自然养护下粉煤灰水泥砂浆的力学性能研究

2021-01-28邓海森彭静之徐紫怡

河南建材 2021年1期

田锐犹娅邓海森彭静之徐紫怡夏欣刘

长江师范学院土木建筑工程学院（408100）

粉煤灰是一种由火力发电厂燃煤锅炉排放的工业废渣。随着热电工业的发展，每年有大量粉煤灰排放并堆积，这不仅大量占用土地资源，而且污染环境，因此粉煤灰的综合利用具有重要的实际意义。粉煤灰含有活性Al2O3和活性SiO2，已被作为辅助性胶凝材料广泛应用于水泥和混凝土工业[1]。在水泥-粉煤灰复合胶凝材料体系中，粉煤灰的作用机理主要有以下三个方面:①微集料效应；②形态效应；③活性效应[2]。

通常，对粉煤灰-水泥基材料的研究多数是在标准养护（温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度95%以上）条件下进行的。然而在实际工程中，水泥基材料所处环境与标准养护条件相差甚远，故两种条件下的研究结果相差较大[3]。因此，文章研究了粉煤灰水泥砂浆在自然养护下的抗折和抗压强度变化，为粉煤灰-水泥复合胶凝材料的应用提供更多依据。

1 试验部分

1.1 原材料与砂浆配合比

水泥为P·O 42.5 水泥，粉煤灰为涪陵电厂排放的Ⅱ级粉煤灰，砂为细度模数为2.60 的天然中砂。

粉煤灰水泥砂浆的水胶比分别为0.35、0.45 和0.55，胶砂比为1∶3，其中粉煤灰取代水泥的质量百分数分别为0%（基准组）、10%、20%和30%，具体配合比见表1。

1.2 砂浆制备与养护

将搅拌均匀的砂浆拌合物成型于尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的钢模中，随即静置 24 h。然后拆模，再将砂浆试件放置于自然环境（温度为15 ℃～20 ℃，相对湿度为55%～65%）中养护。

1.3 力学性能测试

养护至一定龄期后，按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）》测试砂浆的抗折和抗压强度。

表1 砂浆配合比

2 结果与讨论

图1 为水胶比为0.35 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化图。龄期为3 d 时，M35-0、M35-10、M35-20 和 M35-30 砂浆的抗折强度分别为 7.1 MPa、6.7 MPa、6.5 MPa 和 3.9 MPa。可以看出：当粉煤灰掺量在20%以内时，砂浆的早期抗折强度下降并不明显；但当粉煤灰掺量为30%时，强度下降较为显著，相比于基准值（即粉煤灰掺量为0%的砂浆）下降了45.1%。这是因为粉煤灰虽有潜在水硬性，但其活性仍低于水泥，取代水泥后便会降低复合砂浆的强度（尤其是早期强度）；掺量越大，强度降低越明显。随着养护时间的延长，胶凝材料进一步水化，砂浆强度增加，四组砂浆的7 d 抗折强度分别增加至 7.7 MPa、7.4 MPa、7.2 MPa 和 5.8 MPa，其中粉煤灰掺量为30%的砂浆的强度相比于基准组仍有明显下降。进一步延长龄期至28 d，四组砂浆的抗折强度也分别增加为 8.0 MPa、7.7 MPa、8.0 MPa 和7.9 MPa，可以看出，各组粉煤灰砂浆的强度已接近于基准组。因为粉煤灰会在后期持续水化，粉煤灰砂浆的强度会逐渐赶上甚至超过不掺粉煤灰的砂浆。

图1 水胶比为0.35 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化

图2 为水胶比为0.45 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化图。由图可知，M45-0、M45-10、M45-20 和 M45-30 砂浆的 7 d 抗折强度分别为4.9 MPa、4.8 MPa、4.4 MPa 和 4.0 MPa。随着养护时间的延长，砂浆强度进一步增加，7 d 抗折强度分别增至 5.8 MPa、5.4 MPa、5.1 MPa 和 4.3 MPa，28 d 抗折强度分别为 7.0 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa 和 6.5 MPa。可见掺入粉煤灰降低了砂浆强度，且掺量越高，强度降低越明显；但掺粉煤灰砂浆的后期强度开始接近基准组。此外，水胶比为0.45 的砂浆的强度总体上低于水胶比为0.35 的砂浆，这是由于水胶比越大，水分蒸发后在砂浆内部留下的孔隙更多，相应的强度也就更低。但水胶比为0.45 的砂浆从7 d 至28 d 的强度增长率大于水胶比为0.35 的砂浆，因为水胶比越大，内部水分越多，胶凝材料的后期水化越充分，相应的强度增加也就越大。

图3 为水胶比为0.55 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化图。随着水胶比的进一步增大，砂浆抗折强度继续降低。例如，M55-0、M55-10、M55-20 和M55-30 砂浆的3 d 抗折强度分别为3.5 MPa、3.4 MPa、3.0 MPa 和 2.7 MPa，7 d 抗折强度分别为 3.5 MPa、3.6 MPa、3.4 MPa 和 3.1 MPa，28 d 抗折强度分别为 4.6 MPa、4.3 MPa、4.2 MPa 和 3.8 MPa。可见掺入粉煤灰降低了水泥砂浆的强度，且掺量越高，降低越显著。

图2 水胶比为0.45 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化

此外可以发现，总体而言，水胶比越小，掺粉煤灰砂浆相比于基准组的28 d 强度比值越高。例如，M55-10、M55-20 和 M55-30 砂浆相比于 M55-0 的28 d 抗折强度比分别为 93.5%、91.3%和 82.6%，M45-10、M45-20 和 M45-30 砂浆相比于 M45-0 的28 d 抗折强度比分别为98.6%、95.7%和82.8%，而M35-10、M35-20 和 M35-30 砂浆相比于 M35-0 的28 d 抗折强度比分别高达97.5%、100%和98.8%。该结果说明: 粉煤灰对水泥砂浆强度的作用不仅取决于掺量，还受水胶比的影响。水胶比越小，水泥砂浆的孔隙率越低，内部水分越少，粉煤灰后期不能充分水化，即粉煤灰的活性效应不能充分发挥，故掺粉煤灰砂浆的后期强度增长率更低，但同时其内部水泥水化产物与粉煤灰颗粒之间搭接得更为致密，即粉煤灰的微集料效应更为突出，因此掺粉煤灰砂浆的后期强度更接近于基准组；相反，水胶比更大（如0.55）时，水泥砂浆的孔隙率更低，内部水分更多，有利于粉煤灰的后期水化，生成的水化产物更多并填充在内部孔隙中，孔隙率降低更为明显，即粉煤灰的活性效应充分发挥，因此表现为高水胶比（0.55）的掺粉煤灰砂浆的后期强度增长率相比于低水胶比（0.35）的掺粉煤灰砂浆更高，但同时水泥水化产物与粉煤灰颗粒之间的搭接却变得不紧密，即粉煤灰的微集料效应作用较小，故掺粉煤灰砂浆的后期强度与基准组仍有较大差距。

图4 为水胶比为0.35 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化图。如图所示，M35-0、M35-10、M35-20 和 M35-30 砂浆的 3 d 抗压强度分别为29.1 MPa、24.9 MPa、26.2 MPa 和 16.7 MPa，7 d 抗压强度分别为 38.8 MPa、40.3 MPa、35.0 MPa 和26.9 MPa，28 d 抗压强度分别为 46.1 MPa、47.0 MPa、45.3 MPa 和 43.5 MPa。可以看出，粉煤灰砂浆的早期（3 d）抗压强度低于基准组，且粉煤灰掺量越高，强度降低越明显。但当龄期延长至7 d 和28 d 时，掺10%粉煤灰的砂浆的强度已高于基准组，说明掺入少量的粉煤灰有利于砂浆强度的提高；粉煤灰掺量较大（如20%和30%）时，尽管砂浆的抗压强度仍有所降低，但已经十分接近基准组的抗压强度。例如，M35-10、M35-20 和 M35-30 砂浆相比于M35-0 的28 d 抗压强度比分别为101.9%、98.3%和94.4%。

图3 水胶比为0.55 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗折强度变化

图4 水胶比为0.35 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化

图5 为水胶比为0.45 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化图。由图可知，M45-0、M45-10、M45-20 和 M45-30 砂浆的 3 d 抗压强度分别为19.1 MPa、18.1 MPa、16.0 MPa 和 15.1 MPa，7 d 抗压强度分别为 24.3 MPa、24.1 MPa、22.5 MPa 和18.6 MPa，28 d 抗压强度分别为 33.2 MPa、36.7 MPa、34.9 MPa 和 31.6 MPa。与抗折强度变化一样，水胶比增大后，砂浆的抗压强度总体降低；掺入粉煤灰总体上也降低了砂浆的早期抗压强度，且掺量越高，降低程度越大。但当粉煤灰掺量为10%和20%时，相应砂浆的28 d 抗压强度还高于基准组，分别为基准组的110.5%和105.1%，说明此时粉煤灰的活性已充分发挥出来，掺入少量的粉煤灰有利于提高砂浆强度；当粉煤灰掺量增加到30%时，尽管其砂浆抗压强度低于基准组，但也达到基准组的95.2%。

图5 水胶比为0.45 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化

图6 为水胶比为0.55 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化图。如图所示，M55-0、M55-10、M55-20 和 M55-30 砂浆的 3 d 抗压强度分别为19.0 MPa、15.4 MPa、12.8 MPa 和 11.4 MPa，7 d 抗压强度分别为 20.4 MPa、17.3 MPa、15.8 MPa 和13.8 MPa，28 d 抗压强度分别为 28.3 MPa、30.6 MPa、26.8 MPa 和 24.5 MPa。随着水胶比的进一步增加，砂浆抗压强度也继续降低，因为水分蒸发后留下的孔隙也持续增大。总体上，掺入粉煤灰也减低了砂浆的抗压强度，且掺量越高，强度降低越明显。但即使当粉煤灰掺量较低（10%）时，其砂浆的28 d 抗压强度也高于基准组；粉煤灰掺量分别为20%和30%的砂浆的强度略低于基准组，分别为基准组的94.7%和86.6%。

图6 水胶比为0.55 的不同粉煤灰掺量的水泥砂浆抗压强度变化

上述试验结果显示，在自然养护条件下，掺入粉煤灰总体上会降低砂浆的早期强度，且掺量越高，强度降低越明显；但当粉煤灰掺量较低（10%）时，其砂浆后期强度甚至会超过不掺粉煤灰的基准组砂浆；尽管粉煤灰掺量增加到20% 和30%时，砂浆强度会低于基准组，但也达到基准组的90%左右。此外，其它研究表明，掺入粉煤灰还会提高水泥基材料的耐久性能。因此，在一些对强度要求不高的工程中，可以利用较大掺量的粉煤灰来取代水泥，这既能充分利用粉煤灰这类工业废弃物，也能减少水泥的用量，从而达到固废资源化利用和节能环保的目的。