粉煤灰和矿渣不同配合比对无水泥砂浆性能的影响

张海龙， 王晓博， 左展毓， 方永青， 裴长春

（延边大学工学院 土木工程系，吉林 延吉133002）

粉煤灰和矿渣不同配合比对无水泥砂浆性能的影响

张海龙， 王晓博， 左展毓， 方永青， 裴长春＊

（延边大学工学院 土木工程系，吉林 延吉133002）

以粉煤灰、矿渣等工业废料作为胶凝材料，研究了其不同配合比对无水泥砂浆力学性能的影响．试验结果表明：①随粉煤灰掺和率的增加砂浆的流动性呈逐步上升趋势，当粉煤灰掺和率为70%时，流动性达到普通硅酸盐水泥砂浆（OPC）的水平；②砂浆的表观密度均明显高于OPC，但随着粉煤灰掺和率的增加呈逐步下降的趋势；③随着粉煤灰掺和率的逐步增加，砂浆的强度总体呈下降趋势，掺和率为20%时强度值最大，为OPC的90%，但随龄期的增长强度总体有了稳步提高；④在本试验中，当胶凝体中同时掺和20%的粉煤灰和80%的矿渣时为最佳组合．

无水泥混凝土；粉煤灰；高炉矿渣；激发剂

0 引言

随着我国建筑业的飞速发展，建筑能源的消耗大幅增加，其中水泥的消耗最为突出．资料［1］表明，2011年国内水泥总产量达到20．6亿t，居世界第一．一般生产1 t水泥会产生0．7～0．8 t二氧化碳，这无疑加剧了地球的“温室效应”，威胁人类的生态环境，因此，亟待配制出新的胶凝材料以取代高能耗的传统水泥生产．目前，火电厂产生的粉煤灰以及制铁过程中产生的矿渣等废弃物，不仅在存放过程中大量浪费土地资源，而且还容易污染周边环境．近年来，将这些废弃物作为矿物外加剂使用虽然取得一定成绩，但大量使用仍受到技术上的限制［2］．本文将粉煤灰、矿渣等工业废料作为胶凝材料，分析其不同配合比对砂浆力学性能的影响，并给出最佳胶凝体组合，为无水泥胶凝材料合成的运用提供参考．

1 试验方案及方法

1．1 试验方案设计

实验以100%普通硅酸盐水泥的1组砂浆（简称OPC）为基准砂浆，其水胶比为0．4，胶砂比为1∶3，目标环型扩展度值［3］（简称Ring Flow）为80±10 mm．砂浆试验共分为12组，其中粉煤灰和矿渣的不同配合比组为11组（见表1）．试验以KOH和NaOH为激发剂组合（激发剂占总质量的7．5%，其中NaOH占5%，KOH占2．5%），并在塑性状态下测定Ring Flow和表观密度，在硬化状态下测定不同龄期的抗压强度和抗折强度．试验中采用的砂浆配合比如表2所示．

表1 粉煤灰和矿渣的配合比

表2 砂浆配合比

1．2 使用材料

试验中使用的水泥为吉林省汪清县庙岭生产（密度为3 115 kg/m3），粉煤灰来源于吉林省延吉市发电厂（密度为2 200 kg/m3），矿渣来源于济南市历城区荣兴达矿粉厂（密度为2 890 kg/m3）．激发剂为NaOH和KOH（质量分数分别为96．0%和82．0%），减水剂为粉状聚羧酸高效减水剂（密度为550 kg/m3），细骨料使用天然砂（密度为2 650 kg/m3）．

1．3 试验方法

试验采用UJZ－15砂浆搅拌机．首先对胶凝材料和砂干搅拌120 s，然后加水和减水剂再搅拌180 s．根据文献［3］，塑性状态下，砂浆Ring Flow用内径50 mm、高50 mm的容器测定，表观密度按照JTG E30—2005规定测定．试块成型后，在HWX－L型电热鼓风干燥箱内于60℃恒温养护24 h，拆模后再放入SHBY－90B型水泥混凝土标准养护箱内养护，并按照GB/T 17671规定分别测定不同龄期的抗压强度和抗折强度．

2 试验结果及分析

2．1 塑性状态特性分析

2．1．1 流动性 图1为不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆Ring Flow值．由图1可以看出：未掺入粉煤灰的F0B10的流动性很低．这是因为矿渣在碱性激发剂的作用下，表面玻璃体很快被打破，使其参与到水化反应中，因此增加了减水剂的比例，降低了砂浆的和易性．随着粉煤灰掺和率的增加，流动性有逐步上升趋势，当粉煤灰的掺和率达到70%时，其Ring Flow值开始接近OPC的值（76 mm）．这是因为球形颗粒型的粉煤灰在拌合物中产生滚珠效应［4］，提高了砂浆的和易性及整体稳定性．

图1 不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆Ring Flow值

2．1．2 表观密度 图2为不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆表观密度值．由图2可以看出，以OPC表观密度值为基准，无水泥砂浆的表观密度均明显高于OPC，且随着矿物外加剂中粉煤灰掺和率的增加表观密度呈现逐步下降的趋势．资料［5－6］表明，一般粉煤灰中未燃烧的碳粉对砂浆的AE（air－entraining）空气起破坏作用，致使增加砂浆的表观密度．但是，本研究中所用磨细矿渣密度为2 890 kg/m3，粉煤灰密度为2 200 kg/m3，它们的密度差对砂浆表观密度的影响远远大于粉煤灰中未燃烧的碳粉对AE的破坏作用，因此导致砂浆表观密度呈现逐步下降的趋势．

图2 不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆表观密度

2．2 硬化状态特性分析

2．2．1 抗压强度 图3和图4分别为不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆抗压强度值及相对OPC抗压强度值的百分比．由图3a和图4a可以看出：龄期为3 d的OPC抗压强度值为19．7 MPa，而未掺入粉煤灰的F0B10抗压强度值达到25．7 MPa．这是因为在碱性激发剂作用下，无水泥胶凝体中的磨细矿渣玻璃体被击碎，使矿渣发生潜在水硬性反应［7－9］，生成了较多的水化物（相对于OPC），致使强度得到提高．随着矿物外加剂中粉煤灰掺和率的增加，抗压强度出现总体逐步下降的趋势，当粉煤灰掺和率为70%时，抗压强度开始低于OPC．这是因为在早期的胶凝体中，粉煤灰和碱性物质的中和反应未活跃进行，致使随其掺和率的增加抗压强度出现下降趋势．

由图3b和图4b可以看出，龄期为7 d的OPC抗压强度值为28．80 MPa，而未掺入粉煤灰的F0B10抗压强度值为25．18 MPa．随着粉煤灰掺和率的增加，抗压强度值只在其掺和率为10%、20%、50%时超过了OPC，其中掺和率为20%时抗压强度达到最大值34．27 MPa．

由图3c和图4c可以看出，龄期为28 d的OPC抗压强度值为37．90 MPa，未掺入粉煤灰的F0B10抗压强度值为30．80 MPa．随着粉煤灰掺和率的增加，抗压强度呈下降趋势，其中掺和率为20%时抗压强度值最大为33．96 MPa，为OPC的90%．虽然随粉煤灰掺和率的增加，抗压强度总体呈下降趋势，但相对于7 d的而言，总体上有了稳步的提高．这是因为在后期养护过程中，砂浆中的SiO2、Al2O3和Ca（OH）2持续反应，生成了大量的C－S－H胶体及铝酸钙等水化物，致使后期的抗压强度得到提高．

图3 不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆抗压强度

图4 相对OPC抗压强度的百分比

2．2．2 抗折强度 图5和图6分别为不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆抗折强度值及相对OPC抗折强度的百分比．由图可以看出，以OPC抗折强度为基准，无水泥砂浆试块的抗折强度均低于OPC，且在相同龄期，随着粉煤灰掺和率的增加，砂浆抗折强度呈现递减的趋势．龄期为28 d，胶凝材料组合中同时掺入20%粉煤灰和80%矿渣的F2B8的抗折强度达到最大值，为OPC的90%．

图5 不同粉煤灰和矿渣配合比的砂浆抗折强度

图6 相对OPC抗折强度的百分比

3 结论

本文以粉煤灰、矿渣等工业废料作为胶凝材料，研究了其不同配合比对砂浆的流动性、强度等力学性能的影响．试验结果表明：①随粉煤灰掺和率的增加，砂浆的流动性呈现逐步上升趋势．②无水泥砂浆的表观密度均高于OPC，且随着粉煤灰掺和率的增加，砂浆的表观密度呈现逐步下降的趋势．③随粉煤灰掺和率的逐步增加，强度总体呈下降趋势，当粉煤灰的掺和率为20%时，强度值最大．④本试验中，胶凝体中同时掺和20%粉煤灰和80%矿渣的F2B8组为最佳组合．本文仅对以KOH和NaOH为激发剂的组合做了研究，不同种类的激发剂及其组合的性能需进一步研究．

［1］ 中商情报网．2011年中国水泥产量统计分析［EB/OL］．（2012－2－15）［2002－04－15］．http：//www．askci．com/news/201202/15/17019＿44．shtml．

［2］ Yang K H，Song J K．Workability loss and compressive strength development of cementless mor－tars activated by combination of sodium silicate and sodium hydroxide［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（3）：119－127．

［3］ 韩千秋，李建哲，许永善．水泥砂浆流动性评价方法研究［J］．韩国建筑施工学会报，2006，9：75－82．

［4］ 裴长春，李佰寿，韩千求，等．CSA外加剂对复合矿物掺料混凝土早期强度及干缩的改善效果［J］．延边大学学报：自然科学版，2009，35（1）：72－76．

［5］ 李周宣，宋日范，朴炳冠，等．激发剂种类掺和量对大掺量矿渣混凝土早期质量影响分析［C］//2008年韩国混凝土学会会议论文集．首尔：韩国混凝土学会，2008，5：733－736．

［6］ 裴长春，朴英鑫，李文焕，等．CSA外加剂掺和率对大掺矿物外加剂混凝土物理性能的影响分析［C］//2005年韩国混凝土学会会议论文集．首尔：韩国混凝土学会，2005，5：369－372．

［7］ 李尚洙．使用碱性激发剂无水泥环保无机复合体流动性及强度性能研究［J］．韩国建筑学会报，2010，26（5）：67－74．

［8］ 李润城，李江弼，李尚洙，等．使用高炉矿渣及赤泥无水泥复合体流动性及强度性能研究［C］//2010年韩国建筑学会会议论文集．首尔：韩国建筑学会，2010，10（2）：91－94．

［9］ 宋河源．使用高炉矿渣粉末的高耐久性混凝土开发［C］//2000年韩国混凝土学会POSCO Forum．首尔：韩国混凝土学会，2000：163－214．

Influence of the fly ash and slag’s mix proportion on the properties of no cement mortars

ZHANG Hai－long， WANG Xiao－bo， ZUO Zhan－yu， FANG Yong－qing， PEI Chang－chun＊
（Department of Civil Engineering，College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China）

We use the fly ash，slag and industrial wastes as cementing material to analyze the mechanical property that its mix proportion to the mortar．The results show that：①liquidity goes upward with the admixture rate of fly ash increase．When the admixture rate of fly ash is 70%，the liquidity can reach the same level as OPC or more．②The unit density of no cement mortars is significantly higher than OPC，and the unit density goes downward with the admixture rate of fly ash increase．③It reaches the maximum when the admixture rate of fly ash in cementing material is 20%，that is 90%of OPC；but the overall intensity shows descending tendency with the admixture rate of fly ash increase；and also has a stable improvement with the intensity of age increase．④In this study，when 20%of the fly ash and 80%of slag are admixtured in cementing form，then it is the best combination．

no cement concrete；fly ash；blast furnace slag；activator

TU528．31

A

1004－4353（2012）02－0163－05

2012－04－13

＊通信作者：裴长春（1976—），男，博士，讲师，研究方向为混凝土原理及应用．