不同溫度下粉煤灰砂漿強度及Ca（OH）2含量研究

宋晨， 李小龍， 袁兆靜， 王亮

（1.中國冶金地質總局青島地質勘查院，山東 青島 266109；2.青島青咨工程咨詢有限公司，山東 青島 266109；3.青島農業大學建筑工程學院，山東 青島 266109）

0 引言

作為我國工業固體廢棄物之首，預計2021年全國粉煤灰產量將達8.7億t。粉煤灰可作為混凝土摻合料，但其表面玻璃體結構中Al2O3和SiO2的活性很穩定，早期火山灰活性效應發揮很慢，因此粉煤灰混凝土的早期強度較低，在后期才能表現出來，這個缺點嚴重制約著大摻量粉煤灰混凝土的工程應用，推動大摻量粉煤灰混凝土高效利用對于減少環境污染，實現固廢資源化利用具有重要意義。

一般來說，在大摻量粉煤灰混凝土中，隨著粉煤灰取代率的增加，水泥用量的降低會導致產生的Ca（OH）2含量的減少。當取代率超過一定的上限值時，水泥產生的Ca（OH）2將幾乎被完全消耗，混凝土多余的粉煤灰將不再參與二次水化反應消耗Ca（OH）2，而僅僅像沒有活性的砂子一樣，作為細骨料填充在混凝土之中，從而導致強度急劇下降。Siddique R.等[1]研究了大摻量粉煤灰混凝土（HVFA）的性能特點，在常溫條件下粉煤灰取代率可以高達50%；Sivasundaram V.[2]建議混凝土中粉煤灰的含量不應超過40%；Latha N.等[3]研究了粉煤灰取代率增加了50%、60%和70%，其28d抗壓強度分別降低了15.82%、19.34%和48.99%。

目前，大量研究表明養護溫度對粉煤灰混凝土性能有很大影響[4]。Ogawa Y.等[5]認為由于稀釋效應和填料效應，當粉煤灰取代率達到55%和70%時，粉煤灰混凝土的水化速度明顯減慢。與礦渣粉相比，粉煤灰的水化過程對溫度更為敏感。Zhao Q.X.[6]發現混凝土的收縮應變和徐變度均隨粉煤灰摻量的增大而減小，隨著養護溫度的升高而增大。冷鑫[7]研究了養護條件對摻粉煤灰混凝土力學特性影響，在80℃高溫養護條件下，隨著養護時間增加，粉煤灰混凝土抗壓強度、抗折強度呈現指數函數變化特征。習曉紅[8]認為溫度較小范圍的變動會引起混凝土抗壓強度較大的偏差，特別是前28d的抗壓強度，養護過程中溫度的精準、平穩控制對混凝土抗壓強度性能十分重要。謝子令[9]研究發現在20～80℃之間，提高養護溫度可以提高粉煤灰基地質聚合物混凝土的抗壓強度，并呈現線性增長的關系。趙行立等[10]發現與相較于20℃養護條件，當粉煤灰摻量為20%時，50℃養護條件下的混凝土將產生更多的水化產物，Ca（OH）2含量略有下降。

文中以不同取代率的粉煤灰取代水泥制備大摻量粉煤灰砂漿，將砂漿試塊在不同養護溫度下（20、30和50℃）養護至規定齡期，通過測定不同粉煤灰砂漿的力學性能、Ca（OH）2殘余量和Ca（OH）2消耗量，探究了不同養護溫度對粉煤灰砂漿的強度及水化特性的影響規律，確定了不同養護溫度下粉煤灰砂漿中實際參與反應的粉煤灰有效取代率。

1 試驗概況

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5（產自山東山鋁水泥有限公司），密度為3.12g/cm3，細度為2.3%，其物理性能與化學成分XRF分析如表1和表2所示。采用II級粉煤灰（產自濰坊華電有限公司），密度為2.24g/cm3，需水量比為0.95%，燒失量為0.9%，比表面積為3830cm2/g，其化學成分的XRF分析見表2所示。細骨料選用ISO標準砂（產自廈門艾思歐標準砂有限公司），采用NC-J型聚羧酸系高效減水劑（產自山東省建筑科學研究院）控制砂漿擴展度在目標范圍內，減水劑摻量為膠凝材料用量的1.0%～1.2%，質量分數；減水率為28%，使用普通自來水作為砂漿拌和用水制備砂漿試樣。

表1 硅酸鹽水泥的物理與力學性能指標

表2 硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學組成 %

1.2 配合比設計

為了強調砂漿中膠凝材料漿體的變化，將砂漿中膠凝材料漿體與砂子的體積比設計為1：1。水膠比統一設置為0.5，砂漿中的粉煤灰對水泥的取代率分別為0、10、20、30、40、50、60和70%，制備不同取代率的粉煤灰砂漿試樣，養護溫度設定為20、30℃和50℃，不同養護溫度條件下粉煤灰砂漿的詳細配合比如表3所示。

表3 粉煤灰砂漿試驗配合比設計

1.3 試件制備與養護

在砂漿制備過程中攪拌用水的溫度分別控制在20、30℃和50℃，膠凝材料和砂子也被提前放置在恒溫恒濕養護箱中以達到所需拌和溫度。將原材料充分拌和，制備40mm×40mm×160mm棱柱體粉煤灰砂漿試件，24h后對砂漿試塊進行脫模處理。將砂漿試樣用濕布包裹覆蓋并放入裝有一半水量的密封袋內，保證砂漿試樣能夠完全浸入水中。然后將裝有砂漿試樣的密封水袋置于恒溫恒濕養護箱中，分別在20、30、50℃條件下開始進行密封水中養護。同時，要求每2d打開一次恒溫恒濕養護箱設備，檢查密封袋內水分含量，確保砂漿試樣在養護齡期內始終完全浸入水中。

1.4 試驗方法

參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，分別對3d、7d、28d和91d養護齡期的粉煤灰砂漿進行抗壓強度試驗，每個配合比制作3個相同砂漿試樣，取平均值作為最終強度值。

采用熱重分析法（TG/DTA）分析不同養護溫度條件下不同粉煤灰砂漿中的Ca（OH）2含量和消耗量。將已停止水化反應的硬化砂漿試樣破碎成尺寸為2.5～5.0mm的小塊顆粒，抽真空保存烘干后放入振動磨中粉磨，收集通過40μm篩的20mg微粉作為最終測試樣品。砂漿中水泥水化產物Ca（OH）2在450～500℃會發生脫水反應，通過該區間內水化產物質量損失率可計算得到不同砂漿試樣中水化產物Ca（OH）2的含量，見式（1），在計算得到的Ca（OH）2含量基礎上乘以50，即得到1g砂漿微粉的Ca（OH）2含量[11]。

2 結果分析

2.1 不同養護溫度條件下粉煤灰砂漿的強度

不同養護溫度下粉煤灰取代率與砂漿各齡期抗壓強度之間的關系如圖1所示?？梢钥闯?，在不同養護溫度條件下，隨著粉煤灰取代率的增加，砂漿的早后期強度均呈現下降趨勢。當粉煤灰取代率一定時，粉煤灰砂漿的強度隨著養護溫度的升高而增加。

圖1 不同養護溫度條件下的粉煤灰砂漿各齡期的抗壓強度

在20℃養護溫度條件下，砂漿的早期強度隨著粉煤灰取代率的增加而明顯降低，91d強度曲線下降速度明顯減慢，強度曲線在取代率為40%處出現明顯的轉折點。相比之下，粉煤灰取代率一定時，30℃養護溫度條件下砂漿各齡期的強度均有明顯提高，砂漿的7d強度仍隨著粉煤灰取代率的增加而明顯降低，但是粉煤灰砂漿的91d強度曲線轉折點發生在取代率30%處。當砂漿的養護溫度升高至50℃時，在91d時，強度曲線的轉折點出現在20%取代率處，比30℃時的同取代率下砂漿強度提高了14.2%，比20℃時的砂漿強度提高了39.3%。

2.2 不同養護溫度條件下粉煤灰砂漿中的Ca（OH）2含量

由圖2可知，隨著粉煤灰取代率的增加，不同養護溫度條件下的粉煤灰砂漿中Ca（OH）2含量均呈現下降趨勢；隨著養護溫度的提高，相同取代率下粉煤灰砂漿中的Ca（OH）2含量不斷降低。在7d齡期時，粉煤灰的火山灰效應尚未被激發，Ca（OH）2含量主要來源于水泥水化反應，粉煤灰對Ca（OH）2消耗較小，因此不同養護溫度條件下粉煤灰砂漿中的Ca（OH）2含量均隨著粉煤灰取代率的增加而減少。

圖2 不同溫度下粉煤灰取代率與砂漿中Ca（OH）2含量關系

當齡期達到91d時，不同養護溫度條件下的砂漿Ca（OH）2含量曲線均出現明顯的轉折點。以20℃養護溫度條件為例，在91d時曲線轉折點為取代率40%處。當粉煤灰取代率低于40%時，水泥水化產生Ca（OH）2含量充足，砂漿中水泥含量越高，水泥水化產生的未被消耗的殘余Ca（OH）2量越多，因此Ca（OH）2量隨著取代率的增加而明顯減少。當取代率達到40%時，砂漿中的粉煤灰恰好能夠將剩余60%的水泥所產生的Ca（OH）2量消耗至最低值。當取代率超過40%時，粉煤灰摻量過高，水泥水化所產生的Ca（OH）2量明顯不足，過量的粉煤灰無法繼續消耗Ca（OH）2，只能單純地像細骨料一樣起到填充作用，故Ca（OH）2含量不再受取代率的影響。這一結果與20℃養護溫度下的抗壓強度曲線基本一致。

因此，可以認為在20℃養護溫度條件下，40%是砂漿中有效粉煤灰取代率的上限值，超過該上限值時砂漿中的Ca（OH）2含量將達到最低值；在30℃和50℃養護溫度條件下，砂漿中粉煤灰的有效取代率上限值則應分別考慮為30%和20%。

2.3 不同養護溫度條件下粉煤灰砂漿中的Ca（OH）2消耗率

不同養護溫度條件下91d齡期時Ca（OH）2消耗量與粉煤灰取代率之間的關系如圖3所示?？梢钥闯?，砂漿中的Ca（OH）2消耗量隨著粉煤灰取代率的增大而減小，這是因為粉煤灰的取代率越小，水泥含量越高，砂漿中Ca（OH）2的供給量越充足，單位質量的粉煤灰在砂漿中的Ca（OH）2消耗量越高。50℃養護溫度條件下砂漿中Ca（OH）2的消耗量最大，20℃養護溫度條件下Ca（OH）2的消耗量最小。當粉煤灰取代率較高時，不同養護溫度下砂漿中Ca（OH）2的消耗量差異很小，此時養護溫度對砂漿中的Ca（OH）2消耗量的影響不大。

圖3 不同養護溫度條件下的粉煤灰取代率與91d時砂漿中Ca（OH）2消耗量的關系

3 結語

（1）粉煤灰砂漿的強度隨著養護溫度的升高而升高。在50℃養護溫度條件下，取代率為20%時，粉煤灰砂漿的91d強度達到最大值，較30℃時同取代率砂漿提高了14.2%，較20℃時的砂漿提高了39.3%。

（2）在20℃養護溫度條件下，粉煤灰砂漿在91d時的灰水比曲線略高于普通水泥砂漿，而在30℃和50℃養護溫度下的灰水比曲線明顯高于普通水泥砂漿。這說明粉煤灰對砂漿的養護溫度依賴性很高，養護溫度越高，粉煤灰對砂漿強度提高的貢獻越大。

（3）當粉煤灰取代率較低時，隨著養護溫度提高，砂漿中的Ca（OH）2消耗量不斷增加。當粉煤灰取代率超過40%時，養護溫度對Ca（OH）2消耗量影響很小，關系趨于直線。

（4）根據砂漿的強度與Ca（OH）2含量結果可知，在20、30℃和50℃養護溫度條件下，砂漿中參與反應的有效粉煤灰取代率上限值應分別考慮為40%、30%和20%。