冯庆革a,c，杜克a，李浩璇b，张国怀a
广西大学 a. 环境学院；b. 材料科学与工程学院，c.广西高校环境保护重点实验室，广西 南宁530004
摘要：较大水胶比下传统的竖直静置成型方法易出现组分分离，各部位均匀性较差，本文以水胶比为0.50的砂浆为例，采用压汞法测定养护7d各砂浆样品的孔径分布，分析砂浆样品内部的均匀性，研究新型成型方法对砂浆均匀性的影响。结果表明，与传统竖直静置成型相比，采用新型转动装置动态成型时，平均孔径、孔隙率和孔径分布变异系数相对较小，砂浆内部组分分布均匀，没有发生集料与胶凝材料、水分离的现象，且在转动装置转速为0.1r/min时成型结果最佳。
关键词：水泥砂浆；高水胶比；成型方法；均匀性
0.引言
目前水泥砂浆主要的成型方法有插捣法[1-2]、静压法[3-4]、振动压实法[5-6]等，这些方法均为竖直静置成型，此类成型方法并不适用于高水胶比水泥砂浆，因为高水胶比水泥砂浆易在成型过程中出现组分离析现象，使得成型后水泥砂浆试块各处的均匀性较差。 因此，研究高水胶比水泥砂浆成型方法，使得成型后的水泥砂浆内部任意区域集料与胶凝材料均匀分布，对研究和评估水泥砂浆性能具有重要的学术和工程意义[7]。
本文以水胶比为0.50的砂浆为例，通过压汞法检测两组不同配合比水泥砂浆试块各层的孔径分布情况来评价水泥砂浆的均匀性。
1.试验
1.1原材料与配合比设计
本实验使用华润（南宁）水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其水泥熟料的化学成分和水泥物理性能分别见表1、表2。细骨料采用ISO标准砂。矿物掺合料选用广西田东电厂产生的Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的化学成分及物理性能见表1。拌和用水为去离子水。
水泥砂浆配合比设计参数为：单方胶凝材料用量为400 kg；水胶比为0.50，砂浆中水泥浆体与骨料（ISO标准砂）的体积比为1︰1，矿物掺合料替代水泥用量为30%。
1.1试验方法
1.1.1成型方法
本试验制备水胶比为0.50、养护龄期为7d的纯水泥砂浆及掺粉煤灰水泥砂浆，采用两种不同的成型方法，分别为：
（1）竖直静置成型。将水泥砂浆拌合物分两次装入尺寸为f 80×55 mm的圆柱形塑料模具中，每次均用捣棒由边缘至中心均匀插捣25次，插捣底层时捣棒应贯穿整个深度，插捣第二层时，捣棒应插透本层至底层的表面，每一次捣完后用橡皮锤轻轻延模具外壁敲打5-10下[8]，之后用抹刀抹平表面，竖直静置成型。
（2）转动装置动态成型。将水泥砂浆拌合物分两次装入尺寸为f 80×55 mm的圆柱形塑料模具中，每次均用捣棒由边缘至中心均匀插捣25次，插捣底层时捣棒应贯穿整个深度，插捣第二层时，捣棒应插透本层至底层的表面，每一次捣完后用橡皮锤轻轻延模具外壁敲打5-10下，之后用抹刀抹平表面，并盖上模具盖子（密封性要好，防止发生渗漏现象），将密封好的塑料模具横着放在转动装置的转动轨道上，打开转动装置开关，调整转动轨道转速分别为0.1 r/min、0.2 r/min、0.3 r/min，转动成型，转动成型装置如图1所示。
1.1.1孔径分布测定
将达到养护龄期的试块进行不同深度的切片，切割示意图见图2，每一层深度为6mm，共切取6层（分别用“-1、-2、-3…-6”表示）。等距离取三层（-1、-3、-5）试样进一步破碎至黄豆粒大小，放入无水乙醇中终止水化24h，之后将样品置于75℃电热鼓风干燥箱内干燥24h，最后采用AutoPore IV 9500型全自动压汞仪测定砂浆试块不同深度的孔径分布，将所得数据按照孔径d≤20 nm，20 nm<d≤50 nm，50 nm<d≤200 nm和d>200 nm来分类[9-12]，如表3-6所示，表中P20-1、P20-3、P20-5分别代表纯砂浆试块第一、三、五切层试样，F22-1、F22-3、F22-5代表掺30%粉煤灰砂浆试块第一、三、五切层试样，变异系数CV[13]为P20、F22试块一、三、五切层数据的离散程度。
2.试验结果与分析
2.1竖直静置成型
表3给出了竖直静置成型所得试块的孔径分布情况，由表可以看出，P20与F22试块-1、-3、-5层各阶段孔径百分比、平均孔径及孔隙率的差别均较大，且对应的变异系数也较大，说明使用竖直方法成型时，P20与F22试块各层之间的孔径分布有显著差异，尤其是靠近模具底部的与靠近模具顶部的孔径分布存在较大差异，进一步分析发现100nm以下各类孔径的含量随着切割层数的增加而减少，而100nm以上各类孔径的含量基本均随着切割层数的增加而增大，且这两种变化情况均较明显，说明使用竖直静置成型时，集料在重力的作用下与胶凝材料、水分离并下沉至模具底部，由于集料颗粒尺寸较大，颗粒间空隙也较大，使得硬化后试块底部大孔径孔隙含量相对较多，小孔经孔隙含量相对较少，同理分析，顶部大孔径孔隙含量相对较少而小孔径孔隙含量相对较多。
1.1转动装置动态成型
从表4至6可以看出，对于水胶比为0.50的砂浆试块，使用转动装置动态成型时，无论转速如何变化，P20与F22试块各切层之间的孔径分布相差均不大，各类孔径含量、平均孔径及孔隙率基本相近，且对应的变异系数均在0.1以下，试块不同深度下的孔径分布均匀，说明转动成型时，集料的运动不仅受重力影响，而且受向心力的影响，向心力的存在在一定程度上能显著抑制集料与胶凝材料、水的分离，使得砂浆试块成型后内部集料与胶凝材料分布均匀。
图3、图4分别给出了不同成型样品-1、-3、-5切层孔隙率与平均孔径的对比关系，图5给出了不同成型方法样品平均孔径与孔隙率变异系数对比。由图3与图4可以看出，P20与F22竖直静置成型样品-1、-3、-5切层之间孔隙率与平均孔径的变化幅度明显大于P20与F22转动装置动态成型样品三层间孔隙率与平均孔径的变化幅度，由图5明显看出，转动装置动态成型样品的平均孔径与孔隙率的变异系数明显低于竖直静置成型样品对应的变异系数，由表3-6也可以得出同样的结果，与传统竖直静置成型相比，采用转动装置动态成型试块孔径分布各范围孔径含量的变异系数也较小，分析讨论可知转动装置动态成型时，受重力和向心力共同作用的集料成型过程中相对位移较小，而竖直静置成型时，只受重力作用的集料的相对位移较大，从而表现出与胶凝材料和水分离的现象，向心力的存在在一定程度上能显著抑制集料与胶凝材料、水的分离，因此，对于0.50水胶比的水泥砂浆成型，转动装置动态成型方法所得试块均匀性比竖直成型方法所得试块均匀性好。
进一步分析图3、图4与图5发现，随着转动装置转速的增加，成型砂浆试块的孔隙率、平均孔径及对应的变异系数均显著增大，对比表4、表5及表6发现，随着转动装置转速的增加，砂浆试块孔径分布中直径d≤20 nm的无害孔和20 nm<d≤50 nm的少害孔的含量逐渐减少，而50 nm<d≤200 nm的有害孔和d>200nm的多害孔的含量逐渐增多，经过计算，当转动成型装置转速从0.1 r/min增加到0.2 r/min、0.3 r/min时，无害孔和少害孔的含量分别减少了5.9%和15%，分析讨论可知调节转动成型装置转速会改变集料的向心力大小，从而影响成型过程中集料的相对位移大小，进而影响成型后试块的均匀性，当转速为0.1 r/min时，集料的受力相对平衡，集料成型过程中相对位移也就较小，而增大转速时，打破了集料的受力相对平衡，且转速越大向心力越大，集料受的合力越大，相对位移也增大，成型试块均匀性变差，因此，转动装置使用低转速0.1 r/min时，砂浆试块成型后内部胶凝材料分布均匀且平均孔径和孔隙率相对较小，孔结构分布相对比较致密，砂浆试块均匀性较好。
1.结论
（1）与传统竖直静置成型相比，采用新型转动装置动态成型时，平均孔径、孔隙率和孔径分布变异系数相对较小，砂浆内部组分分布均匀，没有发生集料与胶凝材料、水分离的现象。
（2）调节转动装置转速会对成型砂浆均匀性产生影响，当转动装置转速为0.1r/min时成型结果最佳。
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