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1 绪论1.1干粉砂浆的发展现状1.1.1干粉砂浆的应用与发展建筑砂浆广泛用于砌筑、粉刷、地面找平等工程领域，目前我国建筑砂浆年需1215亿吨1。传统砂浆一般都在施工现场拌制，砂浆抗渗性差、收缩值大，是粉刷开裂、起壳、渗漏等建筑质量通病发生的薄弱环节2。同时，现场非准确计量配制砂浆不可避免地造成资源浪费和环境污染。另外，随着人们生活水平的提高，现场拌制砂浆也无法满足品种多样的需求。因此，为保证建筑工程质量得到全面控制，商品砂浆得以诞生，按产品形式可分为预拌砂浆和干粉砂浆两类。干粉砂浆又称为干混砂浆，是商品砂浆中的一种，它是由专业生产厂家生产的、经干燥筛分处理的细集料与无机增稠材料、矿物掺合料和外加剂按一定比例混合而成的一种颗粒状或粉状混合物，用袋装或散装的形式运到建筑工地，加水拌和后就可直接使用的建筑砂浆3。干粉砂浆，相较现场拌制的传统砂浆，无论从节约投资、提高工程质量，还是减少环境污染和施工现场占有量等方面都具有优越性，必将成为建筑砂浆的发展方向。1.1.2 干粉砂浆目前存在的问题我国从20世纪80年代就开始研究引进干粉砂浆技术，进入21世纪以来，干粉砂浆已经进入一个飞速发展的时期，并且已形成一定的规模，但仍然存在着如下问题： 水泥用量大且能耗大水泥是建筑砂浆主要胶凝材料，据统计我国约有25%-40%的水泥用于配制建筑砂浆4。生产硅酸盐水泥不仅要耗用大量的矿物资源和能源，每生产1吨水泥还将产生约1.2吨二氧化碳废气，导致严重的环境污染5。 干粉砂浆成本较高干粉砂浆的集料需要经过干燥筛分处理，保水增稠剂多为纤维素醚类有机外加剂，其价格较传统石灰膏等要高很多；另外干粉砂浆需要用一定工艺设备混合和生产，设备投资较大。因此成本较高是影响干粉砂浆推广应用的最大阻力之一6。 水泥和保水型外加剂的使用存在着浪费在工程应用中通常在砂浆中加入纤维素醚类外加剂可使得砂浆的保水性能得到改善，但也会在砂浆中产生引气效果，降低砂浆的强度；然而为了提高砂浆的强度，往往又需加大水泥用量，纯水泥砂浆保水性能较差，为此又通过掺入纤维素醚来改善砂浆的保水性能，由此便产生了一个恶性循环，导致纤维素醚和水泥的用量均过多，存在浪费现象。1.1.3 辅助胶凝材料在干粉砂浆中的应用现状随着工业时代快速发展的脚步，工业生产过程产生的固体废弃物也与日俱增，固体废弃物的堆放不仅占用耕地面积，还会造成大量的环境污染。近年来，在干粉砂浆领域中，利用工业废渣作为辅助胶凝材料的应用研究引起了人们的重视7。固体废弃物在干粉砂浆中作为辅助胶凝材料可以利用其替代部分水泥，减少水泥用量，既减轻水泥工业对环境的污染，又可有效地循环再利用固体废弃物。此外，性能优越的辅助胶凝材料掺入到砂浆中还可以改善砂浆性能。因此，研究辅助胶凝材料在砂浆的应用意义重大。 粉煤灰在干粉砂浆中的应用粉煤灰是从煤粉烟道气体中收集的粉末，由大量的球状玻璃珠和少量的莫来石、石英等结晶物质组成，其主要成份为SiO2、Al2O3和Fe2O3，有的还含有比较高的CaO，即高钙粉煤灰。我国是一个产煤大国，煤产量居世界第一位8，有着丰富的粉煤灰资源。粉煤灰作为一种火山灰性材料，一方面由于其胶凝性可以替代部分水泥；另一方面对砂浆的工作性能和耐久性能有一定的助益9。因此粉煤灰在干粉砂浆中的应用研究受到了人们的普遍关注。东南大学的夏艺等10通过对掺砂浆保水增稠剂的建筑干粉砂浆中粉煤灰不同掺量进行了研究。研究结果表明：在抹灰砂浆中掺用特定的粉煤灰都有一个最佳掺量。在干粉抹灰砂浆中加入了保水增稠剂以后，当粉煤灰掺量为20%时，砂浆的各项性能指标均能达到最优。李会艳11等认为大掺量的粉煤灰对砂浆的早期、后期强度都有一定的影响，且对抗压强度的影响程度略大于对抗折强度的影响；适当的粉煤灰掺量对砂浆强度的影响较小，有利于减少水泥用量，改善砂浆的流动性。 矿渣微粉在干粉砂浆中的应用粒化高炉矿渣磨细后的细粉称为矿渣微粉，主要化学成分为SiO2、CaO和Al2O3，经水淬急冷后的矿渣，其中玻璃体含量高达80%以上多，使得矿粉具有较好的水硬活性。一般来说，矿渣磨得越细活性越高12。另外，我国每年高炉矿渣排量有1500万吨，将大宗工业废渣转化成为高附加值的磨细矿渣产品用于建筑材料中，符合环境保护和可持续发展的战略要求。刘轶翔等13认为矿渣适合的掺量为40%左右，在该掺量下，矿渣水泥砂浆的强度与流动度都达到最大。郭建，孙启华14研究了矿粉与水泥复合胶凝体系的新拌砂浆的性能、力学性能以及抗裂性能；与纯水泥砂浆相比，复合胶凝体系的标准稠度用水量和凝结时间有所上升；硬化砂浆的早期强度偏低，但后期强度与前者持平，抗裂性能提高。矿渣的物理性能和掺量对砂浆的性能也具有一定的影响。杭美艳、赵根田15研究了磨细矿渣的比表面积、水泥取代率对砂浆泌水性能的影响。研究表明：磨细矿渣粉比表面积大于400 m2kg-1时，随着比表面积的提高，水泥取代率的增加，砂浆的泌水量减少，和易性增加，水泥砂浆成本降低。 石灰石粉在干粉砂浆中的应用石灰石粉是以生产石灰石碎石和机制砂时产生的细砂和石屑为原料，通过进一步粉磨制成的粒径不大于10 m的细粉，其主要化学成分是CaCO3。石灰石在我国具有丰富的储量，并且分布广泛，价格低廉，因此其在砂浆中的应用也越来越多16。石灰石粉掺入到砂浆后，作为一种矿物外加剂，由于其具有微细集料效应能代替部分不水化的水泥填充于浆体中，可以节约水泥，降低成本。还能改善砂浆的工作性能。石灰石粉颗粒较细，加入到砂浆之后，不但补充了砂浆中缺少的小颗粒，增大了固体表面积对水体积的比例，从而减少泌水和离析，而且石灰石粉能和水泥与水形柔软的浆体，即增加了砂浆的浆量，从而改善其工作性能17,18。刘数华，王军19研究表明：石灰石粉掺入后，砂浆的孔隙率略有增大，但大于200 nm的有害孔明显减少，50、20 nm以下的无害孔和少害孔相应增加，对砂浆的耐久性能有利。1.2本课题的研究目的及意义众所周知，建筑砂浆不仅应满足强度要求，而且还需具有良好的工作性能来满足施工要求。传统的建筑砂浆通过掺入石灰膏来保证砂浆的保水性能，但掺入石灰膏的砂浆耐久性较差且质量难以控制。在干粉砂浆中掺入纤维素醚等保水增稠剂虽然可以改善砂浆的保水性能，但价格昂贵，且会产生引气的效果，导致砂浆强度下降。将辅助胶凝材料掺入到砂浆中，一方面由于其存在胶凝性，可以部分替代水泥，从而减少水泥用量；另一方面，由于辅助胶凝材料自身的物理性质与水泥不同，对砂浆的工作性能具有不同的影响，可以减少外加剂使用量。另外，目前常见的辅助胶凝材料大多为工业废渣，辅助胶凝材料在砂浆的应用不仅可以节约资源、保护环境，更是变废为宝，发展循环经济。但如今在建筑砂浆中掺入辅助性胶凝材料时，大都在选定原料之后即开始正交配伍，随后再进行优选，将材料之间配合的比例固定下来。然而，由于试验手段有限，配伍技术大都以经验的形式存在技术人员的大脑里，若出现水泥原材料的变化则需要技术人员重新试验以摸清水泥的材性。所以使用这种方法来进行优化配伍有一定的盲目性，尤其是在选择原材料和外加剂方面。而本课题旨在对干粉砂浆体系进行优化配伍，将从全新的角度着手来评价辅助胶凝材料（以粉煤灰、矿渣微粉和石灰石粉为主）对砂浆和易性的影响，制定出相应的评价方案，该方案将砂浆保水性与粉体的具体物性指标联系起来，为辅助胶凝材料的优化复配及有机无机复配提供新的指导原则及理论依据。1.3本课题的研究内容和技术路线1.3.1 本课题的研究内容鉴于以上研究背景及现状，为了更加完善和具体地对辅助胶凝材料（粉煤灰、矿粉和石灰石粉）对砂浆和易性的影响进行研究和评价，并且找到配制和易性较好、强度达标、成本又低廉的砂浆的指导原则，本课题研究内容主要为以下几点： 尝试建立砂浆失水过程的模型。本课题着意从研究砂浆失水过程出发，建立可能的数学模型并验证，从而了解砂浆保水性的根本影响因素。 将砂浆保水性与粉体物性指标联系起来。找出从理论模型中得到的砂浆保水性的影响因素与砂浆及其组成的性能指标之间的一一对应关系，并研究其影响规律。 得出砂浆体系优化配伍的指导原则。设计大批量的砂浆体系，针对砂浆和易性和经济性的综合指标，以求为不同强度等级的砂浆的优化配伍提供理论依据与指导原则。1.3.2 本课题的技术路线砂浆体系优化配伍理论研究砂浆失水模型的建立砂浆保水性影响因素的研究数学建模：将砂浆失水速率u用数学表达式表示实验验证：根据u的表达式进行拟合效果分析找出失水模型与砂浆保水性的关联并验证找出影响因素：将理论模型与砂浆组分性能指标相联系通过实验寻找各影响因素的影响规律批量宏观性能实验：进一步验证影响规律并且找到砂浆体系配伍的指导原则砂浆体系优化配伍指导原则图1.1 本课题的技术路线图2 实验用原材料及方法2.1 实验用原材料2.1.1 水泥因考虑到要区分水泥与辅助胶凝材料对砂浆性能的影响，故选用含辅助性胶凝材料较少的PII52.5水泥，化学成分见表2.1，水泥性能指标见表2.2。表2.1 水泥化学成分组成CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3TiO2K2O含量/%61.3020.86.343.071.032.290.290.85表2.2 水泥基本性能参数密度 /（gcm-3）比表面积 /（m2kg-1）标准稠度用水量 /%凝结时间 /min抗折强度 /MPa抗压强度 /MPa初凝终凝3d28 d3d28 d3.14370261091546.310.031.563.12.1.2 辅助胶凝材料 低钙粉煤灰富春建业II级粉煤灰，密度2320 kgm-3，含水量0.17%，比表面积410 m2kg-1，其化学组成见表2.3。表2.3 低钙粉煤灰化学成分组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量含量/%50.9029.807.085.491.670.914.76 高钙粉煤灰石洞口高钙粉煤灰，密度，比表面积，其化学组成见表2.4。表2.4 高钙粉煤灰化学成分组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量含量/%27.4012.805.5047.002.506.202.40 矿渣微粉上海宝田新型建材有限公司的S95矿渣微粉，密度2860 kgm-3，比表面积450 m2kg-1；S105矿渣微粉，密度，比表面积，化学组成见表2.5。表2.5 矿粉化学组成组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2O其他S95含量/%56.2017.804.1015.01.300.402.002.50S105含量/%2.1.3 砂选择级配良好的中砂，并符合JGJ 525普通混凝土用砂质量标准及检验方法的规定，砂的最大粒径不超过5 mm。所选中砂的技术指标见表2.6，其级配见表2.7。表2.6 砂子的技术指标细度模数含泥量 /%泥块含量 /%密度 /kgm-3粒径 /mm堆积密度 /kgm-32.834.52.5265051574表2.7 砂子的级配筛子孔径 /mm筛余 /%累积筛余 /%4.753.63.62.3611.415.01.1810.025.00.6014.439.40.3031.070.40.1515.686.00.1514.0100.02.1.4 外加剂 石灰石粉南方水泥有限公司，自磨1 h得到，比表面积530 m2kg-1。 纤维素醚（MC）甲基纤维素醚，分子量为40,000。2.1.5 水试验用水为自来水。2.2 实验方法2.2.1 砂浆动态失水实验 实验设备金属圆环试模（内径100mm，内高25mm）、抹刀、医用纱布、中速定性滤纸（直径110mm）、金属盖板（直径110mm）、天平（量程2000g，感量0.01g）、金属重物（2kg）、秒表。 实验步骤 称量干燥金属试模质量m1和15片滤纸质量m3（精确至0.01g）。 将砂浆拌合物一次性装入试模，并用抹刀插捣数次，当装入的砂浆略高于试模边缘时，用抹刀以45角一次性将试模表面多余的砂浆刮去，然后再用抹刀以较平的角度在试模表面反方向将砂浆刮平。 抹掉试模边的砂浆，称量试模与砂浆总质量m2。 用两张医用纱布交错覆盖在砂浆表面，再在纱布表面放上15片滤纸，用金属盖板盖在滤纸表面，以2kg的重物把盖板压住，并开始计时。 每隔一段时间移走重物及盖板，取出滤纸，迅速称量滤纸质量m4（精确至0.01g），共历时10min。2.2.2 砂浆稠度测试参照JGJ/T 70-2009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行。2.2.3 砂浆保水性测试砂浆的保水率是指新拌砂浆经滤纸吸水2min后保留的水量与吸水前含水量的比值，参照JG/T 230-2007预拌砂浆附录A砂浆保水性试验方法进行。2.2.4 砂浆抗压强度测试参照JGJ/T70-2009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行，试件尺寸规格为70.7 mm70.7 mm70.7 mm。3 砂浆失水模型的建立砂浆保水性是指砂浆能保持水分的能力，即指新拌砂浆在运输、停放使用过程中，水与胶凝材料及骨料分离快慢的性质20。在砂浆中砂作为支承骨架，而浆体填充其中，假设浆体都是连通的，那么其中的毛细管道也都是连通的，水便是由这些管道自内向外进行传输。对这一过程的分析研究，能够帮助将其失水快慢与粉体的物性指标联系起来，从而更好地来评价粉体。基于工程砂浆应用时所处实际环境，砂浆失水过程可假想地分为两个部分，一是上层浆体中的水被基底吸收（在保水性实验中基底即为滤纸），二是下层浆体中的水输送至上层浆体中。显然，前者的失水速率比后者大得多，故砂浆的失水速率主要取决于后者，所以下文将以研究下层浆体向上输送水的过程为主。3.1 砂浆失水模型的初步建立砂浆保水性实验计时开始后，即砂浆开始失水后，上层浆体颗粒间隙中的水被滤纸（基底）迅速吸收，间隙便会产生收缩，这一收缩过程可推断为如下毛细管整体收缩模型。该模型假设：（1）砂浆浆体颗粒间隙为一条圆柱形的毛细管道，如图3.1。（2）毛细管的收缩视为横向整体收缩，纵向收缩不计，且假定毛细管收缩的体积即为浆体失去水的体积。（3）上层浆体失水后，水由毛细管力驱动向上输送，忽略重力影响。3.1.1 毛细管整体收缩模型的理论推导 设在t时刻毛细管半径为R，在dt时间内毛细管半径收缩了dR，如图3.1所示，毛细管长度为h，砂浆的失水速率为u（单位：g/s）。RdR图3.1 毛细管整体收缩模型示意可润湿粉末的液体在粉末中上升可看作液体在毛细管中的流动，Poiseulle公式给出了流体在管道中流动的速率与管道长度、半径、两端压力差及液体粘度间存在如下关系： (1)其中，,分别为液体的密度、粘度和表面张力；h为毛细管长度；为该粉体与该液体的接触角。而当R很小时，毛细管中液体所受重力作用可忽略，即(1)式可以简化为(2)式： (2)故砂浆的失水速率u因此可以表示为： (3)其中，。由前文假定，毛细管收缩的体积应为砂浆失去水的体积：由初始条件：当t=0时，R=R0（R0为初始毛细管半径），两边积分得：其中，。将此关系式代入(3)式，整理得： (4)其中，。由(4)式可以得到与t呈线性关系。3.1.2 毛细管整体收缩模型的验证 实验内容为了验证毛细管整体收缩模型的正确可行，将高钙粉煤灰配制成两种水灰比的砂浆后进行保水性动态过程的研究，每隔30s记一次滤纸质量。为了使模型更具实际意义，将同一水灰比、不同纤维素醚掺量的砂浆也进行了实验，具体配比见表3.1。表3.1 砂浆动态保水性实验配合比（一）编号组分A-1A-2B-0B-1B-2高钙灰/g150150150150150砂/g600600600600600水/g8085858585纤维素醚/%0000.10.2 结果与分析将没有掺加外加剂、不同水灰比的两组配合比（即A-1、A-2）的砂浆试验结果用毛细管整体收缩模型，即式(4)，进行拟合，得到两条直线，如图3.2所示。由图可知，两条直线线性度都非常好，这可以证明，毛细管整体收缩的模型应是正确适用的。图3.2 不同水灰比时毛细管整体收缩模型拟合直线将同一水灰比、纤维素醚掺量不同的三组配合比（即B-0、B-1、B-2）的砂浆试验结果用毛细管整体收缩模型，即式(4)，进行拟合，得到如图3.3所示的三条曲线。其中没有掺纤维素醚砂浆的拟合曲线几乎呈直线，但掺了纤维素醚砂浆的拟合曲线在前端有明显的曲线段，且掺量越高，曲线段越明显。这可能是因为，掺入了纤维素醚使得浆体的粘度增加许多，砂浆失水变得较慢。显然，此时毛细管整体收缩模型不再适用，也就是说，该模型并不适用于前期失水较慢的新拌砂浆。图3.3 不同纤维素醚掺量时毛细管整体收缩模型拟合直线3.2 砂浆失水模型的改进上述模型验证试验结果可以证明，毛细管整体收缩模型并不具备广泛应用性，在前期失水较慢的砂浆中并不适用。并且在实验过程中可以发现：经过长达10min的动态保水性实验后的砂浆试饼，其上层为较干燥、致密的薄层，而下层仍较为湿润，如图3.4所示。由此可以想见，砂浆浆体颗粒间隙的收缩并不一定是整体同时横向收缩的，而有可能是上层先收缩下层再收缩。图3.4 实验完毕砂浆试饼3.2.1 新模型的理论推导为了找出适用于前期失水较慢（比如掺入了外加剂）的砂浆失水模型，在毛细管整体收缩模型的基础上，假设砂浆浆体颗粒是逐渐靠近的，即随着水分的流失，表面一层浆体中灰分收缩（毛细管半径减小），然后下层毛细管才由于水分继续流失再逐渐收缩，即考虑了收缩段长度的变化（dh），且假定下层浆体对上层毛细管收缩无影响，称之为渐进式毛细管收缩模型，如图3.5所示。RmindRhdh图3.5 渐进式毛细管收缩模型示意设R0为初始毛细管半径，R为t时刻毛细管半径，Rmin为砂浆失水后收缩至最小毛细管半径，水在毛细管中的流动速率仍符合(2)式关系：此时的砂浆失水速率u可以表示为： (5)同毛细管整体收缩模型假设，在此模型中假定，下方毛细管收缩的体积即为砂浆失去水的体积，由此得到：两边积分得： (6)将得到的(6)式代入(5)式，并且假设，得到与t的线性关系： (7)由(4)式可以得到与t呈正比关系。3.2.2 渐进式毛细管收缩模型的验证 实验内容为了更加全面地验证该模型的正确性，本次试验采用了四种粉体（水泥、二级粉煤灰、矿粉和石粉）分别配制两种灰砂比的砂浆分别进行砂浆动态保水性的研究，配合比详见表3.2，本批试样统一在前1min内每隔10s记一次滤纸质量，2min至5min内每隔30s记一次，5min后每隔1min记一次，保证了前期失水量测定的准确性。除此以外，在本次试验中，在测定砂浆的保水性前首先将砂浆稠度调至80mm5mm，保证了所测保水性有对比的意义。表3.2 砂浆动态保水性实验配合比（二）粉体水泥矿粉粉煤灰石粉编号组分C-AC-BS-AS-BF-AF-BL-AL-B灰量/g350450350450350450350450砂/g12001200120012001200120012001200 结果与分析仍然用粉煤灰砂浆来验证模型，将相应的两组试验结果（F-A和F-B）用渐进式毛细管收缩模型，即(7)式，进行拟合，得到图3.6所示结果，只拟合了前2.5min的试验结果，因为随着时间推移，(1/u)2数值过大，图中无法完全显示也无很大意义。从图中可以很明显地观察到只有曲线前端基本呈线性，到1min后基本为曲线，即砂浆失水后期并不符合所假设渐进式毛细管收缩模型。图3.6 不同水灰比时渐进式毛细管收缩模型拟合直线3.3 砂浆失水模型的应用及研究意义3.3.1 两种砂浆失水模型的适用阶段研究上文提出了两个不同的砂浆失水模型。其一，假设砂浆浆体颗粒间毛细管进行整体收缩，直至达到最小收缩半径R0，拟合效果：对于前期失水速率较快的砂浆不适用；其二，假设砂浆浆体颗粒是逐渐靠近的，表层颗粒先收缩，下层颗粒再逐渐收缩，拟合效果：对于砂浆后期失水过程不适用。综合考虑了两种模型的适用范围和拟合效果，认为最有可能的情况是：砂浆浆体颗粒先进行渐进式的逐渐收缩，再进行整体收缩，即砂浆失水过程前期适用渐进式毛细管收缩模型，而失水过程后期则适用毛细管整体收缩模型。将之前曾拟合过的粉煤灰的两组试验数据（F-A和F-B）分开拟合，得到图3.7和图3.8所示结果。图3.7 渐进式毛细管收缩模型拟合直线（1min内）图3.8 毛细管整体收缩模型拟合直线（1min后）由图3.7和图3.8所示结果可以看出，图中四条直线的线性度都非常好，因此砂浆失水前期采用渐进式毛细管收缩模型，后期采用毛细管整体收缩模型是准确适用的。为了更进一步地说明这种组合模型的广泛适用性，将四种粉体（水泥、粉煤灰、矿粉和石粉）在同一灰砂比时所测试验结果（灰砂比为0.375时的C-B、S-B、F-B和L-B）均拟合于图3.9和图3.10。两图中的直线线性度都非常好，这足以说明这个组合模型的准确性了。图3.9 不同粉体渐进式毛细管收缩模型拟合直线（1min内）图3.10 不同粉体毛细管整体收缩模型拟合直线（1min后）3.3.2 两种模型与砂浆保水性的关联性研究图3.11和图3.12为四种粉体分别在两个灰砂比时的失水量与时间关系的柱状图及砂浆保水率的折线图，观察发现：砂浆失水以前期失水为主，前期的失水量占总失水量的多数，且失水量主要集中在试验开始的前2min内，此外，前期失水量越少则砂浆保水率越大。因此，砂浆的保水性主要取决于失水前期砂浆的各项性能，故以下研究将以失水前期，即渐进式毛细管收缩模型为主。图3.11 不同粉体失水量与时间关系示意图（灰砂比0.375）图3.12 不同粉体失水量与时间关系示意图（0.292）3.3.3 渐进式失水模型在砂浆保水性研究中的应用为了使该模型更具实际应用的意义，将该模型作如下转换：由上文推导结果(7)式得： ，其中，。将两边同乘以dt，得：，其中，Q为砂浆失水量，。Q2/t可以更加直接地用来表征砂浆的失水速率，若将上文动态保水性的试验结果用进行拟合，配合比为C-B、S-B、F-B和L-B的砂浆得到图3.13所示结果，配合比为C-A、S-A、F-A和L-A的砂浆得到图3.14所示结果。两图中直线线性度都非常好，相关系数高，转换后的模型也被验证正确适用。图3.13 不同粉体Q2-t拟合直线（灰砂比0.375）图3.14 不同粉体Q2-t拟合直线（灰砂比0.292）建立砂浆失水模型的根本意义在于找到提高砂浆保水性的方法，因此必须将其与砂浆保水性相联系起来。由上述动态保水性研究试验结果，得到不同粉体砂浆保水率随时间变化曲线，如图3.15、3.16所示。图3.15 不同粉体保水率-时间曲线（灰砂比0.375）图3.16 不同粉体保水率-时间曲线（灰砂比0.292）将图3.15与图3.13比较，图3.16与图3.14比较，可以发现：Q2-t直线斜率K越大的粉体，A%-t曲线处在越下方，即其砂浆保水性越差；相反，Q2-t直线斜率K越小的粉体，A%-t曲线处在越上方，即其砂浆保水性越好。同样地，将同一粉体的Q2-t直线与A%-t曲线相比较，如图3.17、3.18所示，可以得到相同结论：砂浆灰砂比越大，Q2-t直线斜率K越小，砂浆保水性越好。因此，砂浆的保水性得到了一个新的表征方法，即Q2-t直线斜率K值。图3.17 不同灰砂比时粉煤灰砂浆Q2-t拟合直线图3.18 不同灰砂比时粉煤灰砂浆Q2-t拟合直线3.4 本章小结 提出了两个不同的砂浆失水模型：其一，毛细管整体收缩模型，假设浆体颗粒间毛细管进行整体收缩，直至达到最小收缩半径；其二，渐进式毛细管收缩模型，假设浆体颗粒是逐渐靠近的，表层颗粒先收缩，下层颗粒再逐渐收缩，拟合效果分别在某一区段不错。 渐进式毛细管收缩模型适用于砂浆失水过程的前期，而整体收缩模型适用于砂浆失水的后期，对组合模型的拟合效果不错。 砂浆保水性主要取决于砂浆失水前期，将渐进式毛细管收缩模型进行转换后所得Q2-t直线的斜率K值可以用来表征砂浆保水性，K值越小，保水性越好。4 砂浆保水性的影响因素分析与研究砂浆失水模型的建立提供了砂浆保水性的一个新的表征方法，Q2-t直线的斜率K值。然而这种表征方法是没有实际意义的，必须将K值与砂浆本身性质或与砂浆组分的物性指标联系起来才有意义，才能真正提供提高砂浆保水性的指导原则。由前述推导过程得， (8)(8)式中各参数与砂浆及其组分性能有如图4.1所示对应关系。初始毛细管半径R0砂浆的水灰比。砂浆水灰比越小，包裹于粉体颗粒周围的水越少，颗粒间隙就越小，相当于初始毛细管半径越小。砂浆的灰砂比。试验中控制加水量以将砂浆稠度调至80mm左右，故砂浆的水灰比宜用灰砂比代替表征。粉体的需水量。粉体的比表面积。收缩至最小毛细管半径时粉体已处于近似干燥堆积状态，其与粉体粒径大小有关。粉体的细度。粉体越细，其比表面积越大。砂浆中水的性质。主要由砂浆中加入的外加剂进行调控。液体粘度液体表面张力最小毛细管半径Rmin图4.1 各参数与砂浆性能的对应关系上图得到如砂浆灰砂比、粉体需水量、粉体细度等性能指标均可视为砂浆保水性的影响因素，下面将逐一对这些影响因素进行验证分析。4.1 灰砂比对砂浆保水性的影响4.1.1 实验内容用分别为250g、300g、350g、400g和450g的水泥、粉煤灰、矿粉和石粉四种粉体，分别与1200g砂，配制成灰砂比为0.208、0.250、0.292、0.333和0.375的砂浆，控制加水量，使得砂浆稠度控制在80mm5mm内，再分别测定其动态失水过程。4.1.2 结果与分析为使砂浆稠度达到某一固定指标（如试验中的80mm5mm），砂浆灰砂比越大，砂浆的水灰比应越小，可由砂浆水灰比与灰砂比关系图4.2而知。图4.3为砂浆保水性（此图中为2min标准保水率）随砂浆灰砂比的变化曲线。由上述两图可以得到非常明显的规律：砂浆的灰砂比越大，水灰比越小，砂浆保水性越好。图4.2 砂浆水灰比与灰砂比关系示意图图4.3 灰砂比对砂浆保水性的影响 将实验结果均用渐进式毛细管收缩模型拟合为Q2-t直线，得到斜率K值列于表4.1。图4.4为斜率K值随灰砂比大小的变化曲线，可观察到，随着灰砂比的增大，四种粉体的斜率K值均逐渐下降。（其中灰砂比为0.25的数据，由于与其他并非同天实验，有较大偏差，故没有放入图中。）这一规律再一次验证了理论模型的正确性，得到结论：砂浆灰砂比越大，水灰比越小，初始毛细管半径R0越小，K值越小，砂浆保水性越好。表4.1 各种砂浆Q2-t直线斜率K值粉体灰砂比水泥粉煤灰矿粉石粉0.2081.42171.02171.88980.42010.2501.7791.02461.7770.30510.2920.86640.42111.45540.23100.3330.71600.34221.09970.17090.3750.52330.27120.94400.1353注：以上Q2-t直线线性相关系数均高达0.95以上。图4.4 斜率K值随灰砂比的变化曲线4.2 粉体的需水量对砂浆保水性的影响4.2.1 粉煤灰的减水效应用粉煤灰部分取代水泥或配制粉煤灰砂浆时，为使砂浆达到一定稠度，其需水量明显比配制纯水泥砂浆时小很多，这就是粉煤灰的减水效应。华侨大学的严捍东21将水泥与粉煤灰两种粉体的特性进行对比（包括它们的表面形貌、平均粒径和粒度分布等），证实了粉煤灰的减水效应，并且发现其主要来自于粉煤灰圆球形玻璃微珠的滚珠轴承润滑作用或对水泥絮凝结构的分散作用。4.2.2 实验内容用水泥、矿粉、二级灰、高钙灰四种粉体分别配制五种加水量不同的砂浆，配合比如表4.2所示，分别测定砂浆的稠度值与保水率。表4.2 粉体需水量试验配合比粉体均为300g，砂均为1200g粉体水泥矿粉编号C-1C-2C-3C-4C-5S-1S-2S-3S-4S-5水/g195200205210215195200205210215粉体二级灰高钙灰编号FL-1FL-2FL-3FL-4FL-5FH-1FH-2FH-3FH-4FH-5水/g185190195200205150155160165170注：1、石粉的需水量过大，故在此试验中没有可比性。 2、表中四种粉体比表面积相差不大，详见2.1节实验用原材料。4.2.3 结果与分析图4.5为各种粉体的加水量-稠度曲线，为使砂浆达到同样的稠度值，粉煤灰砂浆所需水量与水泥和矿粉相比明显较少，试验结果足以说明粉煤灰具有明显的减水作用。而它的这一特殊性能也因此使得相同稠度的所配砂浆水灰比相对较小，初始毛细管半径R0较小，斜率K值较小，则砂浆保水性较好。从表4.1中也可以证实，粉煤灰的K值在任何灰砂比下的确比水泥和矿粉小一些。图4.5 粉体需水量比较示意图周茗如22曾指出，粉煤灰的减水效应与其颗粒形貌、级配、细度和含碳量等因素有关，球形玻璃微珠含量多、含碳量少，则粉煤灰的减水效应更加明显。高钙灰相对于低钙灰而言，颗粒较小，球形度、表面光洁度都较好，不规则颗粒含量较少，含碳量小，如图4.6、4.7所示23，那是因为高钙矿物的熔融物有较低的粘性，能形成较小的液滴然后冷却成粉煤灰颗粒，而低钙矿物因为具有较高粘性更容易引入气体而形成中空的球形结构24。图4.6 低钙灰SEM图图4.7 高钙灰SEM图因此，在本实验中，用高钙灰代表颗粒形貌较好的粉煤灰，而二级灰代表颗粒形貌较差的粉煤灰。将分别用二级灰和高钙灰配制的砂浆的性能进行对比，如图4.8、4.9所示，可以发现：由高钙灰配制的砂浆，相对同样稠度的二级灰砂浆而言，失水量较小且保水性较好。因此，使用表面形貌较好的粉煤灰有利于其更好地发挥减水效应，进而提高砂浆的保水性。但需要注意的是，砂浆中掺入高钙粉煤灰会使得安定性不良，故实际应用中并不采用，在此仅作为对比研究。 图4.8 二级灰与高钙灰的对比-失水量 图4.9 二级灰与高钙灰的对比-保水性 4.3 粉体细度对砂浆保水性的影响由于粉煤灰经过球磨磨细后会破坏其表面形貌特征，会造成影响因素的不统一，并且各种粉煤灰比表面积相差不大。于是细度这一影响因素就用本就用高炉矿渣磨细而得的矿渣微粉来研究。宝田S95矿粉的比表面积为450m2/kg左右，而S105在 500 m2/kg左右，有一定差距，可以用来做细度对砂浆保水性影响的研究。4.3.1 实验内容用S95和S105两种矿粉来分别配制六种加水量不同的砂浆，配合比如表4.3所示，分别测定砂浆的稠度值与保水率。表4.3 不同细度矿粉砂浆试验配合比粉体均为300g，砂均为1200g型号S95S105编号C-1C-2C-3C-4C-5S-1S-2S-3S-4S-5水/g1952002052102152002052102152204.3.2 结果与分析将分别用S95和S105两种矿粉配制的砂浆的性能进行对比，如图4.10、4.11所示，可以发现：由S105矿粉配制的砂浆，相对同样稠度的S95矿粉砂浆而言，失水量较小且保水性较好，即粉体越细，其比表面积越大，自然堆积密度越大，可以收缩至的最小毛细管半径Rmin越小，K值越小，砂浆保水性越好。因此，使用较细的S105矿粉可以提高砂浆的保水性，但成本也相对提升。图4.10 S95矿粉与S105矿粉的对比-失水量 图4.11 S95矿粉与S105矿粉的对比-保水性 4.4 外加剂对砂浆保水性的影响这里仅以砂浆中最常用的外加剂纤维素醚（MC）为例，说明外加剂对砂浆保水性的影响。广州大学的詹镇峰、李从波【】等曾研究过有机添加剂对砂浆性能的影响，曾验证说明了在试验掺量范围内（03），MC掺量越高，砂浆保水率越大，且在获得相同稠度的情况下，随着MC掺量的增大，需水量可逐渐降低，这说明纤维素醚也具有一点的减水效果，同样也会使得砂浆保水性提高。邱永侠【】曾就纤维素醚对砂浆保水性的影响进行研究，得到结论：在砂浆中掺入纤维素醚会增加浆体粘度，从而提高砂浆保水性，并且与纤维素醚的粘度、细度和掺加量有关。4.5 本章小结 将由理论推导得到的Q2-t直线的斜率K值与砂浆及其组分的各物性指标相联系，并加以研究验证，分别得到如下结论： 砂浆灰砂比越大，水灰比越小，初始毛细管半径R0越小，K值越小，砂浆保水性越好。 表面形貌较好的粉煤灰的减水效应更明显，由此使得砂浆水灰比较小，进而砂浆的保水性也较好。 粉体越细，其比表面积越大，自然堆积密度越大，可以收缩至的最小毛细管半径Rmin越小，K值越小，砂浆保水性越好。 在砂浆中掺入纤维素醚能够提高砂浆的保水性。 K值中各参数所对应的物性指标对砂浆保水性的影响规律均符合前一章中所得理论推导结论：K值越小，砂浆保水性越好，再一次验证了理论模型的准确性。5实际工程砂浆体系优化配伍研究5.1 砂浆各项宏观性能实验5.1.1 实验内容为了寻找粉煤灰与矿粉最佳的掺合比例，设计了如下15种水泥、粉煤灰和矿粉的复合胶凝体系，列于表5.1。表5.1 复合胶凝体系实验配比矿粉掺量水泥替代量030%50%70%100%00000030%3-03-33-53-73-1050%5-05-35-55-75-1070%7-07-37-57-77-10对包括基准（纯水泥）在内的16种胶凝体系，分别配制5种灰砂比（0.2083、0.2500、0.2917、0.3333、0.3750，分别以-0、-2、-4、-6和-8表示）的砂浆，共80种砂浆体系进行成型实验，在成型之前保证其和易性合格，合格标准为：在调整砂浆稠度至80mm5mm时，砂浆保水率应大于88%（允许1%的波动），可掺入纤维素醚来调节保水率。5.1.2 砂浆强度等级的划分实验结果见附录A。对所有80种砂浆体系的实验结果，进行强度等级的分类，以5种水泥基准的强度作为划分标准，而非单纯地以标准砂浆强度等级（M2.5、M5、M10等）进行分类，分别用0-0、0-2、0-4、0-6和0-8表示第一、二、三、四和五个强度等级，划分标准如图5.6所示，图中黑色虚线为强度等级划分的标准值，即砂浆体系0-0、0-2、0-4、0-6和0-8的28d抗压强度值，划分结果列于表5.2。图5.1 砂浆体系强度等级的划分标准表5.2 砂浆体系强度等级划分结果强度等级砂浆体系编号0-00-0、3-0-0、3-0-2、3-3-0、3-5-0、3-7-0、5-0-0、5-0-2、5-3-0、5-5-0、5-7-0、5-10-0、7-0-0、7-0-2、7-0-4、7-3-0、7-3-2、7-5-0、7-7-0、7-10-00-20-2、3-0-4、3-3-2、3-5-2、3-10-0、5-0-4、5-3-2、5-5-2、5-7-2、5-10-2、7-0-6、7-0-8、7-3-4、7-3-6、7-5-2、7-5-4、7-7-2、7-7-4、7-10-20-40-4、3-3-4、3-7-2、3-10-2、5-0-6、5-3-4、5-5-4、5-5-6、5-7-4、5-7-6、5-10-4、7-3-8、7-5-6、7-7-6、7-10-40-60-6、3-0-6、3-3-6、3-3-8、3-5-4、3-5-6、3-7-4、3-7-6、3-10-4、3-10-6、3-10-8、5-0-8、5-3-6、5-5-8、5-7-8、5-10-8、7-5-8、7-7-8、7-10-6、7-10-80-80-8、3-0-8、3-5-8、3-7-8、5-3-85.2 砂浆体系优化配伍方案研究根据上文所得五个强度等级分类，对每个强度等级的砂浆体系进行因素分析，因素包括有：水泥掺量、粉煤灰掺量和灰砂比等，以求寻找每个强度等级的共性。下文将分别针对砂浆的保水性和经济性，对砂浆体系的优化配伍方案进行研究，并最终得出总的优化配伍的指导原则。5.2.1 针对砂浆和易性的配伍方案研究由于在进行砂浆成型实验前，通过加入纤维素醚来使得砂浆保水率都达到合格标准，故每个强度等级的砂浆保水率几乎没有差别，没有必要分强度等级进行分析；由于每种灰砂比的砂浆体系，MC掺量较为相近（灰砂比较低时相差0.2%0.4%，灰砂比较大时相差0.11%左右），可以取每个灰砂比的不同胶凝体系作为平行样本进行因素分析，因素为水泥掺量和粉煤灰掺量（粉煤灰占辅助胶凝材料百分数）以下采用SPSS软件中非参数检验的方法来分析因素的影响显著性及影响规律。非参数检验结果见附录B。可以发现，每个灰砂比所得的结果都几乎相同，且显著性并不明显。这个结果说明，复合胶凝体系的配比变化对砂浆保水性影响并不十分显著，而灰砂比和纤维素醚的掺量才是保水性较为显著的影响因素，根据前一章的验证分析：砂浆灰砂比越大，MC掺量越多，则砂浆保水性越好。为了进一步确切了解复合胶凝体系对砂浆保水性的影响规律，将除基准外75个砂浆体系整体进行非参数检验，因素仍为水泥掺量和粉煤灰掺量，得到表5.3、图5.2和表5.4和图5.3所示结果。表5.3 水泥掺量影响显著性假设检验汇总原假设测试Sig.决策者1C70, C50 and C30 的分布相同。相关样本 Friedman 按秩的双向方差分析.000拒绝原假设。显示渐进显著性。显著性水平是 .05。图5.2 水泥掺量影响规律表5.4 粉煤灰掺量影响显著性假设检验汇总原假设测试Sig.决策者1F100, F70, F50, F30 and F0 的分布相同。相关样本 Friedman 按秩的双向方差分析.059保留原假设。显示渐进显著性。显著性水平是 .05。图5.3 粉煤灰掺量影响规律由图中平均秩的大小和表中Sig.值的大小，可得如下规律：水泥掺量在30%和70%时，砂浆保水性最好，尤其是30%时，影响相对显著；粉煤灰掺量在030%左右时，砂浆保水性最好，影响相对不明显。根据上述分析，并结合前一章的内容，针对砂浆保水性的优化配伍方案为：在其他条件允许的情况下，为提高砂浆的保水性，首选方法为适当增加砂浆的灰砂比或纤维素醚的掺量，其次可用矿物掺合料替代30%或70%左右的水泥，且粉煤灰与矿粉的最佳比例为0：103：7，并选用颗粒形貌较好的粉煤灰和较细的矿粉。5.2.2 针对砂浆经济性的配伍方案研究将80种砂浆体系的成本作为其经济性指标，通过每种体系成型时所用原材料（水泥、粉煤灰、矿粉、纤维素醚）的单价与用量相乘并加和得到每种体系的经济性指标，即每种原料的掺量与经济指标应当成多元线性关系。从所得结果来看，强度等级越高，砂浆的成本明显越高，故就砂浆的经济性而言，应该分别对每个强度等级进行配伍方案的研究。为了准确了解每种原料的掺量对砂浆成本的影响的显著性，分别设y为砂浆的经济性指标，x1为水泥掺量，x2为粉煤灰掺量（占胶凝体系的百分数），x3为MC掺量（占胶凝体系的百分数），x4为砂浆灰砂比，对每个强度等级的砂浆体系用SPSS软件，先将数据进行Z-score标准化处理后再对y进行多元线性回归分析。为了能够提出定量的砂浆配伍指导原则，用origin软件画出了每个强度等级的砂浆体系的三元成分图（即水泥-粉煤灰-矿粉三元复合胶凝体系的配比关系），并