰的干粉砂浆的后期收缩率较普通干粉砂浆低。膨胀剂中的明矾石、石膏与水泥矿物及其水化产物反应，生成含水硫铝酸钙（钙矾石）而产生微膨胀。膨胀剂对干粉砂浆的膨胀作用与水泥水化的进程及水化产物的量有很大的关系，在早期水泥水化产物较少，膨胀剂对砂浆的作用没有表现出来。而后期水泥水化进行较为完全，没有太多的Ｃａ（ＯＨ）２产生，从而使得膨胀剂的作用受到削弱，从对干粉砂浆２８ｄ的收缩率进行方差分析可以看出，在这个龄期膨胀剂的掺量不是重要影响因素。１３：１７１－１７７．ＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９９，

［２］ＲａｍｉＨＨａｄｄａｄ，ＭｏｈａｍｍｅｄＭＳｍａｄｉ．Ｒｏｌｅｏｆｆｉｂｅｒｓｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ

ｕｎｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄａｒｒｅｓｔｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｉｎＰｏｒｔｌａｎｄｃｅ－ｍｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇａｌｋａｌｉ－ｓｉｌｉｃａｒｅａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔａｎｄ２００４，３４：１０３－１０８．ＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，

ＨｗａｎｇＳ，ＳｈｅｎＢＣ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎｙｌｏｎ－ａｎｄ［３］ＳｏｎｇＰＳ，

ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ－ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｓ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，２００５，３５：１５４６－１５５０．

［４］Ｚｈｅｎｇ．Ｚｈｉｈｏｎｇ，Ｆｅｌｄｍａｎ．Ｄｏｒｅｌ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎ－

２０（２）：１８５－２１０．ｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｐｏｌｙｍｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，１９９５，［５］

ＣｈｉｎｄａｐｒａｓｉｒｔＰ，ＨｏｍｗｕｔｔｉｗｏｎｇＳ，ＳｉｒｉｖｉｖａｔｎａｎｏｎＶ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｒｙｉｎｇｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｄｓｕｌｆａｔｅｒｅｓｉｓ－ｆｌｙａｓｈｆｉｎｅｎｅｓｓｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，

ｔａｎｃｅｏｆｂｌｅｎｄｅｄｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅ－ｓｅａｒｃｈ，２００４，３４：１０８７－１０９２．

!

\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"云南年产１０万ｔ高岭土生产线建成并试生产

由云南鑫鹏高岭土有限公司投资３０００万元开发建设的年产１０万ｔ高岭土自动化生产线，日前建成投入试生产。开发的高品质高岭土主要用于生产陶瓷、塑料、油漆、造纸等行业。

该公司通过开展技术攻关和反复工艺流程试验，于２００６年２月动工兴建，建成投产后预计年产值可达６０００万元。

（泽雁转）

ＮＥＷＢＵＩＬＤＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ・９・