田 銳 猶 婭 鄧海森 彭靜之 徐紫怡 夏 欣 劉

長江師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院（408100）

粉煤灰是一種由火力發(fā)電廠燃煤鍋爐排放的工業(yè)廢渣。隨著熱電工業(yè)的發(fā)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(huán)境，因此粉煤灰的綜合利用具有重要的實(shí)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(yīng)用于水泥和混凝土工業(yè)[1]。在水泥-粉煤灰復(fù)合膠凝材料體系中，粉煤灰的作用機(jī)理主要有以下三個(gè)方面:①微集料效應(yīng)；②形態(tài)效應(yīng)；③活性效應(yīng)[2]。

通常，對粉煤灰-水泥基材料的研究多數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度95%以上）條件下進(jìn)行的。然而在實(shí)際工程中，水泥基材料所處環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相差甚遠(yuǎn)，故兩種條件下的研究結(jié)果相差較大[3]。因此，文章研究了粉煤灰水泥砂漿在自然養(yǎng)護(hù)下的抗折和抗壓強(qiáng)度變化，為粉煤灰-水泥復(fù)合膠凝材料的應(yīng)用提供更多依據(jù)。

1 試驗(yàn)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(xì)度模數(shù)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為0%（基準(zhǔn)組）、10%、20%和30%，具體配合比見表1。

1.2 砂漿制備與養(yǎng)護(hù)

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(huán)境（溫度為15 ℃～20 ℃，相對濕度為55%～65%）中養(yǎng)護(hù)。

1.3 力學(xué)性能測試

養(yǎng)護(hù)至一定齡期后，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》測試砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度。

表1 砂漿配合比

2 結(jié)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(qiáng)度變化圖。齡期為3 d 時(shí)，M35-0、M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿的抗折強(qiáng)度分別為 7.1 MPa、6.7 MPa、6.5 MPa 和 3.9 MPa?？梢钥闯觯寒?dāng)粉煤灰摻量在20%以內(nèi)時(shí)，砂漿的早期抗折強(qiáng)度下降并不明顯；但當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，強(qiáng)度下降較為顯著，相比于基準(zhǔn)值 （即粉煤灰摻量為0%的砂漿）下降了45.1%。這是因?yàn)榉勖夯译m有潛在水硬性，但其活性仍低于水泥，取代水泥后便會(huì)降低復(fù)合砂漿的強(qiáng)度（尤其是早期強(qiáng)度）；摻量越大，強(qiáng)度降低越明顯。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，膠凝材料進(jìn)一步水化，砂漿強(qiáng)度增加，四組砂漿的7 d 抗折強(qiáng)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(qiáng)度相比于基準(zhǔn)組仍有明顯下降。進(jìn)一步延長齡期至28 d，四組砂漿的抗折強(qiáng)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(qiáng)度已接近于基準(zhǔn)組。因?yàn)榉勖夯視?huì)在后期持續(xù)水化，粉煤灰砂漿的強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度分別為4.9 MPa、4.8 MPa、4.4 MPa 和 4.0 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，砂漿強(qiáng)度進(jìn)一步增加，7 d 抗折強(qiáng)度分別增至 5.8 MPa、5.4 MPa、5.1 MPa 和 4.3 MPa，28 d 抗折 強(qiáng) 度 分 別 為 7.0 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa 和 6.5 MPa?？梢姄饺敕勖夯医档土松皾{強(qiáng)度，且摻量越高，強(qiáng)度降低越明顯；但摻粉煤灰砂漿的后期強(qiáng)度開始接近基準(zhǔn)組。此外，水膠比為0.45 的砂漿的強(qiáng)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(fā)后在砂漿內(nèi)部留下的孔隙更多，相應(yīng)的強(qiáng)度也就更低。但水膠比為0.45 的砂漿從7 d 至28 d 的強(qiáng)度增長率大于水膠比為0.35 的砂漿，因?yàn)樗z比越大，內(nèi)部水分越多，膠凝材料的后期水化越充分，相應(yīng)的強(qiáng)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(qiáng)度變化圖。隨著水膠比的進(jìn)一步增大，砂漿抗折強(qiáng)度繼續(xù)降低。例如，M55-0、M55-10、M55-20 和M55-30 砂漿的3 d 抗折強(qiáng)度分別為3.5 MPa、3.4 MPa、3.0 MPa 和 2.7 MPa，7 d 抗折強(qiáng)度分別為 3.5 MPa、3.6 MPa、3.4 MPa 和 3.1 MPa，28 d 抗折 強(qiáng) 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(qiáng)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(qiáng)度變化

此外可以發(fā)現(xiàn)，總體而言，水膠比越小，摻粉煤灰砂漿相比于基準(zhǔn)組的28 d 強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度比分別高達(dá)97.5%、100%和98.8%。該結(jié)果說明: 粉煤灰對水泥砂漿強(qiáng)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(nèi)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(yīng)不能充分發(fā)揮，故摻粉煤灰砂漿的后期強(qiáng)度增長率更低，但同時(shí)其內(nèi)部水泥水化產(chǎn)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(yīng)更為突出，因此摻粉煤灰砂漿的后期強(qiáng)度更接近于基準(zhǔn)組；相反，水膠比更大（如0.55）時(shí)，水泥砂漿的孔隙率更低，內(nèi)部水分更多，有利于粉煤灰的后期水化，生成的水化產(chǎn)物更多并填充在內(nèi)部孔隙中，孔隙率降低更為明顯，即粉煤灰的活性效應(yīng)充分發(fā)揮，因此表現(xiàn)為高水膠比（0.55）的摻粉煤灰砂漿的后期強(qiáng)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(shí)水泥水化產(chǎn)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(yīng)作用較小，故摻粉煤灰砂漿的后期強(qiáng)度與基準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)度分別為29.1 MPa、24.9 MPa、26.2 MPa 和 16.7 MPa，7 d 抗壓 強(qiáng) 度 分 別 為 38.8 MPa、40.3 MPa、35.0 MPa 和26.9 MPa，28 d 抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為 46.1 MPa、47.0 MPa、45.3 MPa 和 43.5 MPa?？梢钥闯?，粉煤灰砂漿的早期（3 d）抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組，且粉煤灰摻量越高，強(qiáng)度降低越明顯。但當(dāng)齡期延長至7 d 和28 d 時(shí)，摻10%粉煤灰的砂漿的強(qiáng)度已高于基準(zhǔn)組，說明摻入少量的粉煤灰有利于砂漿強(qiáng)度的提高；粉煤灰摻量較大（如20%和30%）時(shí)，盡管砂漿的抗壓強(qiáng)度仍有所降低，但已經(jīng)十分接近基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度。例如，M35-10、M35-20 和 M35-30 砂漿相比于M35-0 的28 d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度分別為19.1 MPa、18.1 MPa、16.0 MPa 和 15.1 MPa，7 d 抗壓 強(qiáng) 度 分 別 為 24.3 MPa、24.1 MPa、22.5 MPa 和18.6 MPa，28 d 抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為 33.2 MPa、36.7 MPa、34.9 MPa 和 31.6 MPa。與抗折強(qiáng)度變化一樣，水膠比增大后，砂漿的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，且摻量越高，降低程度越大。但當(dāng)粉煤灰摻量為10%和20%時(shí)，相應(yīng)砂漿的28 d 抗壓強(qiáng)度還高于基準(zhǔn)組，分別為基準(zhǔn)組的110.5%和105.1%，說明此時(shí)粉煤灰的活性已充分發(fā)揮出來，摻入少量的粉煤灰有利于提高砂漿強(qiáng)度；當(dāng)粉煤灰摻量增加到30%時(shí)，盡管其砂漿抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組，但也達(dá)到基準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度分別為19.0 MPa、15.4 MPa、12.8 MPa 和 11.4 MPa，7 d 抗壓 強(qiáng) 度 分 別 為 20.4 MPa、17.3 MPa、15.8 MPa 和13.8 MPa，28 d 抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為 28.3 MPa、30.6 MPa、26.8 MPa 和 24.5 MPa。隨著水膠比的進(jìn)一步增加，砂漿抗壓強(qiáng)度也繼續(xù)降低，因?yàn)樗终舭l(fā)后留下的孔隙也持續(xù)增大?？傮w上，摻入粉煤灰也減低了砂漿的抗壓強(qiáng)度，且摻量越高，強(qiáng)度降低越明顯。但即使當(dāng)粉煤灰摻量較低（10%）時(shí)，其砂漿的28 d 抗壓強(qiáng)度也高于基準(zhǔn)組；粉煤灰摻量分別為20%和30%的砂漿的強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組，分別為基準(zhǔn)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(qiáng)度變化

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，在自然養(yǎng)護(hù)條件下，摻入粉煤灰總體上會(huì)降低砂漿的早期強(qiáng)度，且摻量越高，強(qiáng)度降低越明顯；但當(dāng)粉煤灰摻量較低（10%）時(shí)，其砂漿后期強(qiáng)度甚至?xí)^不摻粉煤灰的基準(zhǔn)組砂漿；盡管粉煤灰摻量增加到20% 和30%時(shí)，砂漿強(qiáng)度會(huì)低于基準(zhǔn)組，但也達(dá)到基準(zhǔn)組的90%左右。此外，其它研究表明，摻入粉煤灰還會(huì)提高水泥基材料的耐久性能。因此，在一些對強(qiáng)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(yè)廢棄物，也能減少水泥的用量，從而達(dá)到固廢資源化利用和節(jié)能環(huán)保的目的。

3 結(jié)論

1）粉煤灰水泥砂漿的早期力學(xué)性能低于基準(zhǔn)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(shí)，對應(yīng)砂漿的后期強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)組；盡管粉煤灰摻量分別為20%和30%的砂漿的28 d 強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組，但降低并不明顯。

3）在一些對強(qiáng)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(dá)到固廢資源化利用和節(jié)能環(huán)保的目的。