粉煤灰与矿粉对保温砂浆性能影响的复合作用

　　摘要：本文通过对在聚苯乙烯颗粒保温砂浆中复掺矿粉与粉煤灰的试验研究，建立强度与容重之间的关系，寻找出保温与强度相对较好的砂浆配比。保温砂浆强度增加时，其密实性较好，容重也就增加，但砂浆保温性能往往会随之下降。因此，如何平衡砂浆强度与容重之间的关系，寻找出既能提高砂浆的强度又不影响其保温性能的最佳砂浆配比，并分析论证其粉煤灰与矿渣对砂浆影响的综合作用机理是这篇论文要解决的关键问题。结果表明：随着粉煤灰与矿粉掺量的增加，保温砂浆早期强度下降，后期强度增长较快，但在矿粉掺量为20%,粉煤灰掺量在30%时，保温砂浆出现强度相对较高，容重相对较低的情况，这即是我们要找的最优掺量。

　　关键词：保温砂浆，矿粉，粉煤灰，强度，容重

　　1引言

　　商品砂浆因其具有许多独特的优点，近年来在中国得到了迅速发展。保温砂浆是商品砂浆的一个重要类型。随着建筑节能要求的不断提高，保温砂浆近年来发展较快。

　　对保温砂浆来说，保温性能与容重有着密切的关系。一般来说，容重越低，保温性能越好。但是，容重降低也会导致强度的降低。如何平衡容重与强度的矛盾，是配制保温砂浆的关键问题。

　　粉煤灰是从燃烧的电厂烟囱收集下来的一种工业废弃物，矿粉是冶炼铁矿石时产生的一种工业废弃物，这些都是最常用的掺合料，今年来已被广泛应用于混凝土和普通砂浆的生产，起到了改善水泥基材料的综合性能、降低生产成本和减轻环境负荷的作用。它也将对强度和容重产生较大的影响。伊立 [1]认为粉煤灰复合保温砂浆既具高强度、耐久性好、容重轻、粘结强度高等优良性能， 同时又能达到隔热保温作用。本章将通过试验建立强度与容重的关系，寻找出最合适的粉煤灰和矿粉掺量。

　　2实验原材料

　　1.水泥：   实验所用水泥是32.5强度等级的普通硅酸盐水泥。

　　2.粉煤灰： 取自开封电厂的Ⅲ级粉煤灰。

　　3.矿粉：   取自北京首钢的Ⅰ级矿粉。

　　4.泡沫球： 原粒发泡颗粒，粒径小于5mm.

　　3试验方法

　　3.1配合比的确定采用水胶比1:2,胶材用量为500kg/m3泡沫球，粉煤灰、矿粉两种掺和料替代水泥的质量百分比分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%.

　　3.2 砂浆制备和测试先将准确称量的原材料混合均匀，然后参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》成型，24小时拆模，随即放入标准养护箱中养护，至3天、7天、28天、90天，测定保温砂浆各龄期的抗折强度及抗压强度，28天容重测定是将试件养护24天后从养护箱中取出浸水4天后将表面用湿布擦干，测得其湿容重，然后再烘干至衡重测得其干容重。

　　4结果与分析

　　4.1矿渣粉对保温砂浆强度与容重的影响

　　1.  基本规律：

　　（1） 砂浆抗折、抗压强度在前期（3d、7d）会随着矿粉掺量的增加而整体呈下降趋势，但在矿粉掺量为10%时有一极值点。

　　（2） 在后期（90d）砂浆强度迅速增长，且随着矿粉掺量的增加砂浆强度先增加后降低。90d强度在矿粉掺量30%左右时强度达到最大值。

　　（3） 矿粉掺量对砂浆干、湿容重的影响不大，在30%时容重较低。

　　2. 结果分析：

　　（1）砂浆强度取决于泡沫球接触点水泥浆的数量和性质。水泥浆越多，接触点越牢固；水泥浆强度越高，接触点越牢固。

　　（2）前期（3d、7d）随矿粉掺量增加，水泥浆数量增加，但水泥石强度降低，且后者的作用强于前者，所以砂浆强度随矿粉掺量的增加而降低。其中7d强度在矿粉小掺量时有所增加，主要是因为矿粉颗粒与水泥颗粒级配较好，因此密实性较好，这也与矿粉掺量为10%时容重上升相呼应。

　　（3）后期（90d）矿粉活性被激发出来，水泥水化释放出的氢氧化钙成为矿渣成分的碱性激发剂，并与矿渣中的活性组分相互作用，继续生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙或水化硫铁酸钙，促进矿渣与水泥的继续水化，且在掺量为30%时，释放的氢氧化钙量刚好能与矿渣中的活性组分相当，矿渣粉水化相对完全，使得强度最高。

　　（4）尽管水泥浆体积增加，但重量不增加。而且这些水泥浆都填充在泡沫球的空隙中，不产生总的体积增加。因此，矿粉对砂浆容重影响不大。

　　4.2.2粉煤灰对保温砂浆强度与容重的影响 1. 基本规律：由图4-4,4-5,4-6可见，与矿粉有相似的规律。

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　　4.2.3矿渣粉煤灰复合的优势互补效应 1. 固定水泥用量

　　单掺矿渣粉与单掺粉煤灰的保温砂浆相比，两者还存在一些差异，主要表现在：

　　矿渣粉的活性较高，因此掺矿渣粉的保温砂浆虽然早期强度较低，但是后期能够较快增长，后期强度甚至超过普通硅酸盐水泥保温砂浆。粉煤灰与矿渣相比，由于粉煤灰的玻璃体钙含量较低，玻璃体中硅含量较高，[SiO₄]^4-多以高聚体为主，因此粉煤灰中的玻璃体解体较困难，在水泥水化形成的恶性环境下解体速度很慢，随粉煤灰掺量的增加，保温砂浆早期强度降低幅度很大，但是后期强度（（28d以后）却能有所增长。

　　选取矿渣和粉煤灰以不同比例复合，希望能够通过两者性能上的差异，弥补各自的缺陷，获得较好的砂浆性能，即达到优势互补的效果。复合矿渣粉煤灰的保温砂浆的强度能否超过单掺的强度，是评判复掺时能否表现出优势互补效应的主要指标。

　　图4-7是保持水胶比为0.5,水泥掺量为300g,粉煤灰、矿粉总掺量40%时复掺的强度结果。由图4-7清晰可见，由28d和 90d水化龄期时砂浆D22、D13的强度超过单掺矿粉保温砂浆D40和单掺粉煤灰保温砂浆D04,可以认为在矿渣、粉煤灰总掺量为40%时，矿渣与粉煤灰复合确实能产生优势互补效应。

　　诸多研究者对于复合水泥出现优势互补效应这一事实已得到了承认，但是对于优势互补效应产生的机理和条件，却缺乏深入的研究探讨。

　　由于水泥中的细颗粒中不仅有熟料颗粒，还有矿渣和粉煤灰颗粒，它们的活性不同，水化速率也不同，在水泥水化过程中可以作为活性成分增加水化产物形成量，或作为活性微集料减少大孔数和降低孔隙率，以此对强度的提高作出贡献。

　　4.2.4正交试验本实验试件尺寸为40mm×40mm×160mm,水胶比为0.5.为考察复掺粉煤灰、矿渣粉对保温砂浆抗折强度、抗压强度及容重的影响，寻求最佳配合比，进行正交实验。依据正交实验数据处理理论，将粉煤灰、矿渣粉作为两个因素，设计了二因素三水平正交实验，其中因素均为替代水泥质量百分比。

　　1. 90天强度分析

　　90天正交试验结果：对于90天抗折强度，按极差大小顺序排出因素的主次顺序为：

　　主→次 B,A,A×B.从表中可见最好的搭配是B1A1,其次是B2A3,B2A2.

　　对于90天抗压强度，按极差大小顺序排出因素的主次顺序为：

　　主→次 B,A,A×B.从表中可见最好的搭配是B2A3,其次是B2A1,B3A2.

　　2. 容重分析

　　容重试验结果见下表4-8.

　　对于湿容重，按极差大小顺序排出因素的主次顺序为：

　　主→次 A×B,A,B.从表中可见最好的搭配是A2B3,其次是A3B1,A3B2.

　　对于干容重，按极差大小顺序排出因素的主次顺序为：

　　主→次 A×B,A,B.从表中可见最好的搭配是A2B2,其次是A3B1,A3B2.极差R的大小用来衡量试验中相应因素作用的大小。极差大的因素，说明它的三个水平对考核指标所造成的差别大，通常是重要因素，而极差小的因素，则往往是不重要的因素。本实验中，因素的主次顺序对抗折强度及抗压强度都为B﹥A.上述关系从趋势图4-10中也能反映出来。B因素波动的范围大，即为主要因素。 强度最高的组合为A2B2,容重最低的组合为A2B2.由直接看和计算得出的上述四种组合条件考虑因素的主次作用，用"综合平衡法"最优的组合条件为A2B2,即A=30%,B=20%.

　　5结论论文研究目的在于根据保温砂浆应用的需要，对矿渣粉、粉煤灰保温砂浆各龄期强度与容重的研究，为掺矿渣砂浆在工程中的应用确定所需的相关参数，通过实验及数据分析，其主要研究结论如下：

　　（1）矿渣粉的掺入使得保温砂浆强度在前期降低，直到后期才有所增长，赶上甚至超过不掺矿渣的水泥砂浆。

　　（2）矿粉掺量对砂浆干、湿容重的影响不大。

　　（3）粉煤灰掺入时与掺入矿粉规律相似，但其强度不及掺入矿粉的保温砂浆。

　　（4）粉煤灰对砂浆容重影响不大。

　　（5）矿渣粉、粉煤灰复掺对保温砂浆强度存在优势互补效应。

　　（6）通过正交试验，确定了新研制的复掺矿渣粉和粉煤灰的保温砂浆90天其优化的掺量分别为：矿粉20%、粉煤灰30%.使胶凝材料的各级配、活性的激发最优，从而能使保温砂浆的强度与容重达到最佳。

　　（7）复掺矿物掺合料的保温砂浆不仅具有较好的强度，而且市场经济性也很显著。

　　参考文献

　　[1] 伊立。高性能粉煤灰复合保温砂浆的研制[J].粉煤灰，2002（4）：12-15.

　　[2]杨绍林。建筑砂浆实用手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

　　[3]黄为民，强卫 .粉煤灰掺量对商品砂浆性能的影响[J].华东地区第十四次混凝土技术学术交流会论文集[C],2004,5.