余 辉，郭进京，张家洋

(1. 天津城市建设学院 土木工程系，天津 300384；2. 新乡学院 生命科学与技术系，河南 新乡 453003)

在现今混凝土或砂浆中，矿物掺和料是一个不可缺少的组成部分，而用矿渣和粉煤灰已相当普遍.在我国，粉煤灰及矿渣在建筑上的应用，主要集中用于掺和在生产墙体材料和混凝土中，在量大面广的建筑砂浆(含砌筑、抹灰及地面砂浆)中的研究与应用还不多见[1-3].干缩变形是引起砂浆和混凝土裂缝的重要原因之一.特别是对于砂浆，由于它附着在某一基材的表面，与基层材料共同工作，因此与基层之间不可避免地存在着相互作用.同时，砂浆在使用时通常厚度较薄，且直接与自然环境接触，很容易失水而产生干缩变形.正是由于砂浆层与基层之间这种干缩变形的不一致性，所以常常导致砂浆开裂，从而影响建筑工程的质量[4].

因此，对既能满足建筑工程需要、符合现行规范标准要求[5-6]，又可替代水泥及其它砂浆掺和料，直接与砂子拌和成建筑所需的砂浆专用胶凝材料的技术及产品的研发，具有一定的现实意义.本文通过单掺及复掺矿渣和粉煤灰对硬化水泥石干缩变形影响的研究，以求人们对矿渣和粉煤灰的作用有一个更全面的认识.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与配合比

所需材料包括：42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、矿渣粉、普通河砂和纤维素醚(保水剂).

粉煤灰的掺量为 0%，10%，20%，30%，40%，50%；矿渣掺量为 0%，10%，20%，30%，40%，50%；灰砂比 1∶2.5，水灰比 0.5，保水剂掺量为 0.5%.鉴于在商品砂浆中通常会掺入一定数量的保水剂，因此在研究中也适当加入了保水剂.

1.2 试件制备

采用 25 mm×25 mm×280 mm 试件.试件成型后2 d脱模，放入水中养护 2 d取出，用湿布擦干表面水分，量取初始长度；然后放在 20 ℃的自然环境中干燥，测量 1，3，7，10，14，21，28 d 的长度变化，以观察硬化水泥石的干缩变形.

2 试验结果与分析

水泥石中的水主要分为结构水、结晶水、凝胶水、自由水和吸附水.在正常室温和干燥环境下，自由水和吸附水最容易失去，其次是部分凝胶水，而结构水、结晶水和部分凝胶水是不能失去的.一般认为自由水的失去不能影响试块的干缩变形，部分凝胶水的失去是引起试块干缩变形的主要原因.

2.1 单掺粉煤灰对硬化水泥石干缩变形的影响

图 1给出了粉煤灰(FA)含量 0%，10%，30%时试块在 1，3，7，11，14，21，28 d 的干缩变形试验结果.

图1 不同FA掺量硬化水泥石长度干缩率与时间的关系曲线

由图 1可以看出：随着龄期的增长，干缩变形增加；随着粉煤灰含量的增加，干缩变形减小.一方面，粉煤灰在硅酸盐水泥水化中可以起到形态效应[7]，粉煤灰颗粒中有 80%以上是玻璃微珠和多孔玻璃体，在拌和时起到独特的“润滑”和“解絮”作用，因而粉煤灰在砂浆中有减水作用；另一方面，粉煤灰的掺入提高了水泥的有效水灰比，使水泥水化环境得到改善，水化程度提高；同时，也促使水泥水化产物Ca(OH)2的消耗，有利于水泥水化反应的进行.从该角度讲，水泥水化产生的C-S-H凝胶将增多，但这不能解释随着粉煤灰掺量的增加干缩变形减小的现象.从另一角度来分析，浆体中粉煤灰的比例越大，则水泥比例就越小，从而 Ca(OH)2的消耗量增大而生成量减小，孔液中 Ca(OH)2量越来越少，出现了粉煤灰的反应程度下降，那么未反应的粉煤灰量增多.由于粉煤灰的颗粒多呈球形微粒，内比表面积较小，吸附水的能力较小，因而粉煤灰水泥的干燥收缩小.这也就解释了随着粉煤灰掺量的增加，干缩变形减小的原因.

2.2 单掺矿渣对硬化水泥石干缩变形的影响

图 2给出了矿渣(SL)含量 10%，20%，40%，50%时试块在 1，3，7，11，14，21，28 d的干缩变形试验结果.

由图2可以看出：随着龄期的增长和矿渣含量的增加，试块干缩变形都增加.矿渣微粉的胶凝性虽然与硅酸盐水泥相比是较弱的，但它能为水泥水化体系起到微晶核效应的作用，能加速水泥水化反应的进程，并为水化产物提供充裕的空间，改善了水泥水化产物分布的均匀性[8]；再者，矿渣在碱激发、硫酸盐激发或复合激发下发生反应，形成低钙型 C-S-H凝胶和相应的反应产物，不仅增加了C-S-H的量，而且消耗了对强度不利的 Ca(OH)2晶体，Ca(OH)2的减少又进一步促使C3S和C2S的水化，形成有利于水泥和矿渣水化的良性循环[9]，因而水泥水化产物中C-S-H凝胶增多，而凝胶水主要存在于C-S-H凝胶之中，凝胶水的失去将会引起较大的干缩变形.故随着矿渣含量的增加，硬化水泥石干缩变形增大.

2.3 复掺粉煤灰与矿渣对硬化水泥石干缩变形的影响

图 3给出了矿渣(SL)含量 0%，10%，20%和粉煤灰(FA)含量 0%，10%，20%，30%，40%，50%时试块28 d的干缩变形试验结果.

图3 不同FA掺量下硬化水泥石SL掺量与长度干缩率的关系曲线

由图 3可以看出：在干燥环境下，在矿渣和粉煤灰对硬化水泥石干缩变形的影响中，随着粉煤灰含量的增加，试件的干缩变形减小；但与图1相比，其干缩变形的减小不如单掺粉煤灰显著.

图 4给出了粉煤灰(FA)含量 0%，10%，20%和矿渣(SL)含量 0%，10%，20%，30%，40%，50%时试块28.d的干缩变形试验结果.

图4 不同SL掺量下硬化水泥石FA掺量与长度干缩率的关系曲线

由图 4可以看出：在干燥环境下，在矿渣和粉煤灰对硬化水泥石失水过程的共同影响下，随着矿渣含量的增加，试件的干缩变形增大；与图2相比，其干缩变形的增大不如单掺矿渣显著.

硬化水泥石的干缩变形与失水过程是密切相关的.但是，硬化水泥石中的水是复杂的，它具有不同的形式，而且它们的失去对硬化水泥石的干缩变形的影响是不同的.粉煤灰和矿渣的掺入，影响了不同形式水的分布，从而影响了硬化水泥石的干缩变形行为[10].在对干缩变形的影响中，两者起到相反的作用，使彼此效应得以抵消.粉煤灰和矿渣对硬化水泥石干缩变形的影响不一样，随着粉煤灰掺量的增加，硬化水泥石的干缩率减小；而随着矿渣掺量的增加，硬化水泥石干缩率增大.当粉煤灰和矿渣同时掺入时，它们会彼此抵消各自对硬化水泥石干缩变形的影响.

3 结 论

(1)在干燥环境下，随着粉煤灰掺量的增加，硬化水泥石的干缩变形减小；随着矿渣掺量的增加，硬化水泥石的干缩变形增大.(2)粉煤灰和矿渣对硬化水泥石干缩变形的影响规律相反，两者相互作用，可以抵消彼此对硬化水泥石干缩率增大或减小的作用.

［1］师祥洪，唐兆峰. 粉煤灰在建筑砂浆中的应用研究[J].节能，2003(10)：46-48.

［2］施惠生，郁伟华. 商品干粉砂浆的开发、生产与应用[J]. 世纪水泥导报，2001(4)：8-11.

［3］郁伟华，施惠生. 建筑干粉砂浆的开发研究与应用[J].房材与应用，2000(6)：40-46.

［4］张承志，王爱琴，卲 惠，等. 建筑混凝土[M]. 2版. 北京：化学工业出版社，2007：485-486.

［5］JC860—2000，混凝土小型空心砌块砌筑砂浆[S].

［6］JC890—2001，蒸压加气混凝土用砌筑砂浆与抹面砂浆[S].

［7］陈美祝，吕 梁. 粉煤灰混凝土技术的发展[J]. 电力环境保护，2000(3)：49-51.

［8］蒋家奋. 矿渣微粉在水泥混凝土中的应用的概述[J].混凝土与水泥制品，2002(3)：5-6.

［9］杨立军. 矿渣超细粉在水泥中的应用研究[D]. 长沙：中南大学，2005.

［10］宋建明. 粉煤灰砂浆胶结料研究[J]. 福建建材，2005(2)：26-27.