自然養護下粉煤灰水泥砂漿的力學性能研究

田 銳 猶 婭 鄧海森 彭靜之 徐紫怡 夏 欣 劉

長江師范學院土木建筑工程學院（408100）

粉煤灰是一種由火力發電廠燃煤鍋爐排放的工業廢渣。隨著熱電工業的發展，每年有大量粉煤灰排放并堆積，這不僅大量占用土地資源，而且污染環境，因此粉煤灰的綜合利用具有重要的實際意義。粉煤灰含有活性Al2O3和活性SiO2，已被作為輔助性膠凝材料廣泛應用于水泥和混凝土工業[1]。在水泥-粉煤灰復合膠凝材料體系中，粉煤灰的作用機理主要有以下三個方面:①微集料效應；②形態效應；③活性效應[2]。

通常，對粉煤灰-水泥基材料的研究多數是在標準養護（溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度95%以上）條件下進行的。然而在實際工程中，水泥基材料所處環境與標準養護條件相差甚遠，故兩種條件下的研究結果相差較大[3]。因此，文章研究了粉煤灰水泥砂漿在自然養護下的抗折和抗壓強度變化，為粉煤灰-水泥復合膠凝材料的應用提供更多依據。

1 試驗部分

1.1 原材料與砂漿配合比

水泥為P·O 42.5 水泥，粉煤灰為涪陵電廠排放的Ⅱ級粉煤灰，砂為細度模數為2.60 的天然中砂。

粉煤灰水泥砂漿的水膠比分別為0.35、0.45 和0.55，膠砂比為1∶3，其中粉煤灰取代水泥的質量百分數分別為0%（基準組）、10%、20%和30%，具體配合比見表1。

1.2 砂漿制備與養護

將攪拌均勻的砂漿拌合物成型于尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的鋼模中，隨即靜置 24 h。然后拆模，再將砂漿試件放置于自然環境（溫度為15 ℃～20 ℃，相對濕度為55%～65%）中養護。

1.3 力學性能測試

養護至一定齡期后，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》測試砂漿的抗折和抗壓強度。

表1 砂漿配合比

2 結果與討論

圖1 為水膠比為0.35 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化圖。齡期為3 d 時，M35-0、M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿的抗折強度分別為 7.1 MPa、6.7 MPa、6.5 MPa 和 3.9 MPa。可以看出：當粉煤灰摻量在20%以內時，砂漿的早期抗折強度下降并不明顯；但當粉煤灰摻量為30%時，強度下降較為顯著，相比于基準值 （即粉煤灰摻量為0%的砂漿）下降了45.1%。這是因為粉煤灰雖有潛在水硬性，但其活性仍低于水泥，取代水泥后便會降低復合砂漿的強度（尤其是早期強度）；摻量越大，強度降低越明顯。隨著養護時間的延長，膠凝材料進一步水化，砂漿強度增加，四組砂漿的7 d 抗折強度分別增加至 7.7 MPa、7.4 MPa、7.2 MPa 和 5.8 MPa，其中粉煤灰摻量為30%的砂漿的強度相比于基準組仍有明顯下降。進一步延長齡期至28 d，四組砂漿的抗折強度也分別增加為 8.0 MPa、7.7 MPa、8.0 MPa 和7.9 MPa，可以看出，各組粉煤灰砂漿的強度已接近于基準組。因為粉煤灰會在后期持續水化，粉煤灰砂漿的強度會逐漸趕上甚至超過不摻粉煤灰的砂漿。

圖1 水膠比為0.35 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化

圖2 為水膠比為0.45 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化圖。由圖可知，M45-0、M45-10、M45-20 和 M45-30 砂漿的 7 d 抗折強度分別為4.9 MPa、4.8 MPa、4.4 MPa 和 4.0 MPa。隨著養護時間的延長，砂漿強度進一步增加，7 d 抗折強度分別增至 5.8 MPa、5.4 MPa、5.1 MPa 和 4.3 MPa，28 d 抗折 強 度 分 別 為 7.0 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa 和 6.5 MPa。可見摻入粉煤灰降低了砂漿強度，且摻量越高，強度降低越明顯；但摻粉煤灰砂漿的后期強度開始接近基準組。此外，水膠比為0.45 的砂漿的強度總體上低于水膠比為0.35 的砂漿，這是由于水膠比越大，水分蒸發后在砂漿內部留下的孔隙更多，相應的強度也就更低。但水膠比為0.45 的砂漿從7 d 至28 d 的強度增長率大于水膠比為0.35 的砂漿，因為水膠比越大，內部水分越多，膠凝材料的后期水化越充分，相應的強度增加也就越大。

圖3 為水膠比為0.55 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化圖。隨著水膠比的進一步增大，砂漿抗折強度繼續降低。例如，M55-0、M55-10、M55-20 和M55-30 砂漿的3 d 抗折強度分別為3.5 MPa、3.4 MPa、3.0 MPa 和 2.7 MPa，7 d 抗折強度分別為 3.5 MPa、3.6 MPa、3.4 MPa 和 3.1 MPa，28 d 抗折 強 度 分 別 為 4.6 MPa、4.3 MPa、4.2 MPa 和 3.8 MPa。可見摻入粉煤灰降低了水泥砂漿的強度，且摻量越高，降低越顯著。

圖2 水膠比為0.45 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化

此外可以發現，總體而言，水膠比越小，摻粉煤灰砂漿相比于基準組的28 d 強度比值越高。例如，M55-10、M55-20 和 M55-30 砂漿相比于 M55-0 的28 d 抗折強度比分別為 93.5%、91.3%和 82.6%，M45-10、M45-20 和 M45-30 砂漿相比于 M45-0 的28 d 抗折強度比分別為98.6%、95.7%和82.8%，而M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿相比于 M35-0 的28 d 抗折強度比分別高達97.5%、100%和98.8%。該結果說明: 粉煤灰對水泥砂漿強度的作用不僅取決于摻量，還受水膠比的影響。水膠比越小，水泥砂漿的孔隙率越低，內部水分越少，粉煤灰后期不能充分水化，即粉煤灰的活性效應不能充分發揮，故摻粉煤灰砂漿的后期強度增長率更低，但同時其內部水泥水化產物與粉煤灰顆粒之間搭接得更為致密，即粉煤灰的微集料效應更為突出，因此摻粉煤灰砂漿的后期強度更接近于基準組；相反，水膠比更大（如0.55）時，水泥砂漿的孔隙率更低，內部水分更多，有利于粉煤灰的后期水化，生成的水化產物更多并填充在內部孔隙中，孔隙率降低更為明顯，即粉煤灰的活性效應充分發揮，因此表現為高水膠比（0.55）的摻粉煤灰砂漿的后期強度增長率相比于低水膠比（0.35）的摻粉煤灰砂漿更高，但同時水泥水化產物與粉煤灰顆粒之間的搭接卻變得不緊密，即粉煤灰的微集料效應作用較小，故摻粉煤灰砂漿的后期強度與基準組仍有較大差距。

圖4 為水膠比為0.35 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化圖。如圖所示，M35-0、M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿的 3 d 抗壓強度分別為29.1 MPa、24.9 MPa、26.2 MPa 和 16.7 MPa，7 d 抗壓 強 度 分 別 為 38.8 MPa、40.3 MPa、35.0 MPa 和26.9 MPa，28 d 抗 壓 強 度 分 別 為 46.1 MPa、47.0 MPa、45.3 MPa 和 43.5 MPa。可以看出，粉煤灰砂漿的早期（3 d）抗壓強度低于基準組，且粉煤灰摻量越高，強度降低越明顯。但當齡期延長至7 d 和28 d 時，摻10%粉煤灰的砂漿的強度已高于基準組，說明摻入少量的粉煤灰有利于砂漿強度的提高；粉煤灰摻量較大（如20%和30%）時，盡管砂漿的抗壓強度仍有所降低，但已經十分接近基準組的抗壓強度。例如，M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿相比于M35-0 的28 d 抗壓強度比分別為101.9%、98.3%和94.4%。

圖3 水膠比為0.55 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗折強度變化

圖4 水膠比為0.35 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化

圖5 為水膠比為0.45 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化圖。由圖可知，M45-0、M45-10、M45-20 和 M45-30 砂漿的 3 d 抗壓強度分別為19.1 MPa、18.1 MPa、16.0 MPa 和 15.1 MPa，7 d 抗壓 強 度 分 別 為 24.3 MPa、24.1 MPa、22.5 MPa 和18.6 MPa，28 d 抗 壓 強 度 分 別 為 33.2 MPa、36.7 MPa、34.9 MPa 和 31.6 MPa。與抗折強度變化一樣，水膠比增大后，砂漿的抗壓強度總體降低；摻入粉煤灰總體上也降低了砂漿的早期抗壓強度，且摻量越高，降低程度越大。但當粉煤灰摻量為10%和20%時，相應砂漿的28 d 抗壓強度還高于基準組，分別為基準組的110.5%和105.1%，說明此時粉煤灰的活性已充分發揮出來，摻入少量的粉煤灰有利于提高砂漿強度；當粉煤灰摻量增加到30%時，盡管其砂漿抗壓強度低于基準組，但也達到基準組的95.2%。

圖5 水膠比為0.45 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化

圖6 為水膠比為0.55 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化圖。如圖所示，M55-0、M55-10、M55-20 和 M55-30 砂漿的 3 d 抗壓強度分別為19.0 MPa、15.4 MPa、12.8 MPa 和 11.4 MPa，7 d 抗壓 強 度 分 別 為 20.4 MPa、17.3 MPa、15.8 MPa 和13.8 MPa，28 d 抗 壓 強 度 分 別 為 28.3 MPa、30.6 MPa、26.8 MPa 和 24.5 MPa。隨著水膠比的進一步增加，砂漿抗壓強度也繼續降低，因為水分蒸發后留下的孔隙也持續增大。總體上，摻入粉煤灰也減低了砂漿的抗壓強度，且摻量越高，強度降低越明顯。但即使當粉煤灰摻量較低（10%）時，其砂漿的28 d 抗壓強度也高于基準組；粉煤灰摻量分別為20%和30%的砂漿的強度略低于基準組，分別為基準組的94.7%和86.6%。

圖6 水膠比為0.55 的不同粉煤灰摻量的水泥砂漿抗壓強度變化

上述試驗結果顯示，在自然養護條件下，摻入粉煤灰總體上會降低砂漿的早期強度，且摻量越高，強度降低越明顯；但當粉煤灰摻量較低（10%）時，其砂漿后期強度甚至會超過不摻粉煤灰的基準組砂漿；盡管粉煤灰摻量增加到20% 和30%時，砂漿強度會低于基準組，但也達到基準組的90%左右。此外，其它研究表明，摻入粉煤灰還會提高水泥基材料的耐久性能。因此，在一些對強度要求不高的工程中，可以利用較大摻量的粉煤灰來取代水泥，這既能充分利用粉煤灰這類工業廢棄物，也能減少水泥的用量，從而達到固廢資源化利用和節能環保的目的。

3 結論

1）粉煤灰水泥砂漿的早期力學性能低于基準組（不摻粉煤灰的砂漿），且粉煤灰摻量越高，降低越顯著。

2）粉煤灰摻量較低（10%）時，對應砂漿的后期強度略高于基準組；盡管粉煤灰摻量分別為20%和30%的砂漿的28 d 強度低于基準組，但降低并不明顯。

3）在一些對強度要求不高的工程中，可以利用較大摻量的粉煤灰來取代水泥，這既能充分利用粉煤灰，也能減少水泥的用量，從而達到固廢資源化利用和節能環保的目的。