粉煤灰和礦渣不同配合比對無水泥砂漿性能的影響

張海龍， 王曉博， 左展毓， 方永青， 裴長春

（延邊大學工學院 土木工程系，吉林 延吉133002）

粉煤灰和礦渣不同配合比對無水泥砂漿性能的影響

張海龍， 王曉博， 左展毓， 方永青， 裴長春＊

（延邊大學工學院 土木工程系，吉林 延吉133002）

以粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料作為膠凝材料，研究了其不同配合比對無水泥砂漿力學性能的影響．試驗結果表明：①隨粉煤灰摻和率的增加砂漿的流動性呈逐步上升趨勢，當粉煤灰摻和率為70%時，流動性達到普通硅酸鹽水泥砂漿（OPC）的水平；②砂漿的表觀密度均明顯高于OPC，但隨著粉煤灰摻和率的增加呈逐步下降的趨勢；③隨著粉煤灰摻和率的逐步增加，砂漿的強度總體呈下降趨勢，摻和率為20%時強度值最大，為OPC的90%，但隨齡期的增長強度總體有了穩(wěn)步提高；④在本試驗中，當膠凝體中同時摻和20%的粉煤灰和80%的礦渣時為最佳組合．

無水泥混凝土；粉煤灰；高爐礦渣；激發(fā)劑

0 引言

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑能源的消耗大幅增加，其中水泥的消耗最為突出．資料［1］表明，2011年國內水泥總產(chǎn)量達到20．6億t，居世界第一．一般生產(chǎn)1 t水泥會產(chǎn)生0．7～0．8 t二氧化碳，這無疑加劇了地球的“溫室效應”，威脅人類的生態(tài)環(huán)境，因此，亟待配制出新的膠凝材料以取代高能耗的傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)．目前，火電廠產(chǎn)生的粉煤灰以及制鐵過程中產(chǎn)生的礦渣等廢棄物，不僅在存放過程中大量浪費土地資源，而且還容易污染周邊環(huán)境．近年來，將這些廢棄物作為礦物外加劑使用雖然取得一定成績，但大量使用仍受到技術上的限制［2］．本文將粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料作為膠凝材料，分析其不同配合比對砂漿力學性能的影響，并給出最佳膠凝體組合，為無水泥膠凝材料合成的運用提供參考．

1 試驗方案及方法

1．1 試驗方案設計

實驗以100%普通硅酸鹽水泥的1組砂漿（簡稱OPC）為基準砂漿，其水膠比為0．4，膠砂比為1∶3，目標環(huán)型擴展度值［3］（簡稱Ring Flow）為80±10 mm．砂漿試驗共分為12組，其中粉煤灰和礦渣的不同配合比組為11組（見表1）．試驗以KOH和NaOH為激發(fā)劑組合（激發(fā)劑占總質量的7．5%，其中NaOH占5%，KOH占2．5%），并在塑性狀態(tài)下測定Ring Flow和表觀密度，在硬化狀態(tài)下測定不同齡期的抗壓強度和抗折強度．試驗中采用的砂漿配合比如表2所示．

表1 粉煤灰和礦渣的配合比

表2 砂漿配合比

1．2 使用材料

試驗中使用的水泥為吉林省汪清縣廟嶺生產(chǎn)（密度為3 115 kg/m3），粉煤灰來源于吉林省延吉市發(fā)電廠（密度為2 200 kg/m3），礦渣來源于濟南市歷城區(qū)榮興達礦粉廠（密度為2 890 kg/m3）．激發(fā)劑為NaOH和KOH（質量分數(shù)分別為96．0%和82．0%），減水劑為粉狀聚羧酸高效減水劑（密度為550 kg/m3），細骨料使用天然砂（密度為2 650 kg/m3）．

1．3 試驗方法

試驗采用UJZ－15砂漿攪拌機．首先對膠凝材料和砂干攪拌120 s，然后加水和減水劑再攪拌180 s．根據(jù)文獻［3］，塑性狀態(tài)下，砂漿Ring Flow用內徑50 mm、高50 mm的容器測定，表觀密度按照JTG E30—2005規(guī)定測定．試塊成型后，在HWX－L型電熱鼓風干燥箱內于60℃恒溫養(yǎng)護24 h，拆模后再放入SHBY－90B型水泥混凝土標準養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，并按照GB/T 17671規(guī)定分別測定不同齡期的抗壓強度和抗折強度．

2 試驗結果及分析

2．1 塑性狀態(tài)特性分析

2．1．1 流動性 圖1為不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿Ring Flow值．由圖1可以看出：未摻入粉煤灰的F0B10的流動性很低．這是因為礦渣在堿性激發(fā)劑的作用下，表面玻璃體很快被打破，使其參與到水化反應中，因此增加了減水劑的比例，降低了砂漿的和易性．隨著粉煤灰摻和率的增加，流動性有逐步上升趨勢，當粉煤灰的摻和率達到70%時，其Ring Flow值開始接近OPC的值（76 mm）．這是因為球形顆粒型的粉煤灰在拌合物中產(chǎn)生滾珠效應［4］，提高了砂漿的和易性及整體穩(wěn)定性．

圖1 不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿Ring Flow值

2．1．2 表觀密度 圖2為不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿表觀密度值．由圖2可以看出，以OPC表觀密度值為基準，無水泥砂漿的表觀密度均明顯高于OPC，且隨著礦物外加劑中粉煤灰摻和率的增加表觀密度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢．資料［5－6］表明，一般粉煤灰中未燃燒的碳粉對砂漿的AE（air－entraining）空氣起破壞作用，致使增加砂漿的表觀密度．但是，本研究中所用磨細礦渣密度為2 890 kg/m3，粉煤灰密度為2 200 kg/m3，它們的密度差對砂漿表觀密度的影響遠遠大于粉煤灰中未燃燒的碳粉對AE的破壞作用，因此導致砂漿表觀密度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢．

圖2 不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿表觀密度

2．2 硬化狀態(tài)特性分析

2．2．1 抗壓強度 圖3和圖4分別為不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿抗壓強度值及相對OPC抗壓強度值的百分比．由圖3a和圖4a可以看出：齡期為3 d的OPC抗壓強度值為19．7 MPa，而未摻入粉煤灰的F0B10抗壓強度值達到25．7 MPa．這是因為在堿性激發(fā)劑作用下，無水泥膠凝體中的磨細礦渣玻璃體被擊碎，使礦渣發(fā)生潛在水硬性反應［7－9］，生成了較多的水化物（相對于OPC），致使強度得到提高．隨著礦物外加劑中粉煤灰摻和率的增加，抗壓強度出現(xiàn)總體逐步下降的趨勢，當粉煤灰摻和率為70%時，抗壓強度開始低于OPC．這是因為在早期的膠凝體中，粉煤灰和堿性物質的中和反應未活躍進行，致使隨其摻和率的增加抗壓強度出現(xiàn)下降趨勢．

由圖3b和圖4b可以看出，齡期為7 d的OPC抗壓強度值為28．80 MPa，而未摻入粉煤灰的F0B10抗壓強度值為25．18 MPa．隨著粉煤灰摻和率的增加，抗壓強度值只在其摻和率為10%、20%、50%時超過了OPC，其中摻和率為20%時抗壓強度達到最大值34．27 MPa．

由圖3c和圖4c可以看出，齡期為28 d的OPC抗壓強度值為37．90 MPa，未摻入粉煤灰的F0B10抗壓強度值為30．80 MPa．隨著粉煤灰摻和率的增加，抗壓強度呈下降趨勢，其中摻和率為20%時抗壓強度值最大為33．96 MPa，為OPC的90%．雖然隨粉煤灰摻和率的增加，抗壓強度總體呈下降趨勢，但相對于7 d的而言，總體上有了穩(wěn)步的提高．這是因為在后期養(yǎng)護過程中，砂漿中的SiO2、Al2O3和Ca（OH）2持續(xù)反應，生成了大量的C－S－H膠體及鋁酸鈣等水化物，致使后期的抗壓強度得到提高．

圖3 不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿抗壓強度

圖4 相對OPC抗壓強度的百分比

2．2．2 抗折強度 圖5和圖6分別為不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿抗折強度值及相對OPC抗折強度的百分比．由圖可以看出，以OPC抗折強度為基準，無水泥砂漿試塊的抗折強度均低于OPC，且在相同齡期，隨著粉煤灰摻和率的增加，砂漿抗折強度呈現(xiàn)遞減的趨勢．齡期為28 d，膠凝材料組合中同時摻入20%粉煤灰和80%礦渣的F2B8的抗折強度達到最大值，為OPC的90%．

圖5 不同粉煤灰和礦渣配合比的砂漿抗折強度

圖6 相對OPC抗折強度的百分比

3 結論

本文以粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料作為膠凝材料，研究了其不同配合比對砂漿的流動性、強度等力學性能的影響．試驗結果表明：①隨粉煤灰摻和率的增加，砂漿的流動性呈現(xiàn)逐步上升趨勢．②無水泥砂漿的表觀密度均高于OPC，且隨著粉煤灰摻和率的增加，砂漿的表觀密度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢．③隨粉煤灰摻和率的逐步增加，強度總體呈下降趨勢，當粉煤灰的摻和率為20%時，強度值最大．④本試驗中，膠凝體中同時摻和20%粉煤灰和80%礦渣的F2B8組為最佳組合．本文僅對以KOH和NaOH為激發(fā)劑的組合做了研究，不同種類的激發(fā)劑及其組合的性能需進一步研究．

［1］ 中商情報網(wǎng)．2011年中國水泥產(chǎn)量統(tǒng)計分析［EB/OL］．（2012－2－15）［2002－04－15］．http：//www．a(chǎn)skci．com/news/201202/15/17019＿44．shtml．

［2］ Yang K H，Song J K．Workability loss and compressive strength development of cementless mor－tars activated by combination of sodium silicate and sodium hydroxide［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（3）：119－127．

［3］ 韓千秋，李建哲，許永善．水泥砂漿流動性評價方法研究［J］．韓國建筑施工學會報，2006，9：75－82．

［4］ 裴長春，李佰壽，韓千求，等．CSA外加劑對復合礦物摻料混凝土早期強度及干縮的改善效果［J］．延邊大學學報：自然科學版，2009，35（1）：72－76．

［5］ 李周宣，宋日范，樸炳冠，等．激發(fā)劑種類摻和量對大摻量礦渣混凝土早期質量影響分析［C］//2008年韓國混凝土學會會議論文集．首爾：韓國混凝土學會，2008，5：733－736．

［6］ 裴長春，樸英鑫，李文煥，等．CSA外加劑摻和率對大摻礦物外加劑混凝土物理性能的影響分析［C］//2005年韓國混凝土學會會議論文集．首爾：韓國混凝土學會，2005，5：369－372．

［7］ 李尚洙．使用堿性激發(fā)劑無水泥環(huán)保無機復合體流動性及強度性能研究［J］．韓國建筑學會報，2010，26（5）：67－74．

［8］ 李潤城，李江弼，李尚洙，等．使用高爐礦渣及赤泥無水泥復合體流動性及強度性能研究［C］//2010年韓國建筑學會會議論文集．首爾：韓國建筑學會，2010，10（2）：91－94．

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Influence of the fly ash and slag’s mix proportion on the properties of no cement mortars

ZHANG Hai－long， WANG Xiao－bo， ZUO Zhan－yu， FANG Yong－qing， PEI Chang－chun＊
（Department of Civil Engineering，College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China）

We use the fly ash，slag and industrial wastes as cementing material to analyze the mechanical property that its mix proportion to the mortar．The results show that：①liquidity goes upward with the admixture rate of fly ash increase．When the admixture rate of fly ash is 70%，the liquidity can reach the same level as OPC or more．②The unit density of no cement mortars is significantly higher than OPC，and the unit density goes downward with the admixture rate of fly ash increase．③It reaches the maximum when the admixture rate of fly ash in cementing material is 20%，that is 90%of OPC；but the overall intensity shows descending tendency with the admixture rate of fly ash increase；and also has a stable improvement with the intensity of age increase．④In this study，when 20%of the fly ash and 80%of slag are admixtured in cementing form，then it is the best combination．

no cement concrete；fly ash；blast furnace slag；activator

TU528．31

A

1004－4353（2012）02－0163－05

2012－04－13

＊通信作者：裴長春（1976—），男，博士，講師，研究方向為混凝土原理及應用．