粉煤灰及礦渣對硬化水泥石干縮變形的影響

余 輝，郭進京，張家洋

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津 300384；2. 新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453003)

在現(xiàn)今混凝土或砂漿中，礦物摻和料是一個不可缺少的組成部分，而用礦渣和粉煤灰已相當普遍.在我國，粉煤灰及礦渣在建筑上的應(yīng)用，主要集中用于摻和在生產(chǎn)墻體材料和混凝土中，在量大面廣的建筑砂漿(含砌筑、抹灰及地面砂漿)中的研究與應(yīng)用還不多見[1-3].干縮變形是引起砂漿和混凝土裂縫的重要原因之一.特別是對于砂漿，由于它附著在某一基材的表面，與基層材料共同工作，因此與基層之間不可避免地存在著相互作用.同時，砂漿在使用時通常厚度較薄，且直接與自然環(huán)境接觸，很容易失水而產(chǎn)生干縮變形.正是由于砂漿層與基層之間這種干縮變形的不一致性，所以常常導(dǎo)致砂漿開裂，從而影響建筑工程的質(zhì)量[4].

因此，對既能滿足建筑工程需要、符合現(xiàn)行規(guī)范標準要求[5-6]，又可替代水泥及其它砂漿摻和料，直接與砂子拌和成建筑所需的砂漿專用膠凝材料的技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)，具有一定的現(xiàn)實意義.本文通過單摻及復(fù)摻礦渣和粉煤灰對硬化水泥石干縮變形影響的研究，以求人們對礦渣和粉煤灰的作用有一個更全面的認識.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與配合比

所需材料包括：42.5普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、礦渣粉、普通河砂和纖維素醚(保水劑).

粉煤灰的摻量為 0%，10%，20%，30%，40%，50%；礦渣摻量為 0%，10%，20%，30%，40%，50%；灰砂比 1∶2.5，水灰比 0.5，保水劑摻量為 0.5%.鑒于在商品砂漿中通常會摻入一定數(shù)量的保水劑，因此在研究中也適當加入了保水劑.

1.2 試件制備

采用 25 mm×25 mm×280 mm 試件.試件成型后2 d脫模，放入水中養(yǎng)護 2 d取出，用濕布擦干表面水分，量取初始長度；然后放在 20 ℃的自然環(huán)境中干燥，測量 1，3，7，10，14，21，28 d 的長度變化，以觀察硬化水泥石的干縮變形.

2 試驗結(jié)果與分析

水泥石中的水主要分為結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水、凝膠水、自由水和吸附水.在正常室溫和干燥環(huán)境下，自由水和吸附水最容易失去，其次是部分凝膠水，而結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水和部分凝膠水是不能失去的.一般認為自由水的失去不能影響試塊的干縮變形，部分凝膠水的失去是引起試塊干縮變形的主要原因.

2.1 單摻粉煤灰對硬化水泥石干縮變形的影響

圖 1給出了粉煤灰(FA)含量 0%，10%，30%時試塊在 1，3，7，11，14，21，28 d 的干縮變形試驗結(jié)果.

圖1 不同F(xiàn)A摻量硬化水泥石長度干縮率與時間的關(guān)系曲線

由圖 1可以看出：隨著齡期的增長，干縮變形增加；隨著粉煤灰含量的增加，干縮變形減小.一方面，粉煤灰在硅酸鹽水泥水化中可以起到形態(tài)效應(yīng)[7]，粉煤灰顆粒中有 80%以上是玻璃微珠和多孔玻璃體，在拌和時起到獨特的“潤滑”和“解絮”作用，因而粉煤灰在砂漿中有減水作用；另一方面，粉煤灰的摻入提高了水泥的有效水灰比，使水泥水化環(huán)境得到改善，水化程度提高；同時，也促使水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的消耗，有利于水泥水化反應(yīng)的進行.從該角度講，水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠將增多，但這不能解釋隨著粉煤灰摻量的增加干縮變形減小的現(xiàn)象.從另一角度來分析，漿體中粉煤灰的比例越大，則水泥比例就越小，從而 Ca(OH)2的消耗量增大而生成量減小，孔液中 Ca(OH)2量越來越少，出現(xiàn)了粉煤灰的反應(yīng)程度下降，那么未反應(yīng)的粉煤灰量增多.由于粉煤灰的顆粒多呈球形微粒，內(nèi)比表面積較小，吸附水的能力較小，因而粉煤灰水泥的干燥收縮小.這也就解釋了隨著粉煤灰摻量的增加，干縮變形減小的原因.

2.2 單摻礦渣對硬化水泥石干縮變形的影響

圖 2給出了礦渣(SL)含量 10%，20%，40%，50%時試塊在 1，3，7，11，14，21，28 d的干縮變形試驗結(jié)果.

由圖2可以看出：隨著齡期的增長和礦渣含量的增加，試塊干縮變形都增加.礦渣微粉的膠凝性雖然與硅酸鹽水泥相比是較弱的，但它能為水泥水化體系起到微晶核效應(yīng)的作用，能加速水泥水化反應(yīng)的進程，并為水化產(chǎn)物提供充裕的空間，改善了水泥水化產(chǎn)物分布的均勻性[8]；再者，礦渣在堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)或復(fù)合激發(fā)下發(fā)生反應(yīng)，形成低鈣型 C-S-H凝膠和相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，不僅增加了C-S-H的量，而且消耗了對強度不利的 Ca(OH)2晶體，Ca(OH)2的減少又進一步促使C3S和C2S的水化，形成有利于水泥和礦渣水化的良性循環(huán)[9]，因而水泥水化產(chǎn)物中C-S-H凝膠增多，而凝膠水主要存在于C-S-H凝膠之中，凝膠水的失去將會引起較大的干縮變形.故隨著礦渣含量的增加，硬化水泥石干縮變形增大.

2.3 復(fù)摻粉煤灰與礦渣對硬化水泥石干縮變形的影響

圖 3給出了礦渣(SL)含量 0%，10%，20%和粉煤灰(FA)含量 0%，10%，20%，30%，40%，50%時試塊28 d的干縮變形試驗結(jié)果.

圖3 不同F(xiàn)A摻量下硬化水泥石SL摻量與長度干縮率的關(guān)系曲線

由圖 3可以看出：在干燥環(huán)境下，在礦渣和粉煤灰對硬化水泥石干縮變形的影響中，隨著粉煤灰含量的增加，試件的干縮變形減??；但與圖1相比，其干縮變形的減小不如單摻粉煤灰顯著.

圖 4給出了粉煤灰(FA)含量 0%，10%，20%和礦渣(SL)含量 0%，10%，20%，30%，40%，50%時試塊28.d的干縮變形試驗結(jié)果.

圖4 不同SL摻量下硬化水泥石FA摻量與長度干縮率的關(guān)系曲線

由圖 4可以看出：在干燥環(huán)境下，在礦渣和粉煤灰對硬化水泥石失水過程的共同影響下，隨著礦渣含量的增加，試件的干縮變形增大；與圖2相比，其干縮變形的增大不如單摻礦渣顯著.

硬化水泥石的干縮變形與失水過程是密切相關(guān)的.但是，硬化水泥石中的水是復(fù)雜的，它具有不同的形式，而且它們的失去對硬化水泥石的干縮變形的影響是不同的.粉煤灰和礦渣的摻入，影響了不同形式水的分布，從而影響了硬化水泥石的干縮變形行為[10].在對干縮變形的影響中，兩者起到相反的作用，使彼此效應(yīng)得以抵消.粉煤灰和礦渣對硬化水泥石干縮變形的影響不一樣，隨著粉煤灰摻量的增加，硬化水泥石的干縮率減??；而隨著礦渣摻量的增加，硬化水泥石干縮率增大.當粉煤灰和礦渣同時摻入時，它們會彼此抵消各自對硬化水泥石干縮變形的影響.

3 結(jié) 論

(1)在干燥環(huán)境下，隨著粉煤灰摻量的增加，硬化水泥石的干縮變形減小；隨著礦渣摻量的增加，硬化水泥石的干縮變形增大.(2)粉煤灰和礦渣對硬化水泥石干縮變形的影響規(guī)律相反，兩者相互作用，可以抵消彼此對硬化水泥石干縮率增大或減小的作用.

［1］師祥洪，唐兆峰. 粉煤灰在建筑砂漿中的應(yīng)用研究[J].節(jié)能，2003(10)：46-48.

［2］施惠生，郁偉華. 商品干粉砂漿的開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用[J]. 世紀水泥導(dǎo)報，2001(4)：8-11.

［3］郁偉華，施惠生. 建筑干粉砂漿的開發(fā)研究與應(yīng)用[J].房材與應(yīng)用，2000(6)：40-46.

［4］張承志，王愛琴，卲 惠，等. 建筑混凝土[M]. 2版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：485-486.

［5］JC860—2000，混凝土小型空心砌塊砌筑砂漿[S].

［6］JC890—2001，蒸壓加氣混凝土用砌筑砂漿與抹面砂漿[S].

［7］陳美祝，呂 梁. 粉煤灰混凝土技術(shù)的發(fā)展[J]. 電力環(huán)境保護，2000(3)：49-51.

［8］蔣家奮. 礦渣微粉在水泥混凝土中的應(yīng)用的概述[J].混凝土與水泥制品，2002(3)：5-6.

［9］楊立軍. 礦渣超細粉在水泥中的應(yīng)用研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2005.

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