粉煤灰與礦粉對水泥漿體變形性能的影響研究

黃鎮(zhèn)江

（健研檢測集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361027）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)的廢棄物成為資源是當(dāng)今建筑材料的熱點(diǎn)。在建筑工程中，粉煤灰與礦粉因其黏合性較強(qiáng)，被廣泛地使用在水泥漿體的制作中，都能在很好地確保水泥漿體質(zhì)量的基礎(chǔ)上代替部分水泥達(dá)到節(jié)約材料成本的目的。為了更好地使用粉煤灰和礦粉，許多專家在粉煤灰和礦粉對水泥漿體變形性能的影響方面做了一些研究。然而，大多數(shù)的研究都比較簡單，甚至是在單一的環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)研究。筆者在不同養(yǎng)護(hù)濕度、溫度條件下，研究了粉煤灰與礦粉對水泥漿體變形性能的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，就必須要選好材料。原材料是本實(shí)驗(yàn)的變量，因此，要盡量控制好原材料的用量、生產(chǎn)商家等。只有真正使用同一家廠家出廠的同一類型原材料，才能控制好與原材料相關(guān)的變量。除此之外，最好使用同一批原材料，這樣生產(chǎn)日期、運(yùn)輸和存儲條件一致，整個原材料才能得到更加有效的變量控制。

基于本實(shí)驗(yàn)對材料的需求，考慮到材料的特殊性，本實(shí)驗(yàn)的材料都是選自同一批生產(chǎn)出廠的原材料，且質(zhì)量能夠得到有效保證。除此之外，本實(shí)驗(yàn)的材料用量也控制在合理范圍內(nèi)，以真正保證實(shí)驗(yàn)中對于材料用量的變量研究，得出有關(guān)水泥漿體的變形影響因素。

試驗(yàn)采用海螺P·Ⅱ52.5級水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.9%，而施工使用中的初凝時間為115min，在210min時出現(xiàn)終凝現(xiàn)象，水泥細(xì)度1.6%（0.08mm水泥細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)篩的篩余）。

本實(shí)驗(yàn)采用Ⅰ級粉煤灰，屬于粉煤灰種類中質(zhì)量較高的類型，其需水量高達(dá)90.7%，比表面積340m2/kg；采用S95級粒化高爐礦渣微粉，流動性110%，比表面積440m2/kg。具體的材料組成見表1。

表1 水泥、粉煤灰與礦粉的化學(xué)組成（單位：%）

1.2 試驗(yàn)配合比

為了保證水泥漿體變形性能試驗(yàn)的有效性，需要控制好整個實(shí)驗(yàn)原材料的配比。試驗(yàn)用水泥凈漿配合比見表2。

表2 水泥凈漿配合比（單位：%）

1.3 試驗(yàn)方法

按照水泥膠砂干縮試驗(yàn)的具體標(biāo)準(zhǔn)，整個實(shí)驗(yàn)可以利用三聯(lián)鋼試模作為模具。三聯(lián)鋼試模能有效保證水泥漿體的形狀，減少除了實(shí)驗(yàn)變量而導(dǎo)致的水泥漿體變形。在本次實(shí)驗(yàn)中，采用長寬都為25cm、高為28cm的長方體模具。在進(jìn)行水泥漿體的澆筑前，為了保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，先在鋼試模兩端埋下大小合適的測頭，確認(rèn)是否符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；試件成型后，采取保鮮膜作為覆蓋層防護(hù)水泥漿體；本實(shí)驗(yàn)在20±1℃環(huán)境下，對水泥漿體進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)時間為24±2h。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后直接拆模，測量每個試件的初始長度，并且記錄為數(shù)據(jù)L0。之后，為了研究不同條件對水泥漿體變形性能的影響，把試件分成5組，把不同組的試件分別放置在不同的環(huán)境條件下，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。等養(yǎng)護(hù)時間到后，測量每個試件的長度，得到數(shù)據(jù)Ln。通過對試件長度的比較，可以大致得出水泥漿體變形特性的影響因素。

把第一組試件放在水中，其養(yǎng)護(hù)溫度是（20±1）℃；而第二組試件也在同樣的水環(huán)境下，其養(yǎng)護(hù)溫度為（40±1）℃；第三組試件也在同樣的水環(huán)境下，其養(yǎng)護(hù)溫度為（60±1）℃；而第四組試件則先要包裹密封后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃。在本實(shí)驗(yàn)中，包裹密封材料為保鮮膜和自黏性鋁箔，之后，還要把試件放到相對濕度為（60±5）%的環(huán)境條件下；第五組試件的養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃，而其養(yǎng)護(hù)相對濕度為（60±5）%。所有的試件都必須要養(yǎng)護(hù)到合適的時間，使整個試件能夠充分凝結(jié)，以保證水泥漿體的質(zhì)量。對不同條件下的試件進(jìn)行測量，可以得到試件的自膨脹值，從而以此推算出溫、濕度對水泥漿體變形性能的影響。

在具體的計算過程中，可以利用變形率公式得到水泥漿體試件的變形率。

式中：

L——試件的有效長度；

Ln——試件全長數(shù)據(jù)，即280mm；

L0——基于之前預(yù)埋測頭的長度，即30mm；

Ln-L0——水泥漿體的有效長度，即250mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰與礦粉對水泥漿體水中養(yǎng)護(hù)膨脹的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)飽水中養(yǎng)護(hù)時，不同的粉煤灰與礦粉配比量以及養(yǎng)護(hù)齡期都會影響水泥漿體的膨脹變形率。

當(dāng)20℃的飽水中養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰的摻入會導(dǎo)致水泥漿體早期形成時就發(fā)生變形，而后期的養(yǎng)護(hù)中會減少整個膨脹變形的程度。對照純水泥的漿體，摻粉煤灰的水泥漿體的膨脹變化如下：當(dāng)水體養(yǎng)護(hù)28d時，摻15%、30%、45%粉煤灰的水泥漿體膨脹變形分別增加了18.5%、7.1%、4.9%，而在180d的水中養(yǎng)護(hù)條件下時，其膨脹變形分別降低了1.1%、10.9%、17.4%。

當(dāng)?shù)V粉摻量為15%時，水泥漿體就一直在膨脹，而當(dāng)?shù)V粉摻量變大，養(yǎng)護(hù)時間增加后，礦粉的摻入反而使水泥漿體的膨脹變小了。與純水泥對照組相比較，礦粉摻量15%、30%、45%的水泥漿體的膨脹變形也出現(xiàn)了變化。具體而言，在180d的水中養(yǎng)護(hù)后，其膨脹變形反而只增大了20.1%、7.9%、4.0%。由以上數(shù)據(jù)可以得出，用水中養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰對水泥漿體的變形影響比較大，而礦粉的影響反而較小[1-3]。

而在（40±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰的摻入反而會讓水泥漿體膨脹變形的降低幅度加大許多。且粉煤灰的摻加量與養(yǎng)護(hù)齡期呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。與純水泥漿體的實(shí)驗(yàn)對照組相比較，摻量15%、30%、45%的水泥漿體，其28d時的水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形分別減少了38.8%、66.8%、78.8%，而在180d的時候，其水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形分別減少了73.8%、81.8%、86.8%。且隨著飽水中養(yǎng)護(hù)溫度的增加，整個粉煤灰的摻入對膨脹變形的降低作用更加明顯，而礦粉的摻入?yún)s對其沒有什么太大的影響，可以忽略不計。

而在60℃的水中養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰的摻入反而會讓水泥漿體膨脹變形的降低幅度更大。且粉煤灰的摻量與養(yǎng)護(hù)齡期呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，甚至?xí)霈F(xiàn)收縮變形的現(xiàn)象。也就是說，粉煤灰摻量越多，就會更加加重水泥漿體的變形。在180d時，水泥漿體對照組的水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形系數(shù)是775.7×10-6。與純水泥漿體的實(shí)驗(yàn)對照組相比，180d時粉煤灰摻量15%的水泥漿體的水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形系數(shù)為55.3×10-6，而粉煤灰摻量30%的水泥漿體則產(chǎn)生了反作用，其180d時的水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形系數(shù)為-196.8×10-6，粉煤灰摻量45%的水泥漿體在180d時的水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形系數(shù)為-248.8×10-6。這說明養(yǎng)護(hù)的時間也會影響到整個水泥漿體的變形程度，而粉煤灰對水泥漿體的變形影響呈現(xiàn)先膨脹后收縮的變化。

與粉煤灰不同，礦粉的使用，水泥漿體幾乎不會在高溫環(huán)境下出現(xiàn)水中養(yǎng)護(hù)膨脹變形。

2.2 粉煤灰與礦粉對水泥漿體密封自收縮的影響

在20℃的密封環(huán)境中養(yǎng)護(hù)水泥漿體時，不同粉煤灰與礦粉摻量的水泥漿體，其對照組呈現(xiàn)先膨脹后收縮的情況。尤其是在3d時，其膨脹變形系數(shù)達(dá)到最大，數(shù)值為155.3×10-6，而7d后，整個基準(zhǔn)樣也會從膨脹的情況轉(zhuǎn)為收縮的情況。整個收縮的情況持續(xù)到60d時，整個水泥漿體的膨脹收縮才趨于平緩，數(shù)值為-855.3×10-6。而到180d時，整個自收縮值變成為-955.3×10-6。之后的自收縮則無太大變化。此數(shù)據(jù)說明整個試件密封后，其表面的自由水發(fā)生了回吸的情況。而當(dāng)摻入粉煤灰之后，粉煤灰摻量越大時,水泥漿體的自膨脹變形越大，而礦粉的摻入會顯著增強(qiáng)水泥漿體的自收縮性能。這說明粉煤灰與礦粉都會對水泥漿體密封自收縮產(chǎn)生影響[4]。

2.3 粉煤灰與礦粉對水泥漿體干燥收縮的影響

當(dāng)溫度為20℃，在干燥環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)時，不摻入粉煤灰與礦粉的對照組會隨著水泥漿體的水化，使得水分蒸發(fā)而發(fā)生干燥收縮。直到60d后，干燥收縮的效果才會逐漸消失。在60d時干燥收縮值是為-2875×10-6，之后則漸漸趨于穩(wěn)定。而到180d時，整個干縮值則增加到-3375×10-6，也就是說，在干燥的空氣中，當(dāng)溫度為20℃時，粉煤灰與礦粉對水泥漿體產(chǎn)生的自收縮規(guī)律，與密封養(yǎng)護(hù)條件下的情況非常類似。具體而言，水泥漿體都是先收縮，然后趨于平穩(wěn)，最后再是出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，直到膨脹值達(dá)到最大時，才會趨于平穩(wěn)。然而不同的是，基于粉煤灰與礦粉原材料的特性不同，兩者對水泥漿體的干燥收縮變形的具體原理不一樣，且表現(xiàn)形式也不一樣[5]。粉煤灰降低了水泥漿體的干燥收縮變形，且隨著粉煤灰摻量增加，對水泥漿體干燥收縮的減縮效果越明顯；而礦粉增大了水泥漿體的干燥收縮變形，且收縮變形隨礦粉摻量的增大而增加。

3 結(jié)束語

總之，環(huán)境條件以及材料組成的變化，都會影響水泥漿體的質(zhì)量。有些會增加水泥漿體的自膨脹變形，有些會促進(jìn)水泥漿體的自收縮，甚至造成水泥漿體的干燥收縮。如果是飽水中養(yǎng)護(hù)的條件，摻入粉煤灰會抑制水泥漿體的膨脹變形,且粉煤灰摻入越多，水泥漿體膨脹變形抑制越明顯。如果溫度越高，也會增加試驗(yàn)測定的試齡期，相應(yīng)的水泥漿體膨脹抑制就會越高。而在相同的水中養(yǎng)護(hù)條件下，礦粉幾乎不會影響水泥漿體的膨脹變形，甚至溫度變化了，礦粉也不會影響水泥漿體膨脹變形[6]。而當(dāng)水泥漿體是在密封養(yǎng)護(hù)的條件時，只要摻入粉煤灰，就會抑制水泥漿體的自收縮變形。干燥養(yǎng)護(hù)時，摻入粉煤灰對水泥漿體有一定的減縮作用，而礦粉的摻入使水泥漿體的干燥收縮增大。因此，有關(guān)的施工人員必須對整個水泥漿料的生產(chǎn)工藝進(jìn)行合理地控制，提高工程技術(shù)。只有如此，才能使水泥砂漿的施工達(dá)到要求，并合理地保障工程的質(zhì)量和安全。