粉煤灰掺量对相同浆体体积比砂浆性能的影响

白金剑,李 帅,刘茉莉,沈小红

（1.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸 056038;2.山东汇智工程设计有限公司,山东淄博 255036;3.河北工程大学城市建设学院,河北 邯郸 056038）

1919 年Abrams提出了在世界各地普遍应用的水灰比（W/C）定理:当混凝土原材料确定后,只要保证混凝土浇筑密实,则它的强度与W/C关系为

但由于采用指数形式不方便以及没有考虑水化程度等因素,Bolomey又提出了比较简单的双曲线方程f=A+B·C/W,称为Bolomey公式。目前,我国应用的混凝土强度公式fcu,0=Afce（C/W-B）是Bolomey公式的另一种表示形式[1]。

从上面公式的提出和发展,可以看出混凝土原材料确定以后,W/C决定混凝土强度大小,同时为保证混凝土密实,必须有足够的浆体[2]。本文在满足砂浆工作性的前提下,采用相同的浆体包裹相同的骨料,即相同浆体体积比配制粉煤灰砂浆,研究不同粉煤灰掺量对砂浆力学指标、工作性能以及碳化深度的影响。

1 浆体体积比

浆体体积比指新拌浆体（混凝土或砂浆）的体积与新拌浆体总的体积的比值,用RJ来表示,其表达式为

水胶比是指每立方米混凝土的用水量与所有胶凝材料用量的比值,通常用 W/B来表示,计算公式如下:

式中ki—新拌浆体中第i种胶凝材料占总胶凝材料的质量百分比。

2 原料及方法

2.1 原材料

水泥:山东山水水泥集团有限公司,硅酸盐水泥PI52.5,其化学成分、物理指标见表1、表2。

粉煤灰:日照华能电厂Ⅰ级粉煤灰（表3）。

标准砂:厦门艾思欧标准砂有限公司,中国ISO标准砂,其细度模数2.4。

减水剂:山东华伟银凯建材有限公司生产的NOF-AS缓凝高效减水剂,减水率25%。

2.2 试验方法

砂浆工作性参照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测试方法》进行[3]。砂浆抗折、抗压强度参照GB/T 177-1985《水泥胶砂强度检验方法》进行。试验所用试件为掺粉煤灰的水泥砂浆试件,尺寸均为40 mm×40 mm×160 mm的长方体,经标准养护后,通过TYE-3000型压力机测试砂浆的3 d、7 d、28 d抗折、抗压强度。砂浆的碳化试验,充分暴露在室外环境中,达到一定的龄期后,再用1%～2%酚酞酒精指示剂检验碳化深度。

采用的水胶比、粉煤灰掺量见表4。

表1 水泥熟料化学成分Tab.1 Chemical composition of cement %

表2 水泥物理力学指标Tab.2 Physical and mechanic properties of cement

表3 粉煤灰物理性能Tab.3 Physical properties of FA

表4 粉煤灰砂浆配合比Tab.4 The mix design of mortar with FA

3 结果与分析

3.1 粉煤灰砂浆总胶凝材料

由计算配合比可以看出,在水胶比 W/B=0.35,砂浆达到0.425浆体体积比时,粉煤灰的掺量从0～30%,胶凝材料的用量会从1 100 g降到884 g;在水胶比 W/B=0.40,砂浆达到0.425浆体体积比时,粉煤灰的掺量从0～30%[4-5],胶凝材料的用量会从1 030 g降到825 g。由此可以得出在水胶比相同的情况下,如果粉煤灰掺量增加,保证砂浆的流动性不显著变化,胶凝材料的总用量会降低。

3.2 粉煤灰砂浆工作性能

粉煤灰可以明显改善砂浆的流动度,使减水剂的用量大大减少,掺加优质粉煤灰可以减少砂浆用水量,以30%粉煤灰替代相应的水泥,达到相同的砂浆流动度时,其需水量可以明显降低[6-7],同样本文试验结果表明在浆体体积比为0.425时,水灰比W/B=0.35时,粉煤灰掺入量的增加不明显降低砂浆的流动度,具体值见表5。

3.3 粉煤灰砂浆力学性能

掺入粉煤灰后,砂浆的早期强度会随粉煤灰掺入量增加而降低[8],掺入的粉煤灰早期是不参与反应的[7],粉煤灰中的玻璃质的SiO2,Al2O3和水泥水化产生的高碱型水化硅酸钙凝胶及Ca（OH）2晶体发生反应（即“火山灰反应”）,所以火山灰反应滞后于水泥的水化反应。

砂浆试验得到3 d、7 d、28 d抗折、抗压强度见表6。可以看出:当龄期为3 d或7 d时,不掺粉煤灰的砂浆抗折、抗压强度明显高于掺粉煤灰的砂浆。当龄期达到28 d时,W/B=0.35,粉煤灰掺量为10%的砂浆抗折强度比0%时提高了11%,抗压强度提高了6%;粉煤灰掺量为20%、30%,砂浆的抗折强度已经超过未掺粉煤灰的砂浆强度,抗压强度也逐渐提高。大量试验都表明掺入粉煤灰的砂浆随着龄期的增加,砂浆的强度都会优于同等条件下纯水泥的强度。

脆性系数,指抗压强度和抗折强度的比值。试验结果表明:随着粉煤灰掺入量的增加脆性系数呈下降趋势,表明粉煤灰对抗折强度的改善优于抗压强度,因此更适应于道路桥梁等对抗折性能要求高的工程（表6）。

表5 粉煤灰砂浆的流动度Tab.5 The fluidity of mortar with FA

表6 不同水胶比、不同粉煤灰掺量各龄期强度结果Tab.6 The strength results of mortar with FA at different and ages

表7 不同龄期掺粉煤灰砂浆碳化深度结果Tab.7 The depth of carbonation of mortar with FA at different ages

3.4 粉煤灰砂浆碳化深度

一般情况下,早期砂浆呈较强碱性,当空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入砂浆中,与水泥石中的碱性物质发生化学反应,使其PH值下降,成为砂浆中性化。其中由空气中的CO2引起的中性化过程成为砂浆的碳化,碳化对砂浆力学性能及构件受力性能的负面影响不大,但其最大的危害是引起钢筋锈蚀,从而影响砂浆结构的耐久性[9]。

试验结果表明:随着粉煤灰掺入量的增加,水胶比的增大以及暴露时间的增长,砂浆的碳化深度呈增加趋势（表7）。

4 结论

1）水胶比一定时,随着粉煤灰掺量的增加,胶凝材料的总用量会降低,但砂浆的流动性不会明显降低。

2）掺粉煤灰的水泥砂浆的早期强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低,但其后期强度随着龄期的增长会逐渐提高并超过未掺粉煤灰的砂浆的强度。

3）随着粉煤灰掺入量的增加,水胶比的增大以及暴露时间的增长,砂浆的碳化深度呈增加趋势。

[1]MINDESS S,YOUNG J F,DARWIN D.混凝土[M].北京:北京化工出版社,2005.

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[3]GB/T 2419-2005,水泥胶砂流动度测试方法[S].

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[9]李红辉.大掺量粉煤灰高性能混凝土研究[D].北京:北京建筑工程学院,2005.