大掺量粉煤灰矿渣粉普通干混砂浆的试验研究

谢慧东，张云飞，栾佳春，王宁

（山东华森混凝土有限公司，山东 济南 250101）

0 前言

预拌砂浆的生产和推广应用是全国重点推行的项目之一，预拌砂浆的配制技术重点在于满足稠度、保水性等方面的要求前提下，如何通过废弃固体资源的大量高效利用，降低其生产成本，改善其各项性能，提高其绿色化水平。虽然粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料已广泛应用于各种普通干混砂浆的生产，但是掺粉煤灰、矿渣粉的砂浆，尤其是大掺量粉煤灰、矿渣粉的砂浆，其早期力学性能明显降低，严重制约粉煤灰、矿渣粉在砂浆中的大量应用。

脱硫石膏是利用脱硫净化工艺技术处理含硫燃料燃烧产生的烟气而得到的一种工业副产石膏，其主要成分和天然石膏相同，但由于脱硫石膏有一定的含水率(10%～15%)，且其中还含有飞灰、有机碳、碳酸钙、亚硫酸钙以及由钠、钾、镁的硫酸盐或氯化物组成的可溶性盐等杂质。因此，脱硫石膏的应用受到一定限制，大量脱硫石膏被抛弃堆存。本文研究大掺量粉煤灰-矿渣粉干混砂浆中，掺加一定量的经低温煅烧烘干的脱硫石膏，探讨掺脱硫石膏对大掺量粉煤灰-矿渣粉干混砂浆各项性能的影响。

1 原材料

水泥为济南山水P.O42.5水泥；粉煤灰为济南黄台电厂Ⅱ级灰；矿渣粉为济南鲁新S95级；脱硫石膏S为济南黄台电厂烟灰脱硫石膏经低温煅烧烘干，含水率0.2%，CaSO4·2H2O含量91%；水泥、粉煤灰、矿渣粉和脱硫石膏化学成分见表1；人工砂H，自产，采用石灰岩碎石机械破碎筛分，其H筛分析和性能指标如表2；砂浆保水增稠材料P：自配，由无机、有机保水材料复配而成，砂浆性能试验结果如表3；水为饮用水。

表1 水泥、粉煤灰、矿渣粉和脱硫石膏S的主要化学成分(%)

表2 人工砂H筛分析及性能指标

表3 掺加保水增稠材料P砂浆性能试验结果

2 试验方法和试验方案

2.1 试验方法

（1）试件制备和稠度、保水性、凝结时间、拉伸粘结强度、抗压强度和收缩性等基本性能测试均参照《建筑砂浆基本性能试验方法》JGJ/T 70-2009进行。碳化试验：试件制作同抗压强度，试件制作后在试验室静置24±2h后脱模，一部分试块直接放在室外自然条件下自然养护，另一部分试块放入标准养护室，养护至规定龄期后，再放在室外进行自然养护；养护时，各试块之间的间距不小于50mm，并使试块成型面朝上，且让各侧面与空气充分接触，养护时间为14d和28d，然后进行碳化深度测试。试验方法为利用试验压力机，将碳化至规定龄期的试块沿侧面从中间劈成两半，然后在试块内表面上，用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴定，约30s后，在测量试块内表面上每10mm一个测量点用钢板尺测出各点碳化深度，每组取3个试块碳化深度的算术平均值作为该组试块碳化测定值。

（2）SEM样品测试制备：对养护至规定龄期试样取样，并终止水化，进行SEM分析。

2.2 试验方案

设计砂浆配比为胶凝材料∶人工砂H=1∶4.5，稠度控制在90～100mm，保水增稠材料P掺量为5%(占胶凝材料总质量)，为外掺法。矿物掺合料为内掺法，其掺量为50%、60%、70%和80%等量取代水泥，粉煤灰与矿渣粉按一定复掺比例同时掺加，脱硫石膏S为占胶凝材料总用量的0%、4%、6%、8%、10%，等量取代矿物掺合料。

3 试验结果及讨论

3.1 粉煤灰、矿渣粉不同复掺比例对砂浆和易性和强度的影响

选取掺合料复掺60%等量取代水泥，粉煤灰与矿渣粉复掺比分别为10∶0、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7和0∶10，对粉煤灰和矿渣粉不同的复掺比对砂浆和易性和强度的影响进行研究，其试验结果见表4和图1。

表4 粉煤灰和矿渣粉不同复掺比对砂浆和易性的影响

从表4和图1可以看出，用不同复掺比例的粉煤灰和矿渣粉60%等量取代水泥后，在达到规定稠度时，与单掺粉煤灰或矿渣粉相比，砂浆单方用水量降低，砂浆保水性增加，砂浆湿容重增大，这说明两者复掺比单掺能更好地改善砂浆的和易性和工作性，提高砂浆的保水性，且能很好地提高砂浆的整体密实性；砂浆凝结时间随着复掺中矿渣粉比例的增加而延长，这是由于矿渣粉和粉煤灰对砂浆凝结时间影响不同所致。对砂浆抗压强度而言，随着复掺中矿渣粉比例的增加而逐渐增大，特别是28d增大比较明显，当粉煤灰与矿渣粉比例不大于4∶6，其砂浆28d抗压强度相差不大；对砂浆拉伸粘结强度来说，随着复掺中矿渣粉比例的增加而先逐渐增大后变化不大，这说明粉煤灰与矿渣粉在一定比例下复掺更有利于强度的发展。

图1 粉煤灰与矿渣粉不同复掺比对砂浆强度的影响

3.2 掺合料复掺掺量对砂浆和易性和强度的影响

选取粉煤灰和矿渣粉的复掺比为4:6，对粉煤灰和矿渣粉不同复掺掺量对砂浆和易性和强度的影响进行研究，其试验结果见表5和图2。

表5 粉煤灰和矿渣粉不同复掺掺量对砂浆和易性的影响

从表5和图2可以看出，粉煤灰和矿渣粉复掺不同掺量等量取代水泥后，在达到规定稠度时，随着掺合料掺量的增加，砂浆单方用水量降低，砂浆保水性变化不大，砂浆湿容重增大，这说明砂浆中掺入一定量的掺合料，能降低砂浆的需水量，提高砂浆的整体密实性，但对砂浆保水性影响不大；砂浆凝结时间逐渐延长，这是由于粉煤灰和矿渣粉的活性较低，其水化程度远低于水泥熟料。对砂浆抗压强度而言，随着掺合料掺量的增加，7d和28d抗压强度逐渐降低，且掺量越高降低越明显；对砂浆拉伸粘结强度来说，随着掺合料掺量的增加而逐渐降低，这说明掺合料掺量越高，对砂浆强度影响越大，从而对其在实际生产中的应用产生一定影响。

3.3 脱硫石膏对砂浆和易性和强度的影响

选取粉煤灰和矿渣粉的复掺比为4:6，掺量为70%，对脱硫石膏对砂浆和易性和强度的影响进行研究，其试验结果见表6和图3。

图2 粉煤灰与矿渣粉不同复掺掺量对砂浆强度的影响

表6 脱硫石膏掺量对砂浆和易性的影响

从表6和图3可以看出，利用脱硫石膏等量取代矿物掺合料后，在达到规定稠度时，随着脱硫石膏掺量的增加，砂浆单方用水量增多，最大增加15kg/m3，砂浆保水性有所降低，但变化不大，都≥88%，砂浆湿容重逐渐增大，这说明砂浆中掺入一定量的脱硫石膏，使砂浆的和易性和工作性略有降低，但提高了砂浆的整体密实性；砂浆凝结时间先延长后缩短，上下波动±10min内，说明脱硫石膏对砂浆凝结时间影响较小。对砂浆抗压强度和拉伸粘结强度来说，随着脱硫石膏掺量的增加，先逐渐增加后有所降低，相对于无脱硫石膏砂浆试样C-1，掺脱硫石膏砂浆7d、28d抗压强度和14d拉伸粘结强度最大增长率分别达25.5%、31.1%和17.4%，这说明脱硫石膏的加入，可以激活大掺量粉煤灰-矿渣粉砂浆中粉煤灰、矿渣粉的活性，使砂浆强度提高，从而为大掺量粉煤灰-矿渣粉干粉砂浆的实际应用提供一定的理论依据。

图3 脱硫石膏掺量对砂浆强度的影响

表7 掺合料和脱硫石膏对砂浆收缩和抗碳化能力的影响

3.4 掺合料和脱硫石膏对砂浆收缩性能和抗碳化能力的影响

选取A-1、A-7、A-5或B-2、B-3、C-3五组试样，分别对掺合料和脱硫石膏对砂浆收缩性能和抗碳化能力进行研究，其试验结果见表7。

从表7中可以看出，与单掺粉煤灰或矿渣粉相比，掺合料复掺砂浆的28d收缩率和同条件下的碳化深度较低，这说明掺合料复掺砂浆的收缩性能和抗碳化能力更好，且复掺掺量越高，效果越明显；与未掺脱硫石膏砂浆相比，掺脱硫石膏砂浆的收缩性能和抗碳化能力大大提高，即收缩率降低21.1%，同条件下的碳化深度明显降低，这说明脱硫石膏的加入，可以提高大掺量粉煤灰-矿渣粉砂浆的耐久性 （收缩性和抗碳化能力），使砂浆体积更稳定。

4 微观机理分析

利用SEM对A-1、A-7、A-5或B-2、B-3、C-3五组试样28d龄期的内部结构形貌进行分析，其结构形貌见图4。

图4 大掺量粉煤灰-矿渣粉砂浆各试样28d龄期的SEM照片

从图4中A-1和A-2试样可以看出，单掺粉煤灰或矿渣粉的砂浆浆体中，主要为C-S-H凝胶、存在较多的未水化的粉煤灰或矿渣粉以及水泥颗粒，Ca(OH)2晶体可能被凝胶和未水化颗粒覆盖包裹，较难分辨；掺合料复掺的砂浆浆体中（A-5和B-3试样），水化产物也以C-S-H凝胶为主，而未水化的粉煤灰和矿渣粉以及水泥颗粒明显较少，浆体结构较单掺粉煤灰或矿渣粉的浆体更为致密，更难观察到结晶良好的Ca(OH)2晶体，这说明掺合料复掺时，两者可以相互取长补短，充分发挥两者的“优势互补效应”，可使砂浆的各项性能更为优势。

在大掺量粉煤灰-矿渣粉砂浆中掺加适量脱硫石膏（C-3试样），除存在较多的C-S-H凝胶外，还可以观察到相对较多的呈针棒状的钙矾石AFt晶体，结构更为密实。AFt的形成一方面减少了对结构不利的Ca(OH)2含量，另一方面针棒状水化硫铝酸钙形成骨架，并通过C-S-H凝胶的均匀填充使硬化水泥浆体结构不断密实，从而使得砂浆强度提高，这就从微观结构上说明了掺脱硫石膏砂浆7d、28d抗压强度和14d拉伸粘结强度高于未掺脱硫石膏砂浆的原因。这是由于脱硫石膏的加入，可与复合胶凝体系中Ca(OH)2、水化铝酸钙凝胶以及粉煤灰或矿渣粉中活性Al2O3和SiO2发生反应，从而生成更多的针棒状钙矾石和水化硅酸钙凝胶，填充空隙，分布均匀，使浆体硬化结构更致密。

5 结论

（1）粉煤灰和矿渣粉在一定比例复掺时，砂浆的工作性能和力学性能优于单掺粉煤灰，与单掺矿渣粉接近；砂浆的收缩性能和抗碳化能力优于单掺粉煤灰或矿渣粉，且复掺的砂浆硬化浆体致密度更高，即掺合料复掺取代水泥可较好地改善砂浆的性能。

（2）在大掺量粉煤灰-矿渣粉干粉砂浆中掺入脱硫石膏，对新拌砂浆各性能(单方用水量、保水性、湿容重和凝结时间)影响不大；但使砂浆早期和后期抗压强度、拉伸粘结强度明显提高；收缩率降低，抗碳化能力提高，且不会给砂浆的体积稳定性带来危害。

（3）在大掺量粉煤灰-矿渣粉干粉砂浆中，脱硫石膏不仅对粉煤灰和矿渣粉的活性起到直接的激发作用，而且还通过促进水泥的水化来加速粉煤灰和矿渣粉的水化反应。

（4）大掺量粉煤灰-矿渣粉干粉砂浆是一种新型绿色建材，具有优异的性能，不仅可资源化有效利用工业废气物脱硫石膏，并可以更进一步带动粉煤灰、矿渣粉的利用，降低水泥的用量，节能降耗成效显著，应用前景广阔，符合国家循环经济战略。

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