粉煤灰對頁巖陶砂輕集料砂漿性能的影響試驗*

高玲玲

(山西水利職業技術學院工程管理系 太原 030027)

0 引 言

輕集料砂漿具有質量輕、保溫性好等優點，在保溫系統中廣泛使用[1-3]，但工作性差、強度較低、耐久性不高等缺點也限制了其在其他領域的發展[4-5].為拓展輕集料砂漿的應用場合，提高其施工和易性、力學性能，以及耐久性，國內外從輕集料、摻合料、配合比等方面進行了大量研究.方明暉等[6]測試了改性劑、可再分散乳膠粉及集膠比對砂漿工作性、強度和導熱系數的影響，認為合理摻量的乳膠粉可提高砂漿的拉伸粘結強度.胡玲霞等[7]考察了納米SiO2對輕集料砂漿密度、抗壓強度、導熱系數、體積吸水率等性能的影響，認為納米SiO2的摻量小于3%時對抗壓強度和吸水率有益.徐春杰等[8]研究了聚丙烯纖維對輕集料砂漿的影響，認為聚丙烯纖維可以改善砂漿的抗壓強度，對表觀密度和導熱系數影響不大.朱蓬萊[9]研究了玻化微珠對砂漿強度、保溫性能的影響，并擬合了干密度和導熱系數的相關關系.

隨著硅氣凝膠、膨脹玻化微珠等新材料的出現和發展，輕質、耐久、防火的輕集料砂漿逐漸應用于隧道襯砌中[10-11].除新材料改性砂漿外，采用粉煤灰等傳統建筑材料提升輕集料砂漿性能也是研究熱點，仉明坤等通過制備不同等級的細骨料砂漿，得到了粉煤灰對再生砂漿強度的一般影響規律[12]；倫云霞等[13]研究了粉煤灰砂漿穩定性的改善規律和作用機理，認為在水熱養護制度下，摻加粉煤灰能改善砂漿的體積穩定性.

本文采用頁巖陶砂制備輕集料砂漿，考察粉煤灰對砂漿工作性、強度、抗凍性、耐火性，以及吸聲效果的影響，以期為低成本隧道襯砌用輕集料砂漿的開發提供技術積累.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

輕集料采用頁巖陶砂，陶砂是以黏土、泥巖、各種頁巖、板巖、干枚巖、煤矸石等為主要原料，經加工破碎成粒或粉磨成球，再燒脹而成的人造輕骨料.試驗用陶砂的堆積密度為590 kg/m3、表觀密度為1 539 kg/m3、孔隙率為46%，級配曲線見圖1，為中砂，級配良好.

圖1 陶砂的篩分曲線

粉煤灰采用某廠家生產的I級粉煤灰，化學成分組成見表1.

表1 粉煤灰化學成分組成 %

水泥采用P·O 42.5水泥，物理、力學性能指標滿足文獻[14]的要求，見表2.

表2 水泥的性能指標

減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率約為19%.水采用市政自來水.

1.2 配合比與測試方法

采用相同質量的結合料，相同水膠比、膠集比，配制五組砂漿.粉煤灰采用內摻法添加，摻量的質量分數分別為0%，5%，10%，15%，20%，進而測定粉煤灰摻量對輕集料砂漿抗壓強度、抗折強度、抗凍性能、耐火性能，以及吸水率的影響.為保證砂漿工作性適宜，通過減水劑摻量調節其和易性.經試配，確定的配合比見表3.

表3 配合比 kg

砂漿抗壓和抗折強度、抗凍性、吸水率的評價依據文獻[15]進行，凍融循環試驗以試件的質量損失率達5%為終止條件，試驗終止后，測定試件的抗壓強度，再計算經凍融循環后的試件的抗壓強度損失率，進一步評價其抗凍性能；耐火性評價采用高溫燃燒法進行，將齡期28 d的標準試件置于800 ℃的高溫爐中煅燒2 h，在20 ℃、95%的環境中靜置10 d，再測定高溫燃燒后的強度，并使用殘余強度比(燃燒后與燃燒前的強度之比)進行耐火性評價.

2 試驗結果與分析

2.1 粉煤灰摻量對砂漿力學性能的影響

粉煤灰摻量對試件抗壓強度、抗折強度的影響見圖2.摻入粉煤灰后，抗壓和抗折強度均有較顯著的提高.隨粉煤灰摻量的增加，二者均呈現先大幅升高、再小幅下降的趨勢.對于抗壓和抗折強度而言，最佳粉煤灰摻量分別約為10%、5%.

圖2 不同粉煤灰摻量試件的強度

2.2 粉煤灰摻量對砂漿抗凍性的影響

五種不同粉煤灰摻量的試件的抗壓強度、凍融后抗壓強度、強度損失率和質量損失率見圖3.經凍融循壞，質量損失率達5%左右時，試件的抗壓強度均有大幅下降.摻加粉煤灰后，強度損失逐漸下降，摻量從0%增加到15%的過程中，損失率從33.1%下降到16.8%，即粉煤灰對頁巖陶砂輕集料砂漿的抗凍性具有明顯的改善作用.然而，當摻量大于15%后，粉煤灰改善抗凍性的作用效率開始下降.

圖3 不同粉煤灰摻量試件的抗凍性能

2.3 粉煤灰摻量對砂漿耐火性的影響

粉煤灰摻量對經800 ℃高溫爐煅燒2 h后試件的殘余強度、強度損失率的影響見圖4.高溫燃燒對頁巖陶砂輕集料砂漿強度的危害極大，經高溫燃燒，抗壓強度損失可達92.3%，抗折強度損失可達85.5%.

圖4 不同粉煤灰摻量試件的耐火性能

粉煤灰的摻加，對高溫燃燒造成的強度損失有一定抑制作用，但作用效果非常有限.隨粉煤灰摻量的增加，殘余強度比均呈現先上升、后下降的趨勢.摻量為10%時，殘余抗壓強度比最高，為10.0；摻量為5%時，殘余抗折強度比最高，為20.7.但與未摻加粉煤灰的試件相比，摻加粉煤灰后，試件的強度損失率依然高達76%以上.

2.4 粉煤灰摻量對砂漿吸水率的影響

5種不同粉煤灰摻量的試件的質量、吸水率見圖5.隨粉煤灰摻量的增加，試件吸水率由6.4%降低至2.3%.粉煤灰的填充作用降低了砂漿試件的孔隙率.由于孔隙率直接影響著噪聲吸收能力，因此，粉煤灰的引入也間接降低了頁巖陶砂砂漿的吸聲效果.

圖5 不同粉煤灰摻量試件的吸水率

3 結 論

采用內摻法配制了五種粉煤灰摻量的頁巖陶砂砂漿，測試了摻量對砂漿性能的影響.粉煤灰對砂漿強度、抗凍性等具有一定的改善作用，但防火、降噪等功能需求難以滿足，將粉煤灰頁巖陶砂輕集料砂漿直接應用于隧道襯砌仍需審慎對待.

1) 粉煤灰可提高頁巖陶砂砂漿的強度，隨摻量的增加，抗壓和抗折強度均先升高、后降低.二者對應的最佳粉煤灰摻量分別約為10%，5%.

2) 凍融循環對頁巖陶砂砂漿具有較強的破壞作用，摻加粉煤灰可有效改其善抗凍性，摻量大于15%后，改善效率明顯下降.

3) 高溫燃燒對頁巖陶砂砂漿強度的危害極大，抗壓和抗折強度損失可達92%.粉煤灰對耐火性能的改善作用有限，摻加粉煤灰后，強度損失率依然高達76%以上.

4) 摻加粉煤灰降低了頁巖陶砂砂漿的孔隙率，對吸聲效果具有一定負面影響.