粉煤灰与矿粉对水泥浆体变形性能的影响研究

黄镇江

（健研检测集团有限公司，福建 厦门 361027）

0 引言

工业生产的废弃物成为资源是当今建筑材料的热点。在建筑工程中，粉煤灰与矿粉因其黏合性较强，被广泛地使用在水泥浆体的制作中，都能在很好地确保水泥浆体质量的基础上代替部分水泥达到节约材料成本的目的。为了更好地使用粉煤灰和矿粉，许多专家在粉煤灰和矿粉对水泥浆体变形性能的影响方面做了一些研究。然而，大多数的研究都比较简单，甚至是在单一的环境条件下的实验研究。笔者在不同养护湿度、温度条件下，研究了粉煤灰与矿粉对水泥浆体变形性能的影响。

1 试验内容

1.1 原材料

为了保证实验结果的有效性，就必须要选好材料。原材料是本实验的变量，因此，要尽量控制好原材料的用量、生产商家等。只有真正使用同一家厂家出厂的同一类型原材料，才能控制好与原材料相关的变量。除此之外，最好使用同一批原材料，这样生产日期、运输和存储条件一致，整个原材料才能得到更加有效的变量控制。

基于本实验对材料的需求，考虑到材料的特殊性，本实验的材料都是选自同一批生产出厂的原材料，且质量能够得到有效保证。除此之外，本实验的材料用量也控制在合理范围内，以真正保证实验中对于材料用量的变量研究，得出有关水泥浆体的变形影响因素。

试验采用海螺P·Ⅱ52.5级水泥，标准稠度用水量为27.9%，而施工使用中的初凝时间为115min，在210min时出现终凝现象，水泥细度1.6%（0.08mm水泥细度标准筛的筛余）。

本实验采用Ⅰ级粉煤灰，属于粉煤灰种类中质量较高的类型，其需水量高达90.7%，比表面积340m2/kg；采用S95级粒化高炉矿渣微粉，流动性110%，比表面积440m2/kg。具体的材料组成见表1。

表1 水泥、粉煤灰与矿粉的化学组成（单位：%）

1.2 试验配合比

为了保证水泥浆体变形性能试验的有效性，需要控制好整个实验原材料的配比。试验用水泥净浆配合比见表2。

表2 水泥净浆配合比（单位：%）

1.3 试验方法

按照水泥胶砂干缩试验的具体标准，整个实验可以利用三联钢试模作为模具。三联钢试模能有效保证水泥浆体的形状，减少除了实验变量而导致的水泥浆体变形。在本次实验中，采用长宽都为25cm、高为28cm的长方体模具。在进行水泥浆体的浇筑前，为了保证实验质量，先在钢试模两端埋下大小合适的测头，确认是否符合实验标准；试件成型后，采取保鲜膜作为覆盖层防护水泥浆体；本实验在20±1℃环境下，对水泥浆体进行养护。根据实验要求，标准的养护时间为24±2h。养护结束后直接拆模，测量每个试件的初始长度，并且记录为数据L0。之后，为了研究不同条件对水泥浆体变形性能的影响，把试件分成5组，把不同组的试件分别放置在不同的环境条件下，进行标准养护。等养护时间到后，测量每个试件的长度，得到数据Ln。通过对试件长度的比较，可以大致得出水泥浆体变形特性的影响因素。

把第一组试件放在水中，其养护温度是（20±1）℃；而第二组试件也在同样的水环境下，其养护温度为（40±1）℃；第三组试件也在同样的水环境下，其养护温度为（60±1）℃；而第四组试件则先要包裹密封后进行养护，其养护温度为（20±1）℃。在本实验中，包裹密封材料为保鲜膜和自黏性铝箔，之后，还要把试件放到相对湿度为（60±5）%的环境条件下；第五组试件的养护温度为（20±1）℃，而其养护相对湿度为（60±5）%。所有的试件都必须要养护到合适的时间，使整个试件能够充分凝结，以保证水泥浆体的质量。对不同条件下的试件进行测量，可以得到试件的自膨胀值，从而以此推算出温、湿度对水泥浆体变形性能的影响。

在具体的计算过程中，可以利用变形率公式得到水泥浆体试件的变形率。

式中：

L——试件的有效长度；

Ln——试件全长数据，即280mm；

L0——基于之前预埋测头的长度，即30mm；

Ln-L0——水泥浆体的有效长度，即250mm。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰与矿粉对水泥浆体水中养护膨胀的影响

从实验结果可以得出，当饱水中养护时，不同的粉煤灰与矿粉配比量以及养护龄期都会影响水泥浆体的膨胀变形率。

当20℃的饱水中养护时，粉煤灰的掺入会导致水泥浆体早期形成时就发生变形，而后期的养护中会减少整个膨胀变形的程度。对照纯水泥的浆体，掺粉煤灰的水泥浆体的膨胀变化如下：当水体养护28d时，掺15%、30%、45%粉煤灰的水泥浆体膨胀变形分别增加了18.5%、7.1%、4.9%，而在180d的水中养护条件下时，其膨胀变形分别降低了1.1%、10.9%、17.4%。

当矿粉掺量为15%时，水泥浆体就一直在膨胀，而当矿粉掺量变大，养护时间增加后，矿粉的掺入反而使水泥浆体的膨胀变小了。与纯水泥对照组相比较，矿粉掺量15%、30%、45%的水泥浆体的膨胀变形也出现了变化。具体而言，在180d的水中养护后，其膨胀变形反而只增大了20.1%、7.9%、4.0%。由以上数据可以得出，用水中养护时，粉煤灰对水泥浆体的变形影响比较大，而矿粉的影响反而较小[1-3]。

而在（40±1）℃的水中养护时，粉煤灰的掺入反而会让水泥浆体膨胀变形的降低幅度加大许多。且粉煤灰的掺加量与养护龄期呈现正相关的关系。与纯水泥浆体的实验对照组相比较，掺量15%、30%、45%的水泥浆体，其28d时的水中养护膨胀变形分别减少了38.8%、66.8%、78.8%，而在180d的时候，其水中养护膨胀变形分别减少了73.8%、81.8%、86.8%。且随着饱水中养护温度的增加，整个粉煤灰的掺入对膨胀变形的降低作用更加明显，而矿粉的掺入却对其没有什么太大的影响，可以忽略不计。

而在60℃的水中养护时，粉煤灰的掺入反而会让水泥浆体膨胀变形的降低幅度更大。且粉煤灰的掺量与养护龄期呈现正相关的关系，甚至会出现收缩变形的现象。也就是说，粉煤灰掺量越多，就会更加加重水泥浆体的变形。在180d时，水泥浆体对照组的水中养护膨胀变形系数是775.7×10-6。与纯水泥浆体的实验对照组相比，180d时粉煤灰掺量15%的水泥浆体的水中养护膨胀变形系数为55.3×10-6，而粉煤灰掺量30%的水泥浆体则产生了反作用，其180d时的水中养护膨胀变形系数为-196.8×10-6，粉煤灰掺量45%的水泥浆体在180d时的水中养护膨胀变形系数为-248.8×10-6。这说明养护的时间也会影响到整个水泥浆体的变形程度，而粉煤灰对水泥浆体的变形影响呈现先膨胀后收缩的变化。

与粉煤灰不同，矿粉的使用，水泥浆体几乎不会在高温环境下出现水中养护膨胀变形。

2.2 粉煤灰与矿粉对水泥浆体密封自收缩的影响

在20℃的密封环境中养护水泥浆体时，不同粉煤灰与矿粉掺量的水泥浆体，其对照组呈现先膨胀后收缩的情况。尤其是在3d时，其膨胀变形系数达到最大，数值为155.3×10-6，而7d后，整个基准样也会从膨胀的情况转为收缩的情况。整个收缩的情况持续到60d时，整个水泥浆体的膨胀收缩才趋于平缓，数值为-855.3×10-6。而到180d时，整个自收缩值变成为-955.3×10-6。之后的自收缩则无太大变化。此数据说明整个试件密封后，其表面的自由水发生了回吸的情况。而当掺入粉煤灰之后，粉煤灰掺量越大时,水泥浆体的自膨胀变形越大，而矿粉的掺入会显著增强水泥浆体的自收缩性能。这说明粉煤灰与矿粉都会对水泥浆体密封自收缩产生影响[4]。

2.3 粉煤灰与矿粉对水泥浆体干燥收缩的影响

当温度为20℃，在干燥环境条件下养护时，不掺入粉煤灰与矿粉的对照组会随着水泥浆体的水化，使得水分蒸发而发生干燥收缩。直到60d后，干燥收缩的效果才会逐渐消失。在60d时干燥收缩值是为-2875×10-6，之后则渐渐趋于稳定。而到180d时，整个干缩值则增加到-3375×10-6，也就是说，在干燥的空气中，当温度为20℃时，粉煤灰与矿粉对水泥浆体产生的自收缩规律，与密封养护条件下的情况非常类似。具体而言，水泥浆体都是先收缩，然后趋于平稳，最后再是出现膨胀的现象，直到膨胀值达到最大时，才会趋于平稳。然而不同的是，基于粉煤灰与矿粉原材料的特性不同，两者对水泥浆体的干燥收缩变形的具体原理不一样，且表现形式也不一样[5]。粉煤灰降低了水泥浆体的干燥收缩变形，且随着粉煤灰掺量增加，对水泥浆体干燥收缩的减缩效果越明显；而矿粉增大了水泥浆体的干燥收缩变形，且收缩变形随矿粉掺量的增大而增加。

3 结束语

总之，环境条件以及材料组成的变化，都会影响水泥浆体的质量。有些会增加水泥浆体的自膨胀变形，有些会促进水泥浆体的自收缩，甚至造成水泥浆体的干燥收缩。如果是饱水中养护的条件，掺入粉煤灰会抑制水泥浆体的膨胀变形,且粉煤灰掺入越多，水泥浆体膨胀变形抑制越明显。如果温度越高，也会增加试验测定的试龄期，相应的水泥浆体膨胀抑制就会越高。而在相同的水中养护条件下，矿粉几乎不会影响水泥浆体的膨胀变形，甚至温度变化了，矿粉也不会影响水泥浆体膨胀变形[6]。而当水泥浆体是在密封养护的条件时，只要掺入粉煤灰，就会抑制水泥浆体的自收缩变形。干燥养护时，掺入粉煤灰对水泥浆体有一定的减缩作用，而矿粉的掺入使水泥浆体的干燥收缩增大。因此，有关的施工人员必须对整个水泥浆料的生产工艺进行合理地控制，提高工程技术。只有如此，才能使水泥砂浆的施工达到要求，并合理地保障工程的质量和安全。