不同聚灰比及不同摻量粉煤灰對(duì)砂漿性能的影響研究

周文凱（福建閩東建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 寧德 352100）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提升，土木建筑材料開始向高性能高質(zhì)量的方向發(fā)展。土木行業(yè)從業(yè)者開始向土木工程材料中摻入聚合物來(lái)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(fù)合改性而成，具有優(yōu)良的抗壓、抗折強(qiáng)度及抗?jié)B性能，被廣泛應(yīng)用于混凝土工程中的修補(bǔ)、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(xué)性能及耐久性能具有十分重要的工程實(shí)踐意義。

目前，研究者已經(jīng)開展了聚合物改性水泥砂漿的力學(xué)性能及耐久性能方面的研究工作[3,4]。為了響應(yīng)國(guó)家對(duì)固體廢棄物高效利用的號(hào)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(duì)聚灰比及粉煤灰比例對(duì)高強(qiáng)砂漿性能的影響規(guī)律尚未進(jìn)行全面分析，其提升效果仍需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究?；诖耍闹虚_展28d 養(yǎng)護(hù)齡期下不同粉煤灰摻量（0%、5%、10%、15%、20%）、不同養(yǎng)護(hù)齡期（3d、7d、28d）及不同聚灰比摻量（0%、2%、4%、6%、8%）對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及氯離子滲透系數(shù)的影響，以期為高質(zhì)量砂漿的性能提升及級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，助力高品質(zhì)建筑工程的建設(shè)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

采用的試驗(yàn)材料包括聚合物EVA 乳液、細(xì)砂、水泥、粉煤灰、減水劑和自來(lái)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(jī)制砂，最大粒徑為2.5mm，表觀密度為2.54g/cm3；水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)；粉煤灰強(qiáng)度等級(jí)為Ⅱ級(jí)；減水劑的減水率不超過35%。

1.2 配合比

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)初期粉煤灰對(duì)水泥砂漿性能的影響規(guī)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(yǎng)護(hù)齡期下水泥砂漿性能與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系。嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[5]中的要求進(jìn)行不同聚合物及粉煤灰摻量的高強(qiáng)砂漿組成材料比例設(shè)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。本文高強(qiáng)水泥砂漿的制備及養(yǎng)護(hù)過程參照規(guī)范GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（ISO法）[6]中規(guī)定的進(jìn)行。

表1 高強(qiáng)水泥砂漿材料配合比

1.3 測(cè)試方法

嚴(yán)格依照規(guī)范DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》[7]規(guī)定的測(cè)試方法及計(jì)算步驟進(jìn)行自密實(shí)混凝土抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的測(cè)試及計(jì)算。自密實(shí)混凝土的抗氯離子滲透性能試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的操作步驟及計(jì)算方法進(jìn)行，采用RCMNTB型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行抗氯離子滲透系數(shù)的測(cè)試。

2 粉煤灰摻量對(duì)砂漿性能的影響研究

2.1 粉煤灰摻量對(duì)砂漿力學(xué)強(qiáng)度的影響

采用上述確定的測(cè)試方法及計(jì)算方法測(cè)試并計(jì)算了28d 養(yǎng)護(hù)齡期下不同粉煤灰摻量下高強(qiáng)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度，其分別與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系如圖1 所示。從圖1 可以看出，高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量均呈現(xiàn)先近似正向相關(guān)后下降的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。這是由于養(yǎng)護(hù)后期，低摻量粉煤灰參與水泥砂漿的水化反應(yīng)，增加了水泥砂漿內(nèi)部的水化產(chǎn)物，提升其粘聚力，降低其流動(dòng)性，進(jìn)而提升了水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)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(yīng)生成的水化產(chǎn)物數(shù)量，反而抑制了水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。對(duì)于抗折強(qiáng)度與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系而言，近似線性上升階段的增長(zhǎng)率為每增加1%的粉煤灰，抗折強(qiáng)度增加值為0.11MPa；對(duì)于抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系而言，近似線性上升階段的增長(zhǎng)率為每增加1%的粉煤灰，抗壓強(qiáng)度增加值為0.49MPa。這表明，粉煤灰摻量的增加對(duì)于水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度提升效果更為顯著。

圖1 砂漿力學(xué)性能與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系

2.2 粉煤灰摻量對(duì)砂漿耐久性能的影響

采用上述確定的測(cè)試及計(jì)算方法測(cè)試并計(jì)算了28d養(yǎng)護(hù)齡期下，不同粉煤灰摻量下高強(qiáng)水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)，其與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系如圖2 所示。從圖2可以看出，高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下氯離子滲透系數(shù)與粉煤灰摻量呈現(xiàn)先近似負(fù)向相關(guān)后上升的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于氯離子滲透系數(shù)與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)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(shù)降低值為0.04×10-12m2/s。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)達(dá)到最低，即其耐久性能達(dá)到最強(qiáng)。這是由于養(yǎng)護(hù)后期，低摻量粉煤灰參與水泥砂漿的水化反應(yīng)，增加了水泥砂漿內(nèi)部的水化產(chǎn)物，有效填充了水泥砂漿內(nèi)部的空隙，減少了連通空隙的數(shù)量，強(qiáng)化了水泥砂漿內(nèi)部的密實(shí)性，進(jìn)而降低了水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)，提升了水泥砂漿的耐久性能。然而，當(dāng)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(yīng)生成的水化產(chǎn)物數(shù)量，水泥砂漿內(nèi)部的連通空隙不能得到有效填充，連通空隙數(shù)量增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(shù)與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)系

3 聚灰比對(duì)砂漿性能的影響研究

3.1 聚灰比對(duì)砂漿力學(xué)強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述分析可知，最佳的粉煤灰摻量為15%。因此，后續(xù)進(jìn)行聚灰比對(duì)水泥砂漿性能影響規(guī)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(jìn)行不同齡期下聚灰比對(duì)水泥砂漿性能的研究。采用上述確定的測(cè)試及計(jì)算方法測(cè)試并計(jì)算了3d、7d及28d養(yǎng)護(hù)齡期下，不同聚灰比下高強(qiáng)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度與聚灰比的相關(guān)關(guān)系如圖3 所示。從圖3 中可以看出，所有養(yǎng)護(hù)齡期下，高強(qiáng)水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度與聚灰比均呈現(xiàn)先近似正向相關(guān)后下降的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)聚灰比達(dá)到4%時(shí)，高強(qiáng)水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度達(dá)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(nèi)部的空隙，降低其流動(dòng)性；另一方面EVA乳液具有成膜的效應(yīng)，在水泥水化反應(yīng)的過程中可以起到封閉水泥砂漿內(nèi)部連通空隙的作用，雙重作用下增強(qiáng)了水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。但是由于EVA 乳液具有一定的引氣作用，拌合過程中會(huì)將氣體引入水泥砂漿中，使得高強(qiáng)水泥砂漿中內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)骨架松散，反而降低水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。

圖3 砂漿力學(xué)性能與聚灰比的相關(guān)關(guān)系

由于所有養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度與聚灰比的演變規(guī)律一致。對(duì)于28d 抗折強(qiáng)度與聚灰比的相關(guān)關(guān)系而言，近似線性上升階段的增長(zhǎng)率為每增加1%的聚灰比，抗折強(qiáng)度增加值為0.4MPa；對(duì)于抗壓強(qiáng)度與聚灰比的相關(guān)關(guān)系而言，近似線性上升階段的增長(zhǎng)率為每增加1%的聚灰比，抗壓強(qiáng)度增加值為4MPa。這意味著，聚灰比的增加對(duì)于高強(qiáng)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度提升效果更為顯著。

此外，所有聚灰比條件下，高強(qiáng)水泥砂漿的抗壓及抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且養(yǎng)護(hù)初期，水泥砂漿的抗壓及抗折強(qiáng)度提升更為顯著。這是由于養(yǎng)護(hù)初期，水泥砂漿內(nèi)部的聚合物、粉煤灰、水泥與水之間的水化反應(yīng)更為劇烈，產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物，可以有效提升水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。

3.2 聚灰比對(duì)砂漿耐久性能的影響

采用上述確定的測(cè)試及計(jì)算方法測(cè)試并計(jì)算了28d 養(yǎng)護(hù)齡期下不同聚灰比下高強(qiáng)水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)，其與聚灰比的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下氯離子滲透系數(shù)與聚灰比呈現(xiàn)先近似負(fù)向相關(guān)后上升的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于氯離子滲透系數(shù)與聚灰比的相關(guān)關(guān)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(shù)降低值為0.47×10-12m2/s。當(dāng)聚灰比達(dá)到4%時(shí)，水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)達(dá)到最低，即其耐久性能達(dá)到最強(qiáng)。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(nèi)部的空隙，另一方面EVA 乳液具有成膜的效應(yīng)，在水泥水化反應(yīng)的過程中可以起到封閉水泥砂漿內(nèi)部連通空隙的作用，雙重作用下有效減少了氯離子的擴(kuò)散路徑，降低了水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)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(huì)將氣體引入水泥砂漿中，使得高強(qiáng)水泥砂漿中內(nèi)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(nèi)部的連通孔道增加，增加了氯離子的擴(kuò)散通道，使得氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加，反而降低了水泥砂漿的耐久性能。

圖4 砂漿氯離子擴(kuò)散系數(shù)與聚灰比的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

（1）高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下抗折及抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量均呈現(xiàn)先近似正向相關(guān)后下降的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

（2）高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下氯離子滲透系數(shù)與粉煤灰摻量呈現(xiàn)先近似負(fù)向相關(guān)后上升的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于氯離子滲透系數(shù)與粉煤灰摻量的相關(guān)關(guān)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(shù)降低值為0.04×10-12m2/s。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)達(dá)到最低，即其耐久性能達(dá)到最強(qiáng)。

（3）所有養(yǎng)護(hù)齡期下，高強(qiáng)水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度與聚灰比均呈現(xiàn)先近似正向相關(guān)后下降的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)聚灰比達(dá)到4%時(shí)，高強(qiáng)水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

（4）高強(qiáng)水泥砂漿的28d養(yǎng)護(hù)齡期下氯離子滲透系數(shù)與聚灰比呈現(xiàn)先近似負(fù)向相關(guān)后上升的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于氯離子滲透系數(shù)與聚灰比的相關(guān)關(guān)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(shù)降低值為0.47×10-12m2/s。當(dāng)聚灰比達(dá)到4%時(shí)，水泥砂漿的氯離子滲透系數(shù)達(dá)到最低，即其耐久性能達(dá)到最強(qiáng)。

（5）所有聚灰比條件下，高強(qiáng)水泥砂漿的抗壓及抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且養(yǎng)護(hù)初期，水泥砂漿的抗壓及抗折強(qiáng)度提升更為顯著。

（6）粉煤灰摻量及聚灰比的增加對(duì)于水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度提升效果更為顯著。