不同聚灰比及不同掺量粉煤灰对砂浆性能的影响研究

周文凯（福建闽东建设发展有限公司，福建 宁德 352100）

随着国内经济水平的提升，土木建筑材料开始向高性能高质量的方向发展。土木行业从业者开始向土木工程材料中掺入聚合物来提升水泥砂浆的各种性能。聚合物改性水泥砂浆是由聚合物与水泥砂浆复合改性而成，具有优良的抗压、抗折强度及抗渗性能，被广泛应用于混凝土工程中的修补、防水及防腐处理[1,2]。因此，分析聚合物改性水泥砂浆的力学性能及耐久性能具有十分重要的工程实践意义。

目前，研究者已经开展了聚合物改性水泥砂浆的力学性能及耐久性能方面的研究工作[3,4]。为了响应国家对固体废弃物高效利用的号召，有效解决其乱堆乱放的问题，研究者开始将粉煤灰、硅灰等固体废弃物掺入聚合物改性水泥砂浆中。然而，目前针对聚灰比及粉煤灰比例对高强砂浆性能的影响规律尚未进行全面分析，其提升效果仍需要进行深入系统的研究。基于此，文中开展28d 养护龄期下不同粉煤灰掺量（0%、5%、10%、15%、20%）、不同养护龄期（3d、7d、28d）及不同聚灰比掺量（0%、2%、4%、6%、8%）对砂浆抗压强度、抗折强度及氯离子渗透系数的影响，以期为高质量砂浆的性能提升及级配优化设计提供参考，助力高品质建筑工程的建设。

1 试验材料及方法

1.1 材料

采用的试验材料包括聚合物EVA 乳液、细砂、水泥、粉煤灰、减水剂和自来水。其中，聚合物EVA 乳液的pH 值为4.5，粘度为600MPa·s，最大粒径不超过0.5μm；砂为机制砂，最大粒径为2.5mm，表观密度为2.54g/cm3；水泥的强度等级为42.5级；粉煤灰强度等级为Ⅱ级；减水剂的减水率不超过35%。

1.2 配合比

根据以往的研究经验，养护初期粉煤灰对水泥砂浆性能的影响规律比较单一，不能确定最佳的粉煤灰掺量，因此，本文仅分析了28d 养护龄期下水泥砂浆性能与粉煤灰掺量的相关关系。严格按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[5]中的要求进行不同聚合物及粉煤灰掺量的高强砂浆组成材料比例设计，结果如表1 所示。本文高强水泥砂浆的制备及养护过程参照规范GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法》（ISO法）[6]中规定的进行。

表1 高强水泥砂浆材料配合比

1.3 测试方法

严格依照规范DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》[7]规定的测试方法及计算步骤进行自密实混凝土抗折强度及抗压强度的测试及计算。自密实混凝土的抗氯离子渗透性能试验严格按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[8]中的操作步骤及计算方法进行，采用RCMNTB型氯离子扩散系数测定仪进行抗氯离子渗透系数的测试。

2 粉煤灰掺量对砂浆性能的影响研究

2.1 粉煤灰掺量对砂浆力学强度的影响

采用上述确定的测试方法及计算方法测试并计算了28d 养护龄期下不同粉煤灰掺量下高强水泥砂浆的抗折强度及抗压强度，其分别与粉煤灰掺量的相关关系如图1 所示。从图1 可以看出，高强水泥砂浆的28d养护龄期下，抗折强度、抗压强度与粉煤灰掺量均呈现先近似正向相关后下降的相关关系。当粉煤灰掺量达到15%时，水泥砂浆的抗折及抗压强度达到最高。这是由于养护后期，低掺量粉煤灰参与水泥砂浆的水化反应，增加了水泥砂浆内部的水化产物，提升其粘聚力，降低其流动性，进而提升了水泥砂浆的抗折强度和抗压强度。然而，当粉煤灰掺量过高后，替代水泥的比例增加，减少了水泥与水反应生成的水化产物数量，反而抑制了水泥砂浆的力学强度。对于抗折强度与粉煤灰掺量的相关关系而言，近似线性上升阶段的增长率为每增加1%的粉煤灰，抗折强度增加值为0.11MPa；对于抗压强度与粉煤灰掺量的相关关系而言，近似线性上升阶段的增长率为每增加1%的粉煤灰，抗压强度增加值为0.49MPa。这表明，粉煤灰掺量的增加对于水泥砂浆的抗压强度提升效果更为显著。

图1 砂浆力学性能与粉煤灰掺量的相关关系

2.2 粉煤灰掺量对砂浆耐久性能的影响

采用上述确定的测试及计算方法测试并计算了28d养护龄期下，不同粉煤灰掺量下高强水泥砂浆的氯离子渗透系数，其与粉煤灰掺量的相关关系如图2 所示。从图2可以看出，高强水泥砂浆的28d养护龄期下氯离子渗透系数与粉煤灰掺量呈现先近似负向相关后上升的相关关系。对于氯离子渗透系数与粉煤灰掺量的相关关系而言，近似线性降低阶段的下降率为每增加1%的粉煤灰，渗透系数降低值为0.04×10-12m2/s。当粉煤灰掺量达到15%时，水泥砂浆的氯离子渗透系数达到最低，即其耐久性能达到最强。这是由于养护后期，低掺量粉煤灰参与水泥砂浆的水化反应，增加了水泥砂浆内部的水化产物，有效填充了水泥砂浆内部的空隙，减少了连通空隙的数量，强化了水泥砂浆内部的密实性，进而降低了水泥砂浆的氯离子渗透系数，提升了水泥砂浆的耐久性能。然而，当粉煤灰掺量过高后，替代水泥的比例过多，减少了水泥与水反应生成的水化产物数量，水泥砂浆内部的连通空隙不能得到有效填充，连通空隙数量增加，氯离子扩散系数反而增加，即高掺量下的粉煤灰反而使得水泥砂浆的耐久性能有所下降。

图2 砂浆氯离子渗透系数与粉煤灰掺量的相关关系

3 聚灰比对砂浆性能的影响研究

3.1 聚灰比对砂浆力学强度的影响

根据上述分析可知，最佳的粉煤灰掺量为15%。因此，后续进行聚灰比对水泥砂浆性能影响规律研究的过程中，通过控制粉煤灰掺量为15%、改变聚灰比的方式进行不同龄期下聚灰比对水泥砂浆性能的研究。采用上述确定的测试及计算方法测试并计算了3d、7d及28d养护龄期下，不同聚灰比下高强水泥砂浆的抗折强度及抗压强度与聚灰比的相关关系如图3 所示。从图3 中可以看出，所有养护龄期下，高强水泥砂浆的抗折及抗压强度与聚灰比均呈现先近似正向相关后下降的相关关系。当聚灰比达到4%时，高强水泥砂浆的抗折及抗压强度达到最高。这是由于低掺量的EVA 乳液，一方面可以有效填充水泥砂浆内部的空隙，降低其流动性；另一方面EVA乳液具有成膜的效应，在水泥水化反应的过程中可以起到封闭水泥砂浆内部连通空隙的作用，双重作用下增强了水泥砂浆的力学强度。但是由于EVA 乳液具有一定的引气作用，拌合过程中会将气体引入水泥砂浆中，使得高强水泥砂浆中内部连通孔隙的增加速度超过EVA 乳液的填充速度，使得水泥砂浆内部结构骨架松散，反而降低水泥砂浆的力学强度。

图3 砂浆力学性能与聚灰比的相关关系

由于所有养护龄期下，水泥砂浆的抗折及抗压强度与聚灰比的演变规律一致。对于28d 抗折强度与聚灰比的相关关系而言，近似线性上升阶段的增长率为每增加1%的聚灰比，抗折强度增加值为0.4MPa；对于抗压强度与聚灰比的相关关系而言，近似线性上升阶段的增长率为每增加1%的聚灰比，抗压强度增加值为4MPa。这意味着，聚灰比的增加对于高强水泥砂浆的抗压强度提升效果更为显著。

此外，所有聚灰比条件下，高强水泥砂浆的抗压及抗折强度与养护龄期呈现正相关关系，且养护初期，水泥砂浆的抗压及抗折强度提升更为显著。这是由于养护初期，水泥砂浆内部的聚合物、粉煤灰、水泥与水之间的水化反应更为剧烈，产生大量的水化产物，可以有效提升水泥砂浆的力学强度。

3.2 聚灰比对砂浆耐久性能的影响

采用上述确定的测试及计算方法测试并计算了28d 养护龄期下不同聚灰比下高强水泥砂浆的氯离子渗透系数，其与聚灰比的相关关系如图4所示。从图4中可以看出，高强水泥砂浆的28d养护龄期下氯离子渗透系数与聚灰比呈现先近似负向相关后上升的相关关系。对于氯离子渗透系数与聚灰比的相关关系而言，近似线性下降阶段的下降率为每增加1%的聚灰比，渗透系数降低值为0.47×10-12m2/s。当聚灰比达到4%时，水泥砂浆的氯离子渗透系数达到最低，即其耐久性能达到最强。这是由于低掺量的EVA 乳液，一方面可以有效填充水泥砂浆内部的空隙，另一方面EVA 乳液具有成膜的效应，在水泥水化反应的过程中可以起到封闭水泥砂浆内部连通空隙的作用，双重作用下有效减少了氯离子的扩散路径，降低了水泥砂浆的氯离子扩散系数，进而提升其耐久性能。但是由于EVA 乳液具有一定的引气作用，拌合过程中会将气体引入水泥砂浆中，使得高强水泥砂浆中内部连通孔隙的增加速度超过EVA 乳液的填充速度，使得水泥砂浆内部的连通孔道增加，增加了氯离子的扩散通道，使得氯离子扩散系数增加，反而降低了水泥砂浆的耐久性能。

图4 砂浆氯离子扩散系数与聚灰比的相关关系

4 结语

（1）高强水泥砂浆的28d养护龄期下抗折及抗压强度与粉煤灰掺量均呈现先近似正向相关后下降的相关关系。当粉煤灰掺量达到15%时，水泥砂浆的抗折及抗压强度达到最高。

（2）高强水泥砂浆的28d养护龄期下氯离子渗透系数与粉煤灰掺量呈现先近似负向相关后上升的相关关系。对于氯离子渗透系数与粉煤灰掺量的相关关系而言，近似线性降低阶段的下降率为每增加1%的粉煤灰，渗透系数降低值为0.04×10-12m2/s。当粉煤灰掺量达到15%时，水泥砂浆的氯离子渗透系数达到最低，即其耐久性能达到最强。

（3）所有养护龄期下，高强水泥砂浆的抗折及抗压强度与聚灰比均呈现先近似正向相关后下降的相关关系。当聚灰比达到4%时，高强水泥砂浆的抗折及抗压强度达到最高。

（4）高强水泥砂浆的28d养护龄期下氯离子渗透系数与聚灰比呈现先近似负向相关后上升的相关关系。对于氯离子渗透系数与聚灰比的相关关系而言，近似线性下降阶段的下降率为每增加1%的聚灰比，渗透系数降低值为0.47×10-12m2/s。当聚灰比达到4%时，水泥砂浆的氯离子渗透系数达到最低，即其耐久性能达到最强。

（5）所有聚灰比条件下，高强水泥砂浆的抗压及抗折强度与养护龄期呈现正相关关系，且养护初期，水泥砂浆的抗压及抗折强度提升更为显著。

（6）粉煤灰掺量及聚灰比的增加对于水泥砂浆的抗压强度提升效果更为显著。