粉煤灰对页岩陶砂轻集料砂浆性能的影响试验*

高玲玲

(山西水利职业技术学院工程管理系 太原 030027)

0 引 言

轻集料砂浆具有质量轻、保温性好等优点，在保温系统中广泛使用[1-3]，但工作性差、强度较低、耐久性不高等缺点也限制了其在其他领域的发展[4-5].为拓展轻集料砂浆的应用场合，提高其施工和易性、力学性能，以及耐久性，国内外从轻集料、掺合料、配合比等方面进行了大量研究.方明晖等[6]测试了改性剂、可再分散乳胶粉及集胶比对砂浆工作性、强度和导热系数的影响，认为合理掺量的乳胶粉可提高砂浆的拉伸粘结强度.胡玲霞等[7]考察了纳米SiO2对轻集料砂浆密度、抗压强度、导热系数、体积吸水率等性能的影响，认为纳米SiO2的掺量小于3%时对抗压强度和吸水率有益.徐春杰等[8]研究了聚丙烯纤维对轻集料砂浆的影响，认为聚丙烯纤维可以改善砂浆的抗压强度，对表观密度和导热系数影响不大.朱蓬莱[9]研究了玻化微珠对砂浆强度、保温性能的影响，并拟合了干密度和导热系数的相关关系.

随着硅气凝胶、膨胀玻化微珠等新材料的出现和发展，轻质、耐久、防火的轻集料砂浆逐渐应用于隧道衬砌中[10-11].除新材料改性砂浆外，采用粉煤灰等传统建筑材料提升轻集料砂浆性能也是研究热点，仉明坤等通过制备不同等级的细骨料砂浆，得到了粉煤灰对再生砂浆强度的一般影响规律[12]；伦云霞等[13]研究了粉煤灰砂浆稳定性的改善规律和作用机理，认为在水热养护制度下，掺加粉煤灰能改善砂浆的体积稳定性.

本文采用页岩陶砂制备轻集料砂浆，考察粉煤灰对砂浆工作性、强度、抗冻性、耐火性，以及吸声效果的影响，以期为低成本隧道衬砌用轻集料砂浆的开发提供技术积累.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

轻集料采用页岩陶砂，陶砂是以黏土、泥岩、各种页岩、板岩、干枚岩、煤矸石等为主要原料，经加工破碎成粒或粉磨成球，再烧胀而成的人造轻骨料.试验用陶砂的堆积密度为590 kg/m3、表观密度为1 539 kg/m3、孔隙率为46%，级配曲线见图1，为中砂，级配良好.

图1 陶砂的筛分曲线

粉煤灰采用某厂家生产的I级粉煤灰，化学成分组成见表1.

表1 粉煤灰化学成分组成 %

水泥采用P·O 42.5水泥，物理、力学性能指标满足文献[14]的要求，见表2.

表2 水泥的性能指标

减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，减水率约为19%.水采用市政自来水.

1.2 配合比与测试方法

采用相同质量的结合料，相同水胶比、胶集比，配制五组砂浆.粉煤灰采用内掺法添加，掺量的质量分数分别为0%，5%，10%，15%，20%，进而测定粉煤灰掺量对轻集料砂浆抗压强度、抗折强度、抗冻性能、耐火性能，以及吸水率的影响.为保证砂浆工作性适宜，通过减水剂掺量调节其和易性.经试配，确定的配合比见表3.

表3 配合比 kg

砂浆抗压和抗折强度、抗冻性、吸水率的评价依据文献[15]进行，冻融循环试验以试件的质量损失率达5%为终止条件，试验终止后，测定试件的抗压强度，再计算经冻融循环后的试件的抗压强度损失率，进一步评价其抗冻性能；耐火性评价采用高温燃烧法进行，将龄期28 d的标准试件置于800 ℃的高温炉中煅烧2 h，在20 ℃、95%的环境中静置10 d，再测定高温燃烧后的强度，并使用残余强度比(燃烧后与燃烧前的强度之比)进行耐火性评价.

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰掺量对砂浆力学性能的影响

粉煤灰掺量对试件抗压强度、抗折强度的影响见图2.掺入粉煤灰后，抗压和抗折强度均有较显著的提高.随粉煤灰掺量的增加，二者均呈现先大幅升高、再小幅下降的趋势.对于抗压和抗折强度而言，最佳粉煤灰掺量分别约为10%、5%.

图2 不同粉煤灰掺量试件的强度

2.2 粉煤灰掺量对砂浆抗冻性的影响

五种不同粉煤灰掺量的试件的抗压强度、冻融后抗压强度、强度损失率和质量损失率见图3.经冻融循坏，质量损失率达5%左右时，试件的抗压强度均有大幅下降.掺加粉煤灰后，强度损失逐渐下降，掺量从0%增加到15%的过程中，损失率从33.1%下降到16.8%，即粉煤灰对页岩陶砂轻集料砂浆的抗冻性具有明显的改善作用.然而，当掺量大于15%后，粉煤灰改善抗冻性的作用效率开始下降.

图3 不同粉煤灰掺量试件的抗冻性能

2.3 粉煤灰掺量对砂浆耐火性的影响

粉煤灰掺量对经800 ℃高温炉煅烧2 h后试件的残余强度、强度损失率的影响见图4.高温燃烧对页岩陶砂轻集料砂浆强度的危害极大，经高温燃烧，抗压强度损失可达92.3%，抗折强度损失可达85.5%.

图4 不同粉煤灰掺量试件的耐火性能

粉煤灰的掺加，对高温燃烧造成的强度损失有一定抑制作用，但作用效果非常有限.随粉煤灰掺量的增加，残余强度比均呈现先上升、后下降的趋势.掺量为10%时，残余抗压强度比最高，为10.0；掺量为5%时，残余抗折强度比最高，为20.7.但与未掺加粉煤灰的试件相比，掺加粉煤灰后，试件的强度损失率依然高达76%以上.

2.4 粉煤灰掺量对砂浆吸水率的影响

5种不同粉煤灰掺量的试件的质量、吸水率见图5.随粉煤灰掺量的增加，试件吸水率由6.4%降低至2.3%.粉煤灰的填充作用降低了砂浆试件的孔隙率.由于孔隙率直接影响着噪声吸收能力，因此，粉煤灰的引入也间接降低了页岩陶砂砂浆的吸声效果.

图5 不同粉煤灰掺量试件的吸水率

3 结 论

采用内掺法配制了五种粉煤灰掺量的页岩陶砂砂浆，测试了掺量对砂浆性能的影响.粉煤灰对砂浆强度、抗冻性等具有一定的改善作用，但防火、降噪等功能需求难以满足，将粉煤灰页岩陶砂轻集料砂浆直接应用于隧道衬砌仍需审慎对待.

1) 粉煤灰可提高页岩陶砂砂浆的强度，随掺量的增加，抗压和抗折强度均先升高、后降低.二者对应的最佳粉煤灰掺量分别约为10%，5%.

2) 冻融循环对页岩陶砂砂浆具有较强的破坏作用，掺加粉煤灰可有效改其善抗冻性，掺量大于15%后，改善效率明显下降.

3) 高温燃烧对页岩陶砂砂浆强度的危害极大，抗压和抗折强度损失可达92%.粉煤灰对耐火性能的改善作用有限，掺加粉煤灰后，强度损失率依然高达76%以上.

4) 掺加粉煤灰降低了页岩陶砂砂浆的孔隙率，对吸声效果具有一定负面影响.