不同聚灰比及不同摻量粉煤灰對砂漿性能的影響研究

周文凱（福建閩東建設發展有限公司，福建 寧德 352100）

隨著國內經濟水平的提升，土木建筑材料開始向高性能高質量的方向發展。土木行業從業者開始向土木工程材料中摻入聚合物來提升水泥砂漿的各種性能。聚合物改性水泥砂漿是由聚合物與水泥砂漿復合改性而成，具有優良的抗壓、抗折強度及抗滲性能，被廣泛應用于混凝土工程中的修補、防水及防腐處理[1,2]。因此，分析聚合物改性水泥砂漿的力學性能及耐久性能具有十分重要的工程實踐意義。

目前，研究者已經開展了聚合物改性水泥砂漿的力學性能及耐久性能方面的研究工作[3,4]。為了響應國家對固體廢棄物高效利用的號召，有效解決其亂堆亂放的問題，研究者開始將粉煤灰、硅灰等固體廢棄物摻入聚合物改性水泥砂漿中。然而，目前針對聚灰比及粉煤灰比例對高強砂漿性能的影響規律尚未進行全面分析，其提升效果仍需要進行深入系統的研究。基于此，文中開展28d 養護齡期下不同粉煤灰摻量（0%、5%、10%、15%、20%）、不同養護齡期（3d、7d、28d）及不同聚灰比摻量（0%、2%、4%、6%、8%）對砂漿抗壓強度、抗折強度及氯離子滲透系數的影響，以期為高質量砂漿的性能提升及級配優化設計提供參考，助力高品質建筑工程的建設。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

采用的試驗材料包括聚合物EVA 乳液、細砂、水泥、粉煤灰、減水劑和自來水。其中，聚合物EVA 乳液的pH 值為4.5，粘度為600MPa·s，最大粒徑不超過0.5μm；砂為機制砂，最大粒徑為2.5mm，表觀密度為2.54g/cm3；水泥的強度等級為42.5級；粉煤灰強度等級為Ⅱ級；減水劑的減水率不超過35%。

1.2 配合比

根據以往的研究經驗，養護初期粉煤灰對水泥砂漿性能的影響規律比較單一，不能確定最佳的粉煤灰摻量，因此，本文僅分析了28d 養護齡期下水泥砂漿性能與粉煤灰摻量的相關關系。嚴格按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[5]中的要求進行不同聚合物及粉煤灰摻量的高強砂漿組成材料比例設計，結果如表1 所示。本文高強水泥砂漿的制備及養護過程參照規范GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》（ISO法）[6]中規定的進行。

表1 高強水泥砂漿材料配合比

1.3 測試方法

嚴格依照規范DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》[7]規定的測試方法及計算步驟進行自密實混凝土抗折強度及抗壓強度的測試及計算。自密實混凝土的抗氯離子滲透性能試驗嚴格按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[8]中的操作步驟及計算方法進行，采用RCMNTB型氯離子擴散系數測定儀進行抗氯離子滲透系數的測試。

2 粉煤灰摻量對砂漿性能的影響研究

2.1 粉煤灰摻量對砂漿力學強度的影響

采用上述確定的測試方法及計算方法測試并計算了28d 養護齡期下不同粉煤灰摻量下高強水泥砂漿的抗折強度及抗壓強度，其分別與粉煤灰摻量的相關關系如圖1 所示。從圖1 可以看出，高強水泥砂漿的28d養護齡期下，抗折強度、抗壓強度與粉煤灰摻量均呈現先近似正向相關后下降的相關關系。當粉煤灰摻量達到15%時，水泥砂漿的抗折及抗壓強度達到最高。這是由于養護后期，低摻量粉煤灰參與水泥砂漿的水化反應，增加了水泥砂漿內部的水化產物，提升其粘聚力，降低其流動性，進而提升了水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度。然而，當粉煤灰摻量過高后，替代水泥的比例增加，減少了水泥與水反應生成的水化產物數量，反而抑制了水泥砂漿的力學強度。對于抗折強度與粉煤灰摻量的相關關系而言，近似線性上升階段的增長率為每增加1%的粉煤灰，抗折強度增加值為0.11MPa；對于抗壓強度與粉煤灰摻量的相關關系而言，近似線性上升階段的增長率為每增加1%的粉煤灰，抗壓強度增加值為0.49MPa。這表明，粉煤灰摻量的增加對于水泥砂漿的抗壓強度提升效果更為顯著。

圖1 砂漿力學性能與粉煤灰摻量的相關關系

2.2 粉煤灰摻量對砂漿耐久性能的影響

采用上述確定的測試及計算方法測試并計算了28d養護齡期下，不同粉煤灰摻量下高強水泥砂漿的氯離子滲透系數，其與粉煤灰摻量的相關關系如圖2 所示。從圖2可以看出，高強水泥砂漿的28d養護齡期下氯離子滲透系數與粉煤灰摻量呈現先近似負向相關后上升的相關關系。對于氯離子滲透系數與粉煤灰摻量的相關關系而言，近似線性降低階段的下降率為每增加1%的粉煤灰，滲透系數降低值為0.04×10-12m2/s。當粉煤灰摻量達到15%時，水泥砂漿的氯離子滲透系數達到最低，即其耐久性能達到最強。這是由于養護后期，低摻量粉煤灰參與水泥砂漿的水化反應，增加了水泥砂漿內部的水化產物，有效填充了水泥砂漿內部的空隙，減少了連通空隙的數量，強化了水泥砂漿內部的密實性，進而降低了水泥砂漿的氯離子滲透系數，提升了水泥砂漿的耐久性能。然而，當粉煤灰摻量過高后，替代水泥的比例過多，減少了水泥與水反應生成的水化產物數量，水泥砂漿內部的連通空隙不能得到有效填充，連通空隙數量增加，氯離子擴散系數反而增加，即高摻量下的粉煤灰反而使得水泥砂漿的耐久性能有所下降。

圖2 砂漿氯離子滲透系數與粉煤灰摻量的相關關系

3 聚灰比對砂漿性能的影響研究

3.1 聚灰比對砂漿力學強度的影響

根據上述分析可知，最佳的粉煤灰摻量為15%。因此，后續進行聚灰比對水泥砂漿性能影響規律研究的過程中，通過控制粉煤灰摻量為15%、改變聚灰比的方式進行不同齡期下聚灰比對水泥砂漿性能的研究。采用上述確定的測試及計算方法測試并計算了3d、7d及28d養護齡期下，不同聚灰比下高強水泥砂漿的抗折強度及抗壓強度與聚灰比的相關關系如圖3 所示。從圖3 中可以看出，所有養護齡期下，高強水泥砂漿的抗折及抗壓強度與聚灰比均呈現先近似正向相關后下降的相關關系。當聚灰比達到4%時，高強水泥砂漿的抗折及抗壓強度達到最高。這是由于低摻量的EVA 乳液，一方面可以有效填充水泥砂漿內部的空隙，降低其流動性；另一方面EVA乳液具有成膜的效應，在水泥水化反應的過程中可以起到封閉水泥砂漿內部連通空隙的作用，雙重作用下增強了水泥砂漿的力學強度。但是由于EVA 乳液具有一定的引氣作用，拌合過程中會將氣體引入水泥砂漿中，使得高強水泥砂漿中內部連通孔隙的增加速度超過EVA 乳液的填充速度，使得水泥砂漿內部結構骨架松散，反而降低水泥砂漿的力學強度。

圖3 砂漿力學性能與聚灰比的相關關系

由于所有養護齡期下，水泥砂漿的抗折及抗壓強度與聚灰比的演變規律一致。對于28d 抗折強度與聚灰比的相關關系而言，近似線性上升階段的增長率為每增加1%的聚灰比，抗折強度增加值為0.4MPa；對于抗壓強度與聚灰比的相關關系而言，近似線性上升階段的增長率為每增加1%的聚灰比，抗壓強度增加值為4MPa。這意味著，聚灰比的增加對于高強水泥砂漿的抗壓強度提升效果更為顯著。

此外，所有聚灰比條件下，高強水泥砂漿的抗壓及抗折強度與養護齡期呈現正相關關系，且養護初期，水泥砂漿的抗壓及抗折強度提升更為顯著。這是由于養護初期，水泥砂漿內部的聚合物、粉煤灰、水泥與水之間的水化反應更為劇烈，產生大量的水化產物，可以有效提升水泥砂漿的力學強度。

3.2 聚灰比對砂漿耐久性能的影響

采用上述確定的測試及計算方法測試并計算了28d 養護齡期下不同聚灰比下高強水泥砂漿的氯離子滲透系數，其與聚灰比的相關關系如圖4所示。從圖4中可以看出，高強水泥砂漿的28d養護齡期下氯離子滲透系數與聚灰比呈現先近似負向相關后上升的相關關系。對于氯離子滲透系數與聚灰比的相關關系而言，近似線性下降階段的下降率為每增加1%的聚灰比，滲透系數降低值為0.47×10-12m2/s。當聚灰比達到4%時，水泥砂漿的氯離子滲透系數達到最低，即其耐久性能達到最強。這是由于低摻量的EVA 乳液，一方面可以有效填充水泥砂漿內部的空隙，另一方面EVA 乳液具有成膜的效應，在水泥水化反應的過程中可以起到封閉水泥砂漿內部連通空隙的作用，雙重作用下有效減少了氯離子的擴散路徑，降低了水泥砂漿的氯離子擴散系數，進而提升其耐久性能。但是由于EVA 乳液具有一定的引氣作用，拌合過程中會將氣體引入水泥砂漿中，使得高強水泥砂漿中內部連通孔隙的增加速度超過EVA 乳液的填充速度，使得水泥砂漿內部的連通孔道增加，增加了氯離子的擴散通道，使得氯離子擴散系數增加，反而降低了水泥砂漿的耐久性能。

圖4 砂漿氯離子擴散系數與聚灰比的相關關系

4 結語

（1）高強水泥砂漿的28d養護齡期下抗折及抗壓強度與粉煤灰摻量均呈現先近似正向相關后下降的相關關系。當粉煤灰摻量達到15%時，水泥砂漿的抗折及抗壓強度達到最高。

（2）高強水泥砂漿的28d養護齡期下氯離子滲透系數與粉煤灰摻量呈現先近似負向相關后上升的相關關系。對于氯離子滲透系數與粉煤灰摻量的相關關系而言，近似線性降低階段的下降率為每增加1%的粉煤灰，滲透系數降低值為0.04×10-12m2/s。當粉煤灰摻量達到15%時，水泥砂漿的氯離子滲透系數達到最低，即其耐久性能達到最強。

（3）所有養護齡期下，高強水泥砂漿的抗折及抗壓強度與聚灰比均呈現先近似正向相關后下降的相關關系。當聚灰比達到4%時，高強水泥砂漿的抗折及抗壓強度達到最高。

（4）高強水泥砂漿的28d養護齡期下氯離子滲透系數與聚灰比呈現先近似負向相關后上升的相關關系。對于氯離子滲透系數與聚灰比的相關關系而言，近似線性下降階段的下降率為每增加1%的聚灰比，滲透系數降低值為0.47×10-12m2/s。當聚灰比達到4%時，水泥砂漿的氯離子滲透系數達到最低，即其耐久性能達到最強。

（5）所有聚灰比條件下，高強水泥砂漿的抗壓及抗折強度與養護齡期呈現正相關關系，且養護初期，水泥砂漿的抗壓及抗折強度提升更為顯著。

（6）粉煤灰摻量及聚灰比的增加對于水泥砂漿的抗壓強度提升效果更為顯著。