粉煤灰在砂浆中的应用
2004-12-31 00:00
1 粉煤灰在建筑砂浆中的应用
建筑砂浆是一种量大面广的建筑材料。砂浆中石灰膏含水50%呈膏状，难以实现重量计量，而且石灰膏质量不稳定，纯水泥砂浆缺乏保水增稠材料，显得操作性差、易结硬，现场为改善和易性往往多放水泥，使砂浆质量波动大。砌筑砂浆强度波动大，抹灰层开裂、渗漏现象屡见不鲜，影响了整个工程质量。目前，上海市工程建设都使用商品混凝土，施工现场文明施工、标化管理要求严格，现场使用干排粉煤灰须配置筒仓，使用湿灰则含水率受天气影响大，影响现场施工环境，上海地区粉煤灰在砂浆中应用逐步减少。随着住宅产业化的发展，建筑砂浆采取工业化生产，确保砂浆质量，从材性上稳定砂浆质量，消除抹灰层渗漏裂也就迫在眉睫，势在必行。
2 商品砂浆研究与应用
2.1商品砂浆配合比试验方法和试验用原材料
商品砂浆分为干粉砂浆和预拌砂浆两大类。干粉砂浆的主要原材料为水泥、稠化粉、粉煤灰和经烘干处理的砂。预拌砂浆的主要原材料为水泥、稠化粉、粉煤灰、经筛分处理的砂、缓凝剂和水。
由于商品砂浆原材料中水泥、稠化粉、粉煤灰和砂均为固体，缓凝剂和水为液体，取消了含水率经常波动难以实现质量计量的传统保水材料——石灰膏。因此，商品砂浆配合比设计可如同混凝土配合比设计实现科学合理的绝对体积法计量，并以质量来表示。
2.1.1试验用原材料
2.1.1.1水泥：425矿渣水泥（上海水泥厂生产）
表1 水泥物理性质
|
项目 |
测试值 |
抗折强度(MPa) |
抗压强度(MPa) | ||
|
细度 |
3.1% |
3d |
28d |
3d |
28d |
|
初凝时间 |
2h20min |
5.1 |
8.3 |
25.7 |
52.6 |
|
终凝时间 |
3h15min | ||||
|
安定性 |
合格 | ||||
2.1.1.2 粉煤灰：质量品质符合Ⅱ级灰要求。
2.1.1.3 砂：河砂，细度模数2.5。
2.1.1.4 稠化粉：由建科院研制的一种非石灰非引气型粉状保水增稠材料。
2.1.1.5 缓凝剂：建科院研制的砂浆专用缓凝剂
2.1.1.6 水：一般饮用水
2.2 干粉砂浆试验
普通干粉砂浆是经烘干筛分处理的砂与水泥、稠化粉和粉煤灰按一定比例混合而成的一种颗粒状混合物。它具有计量准确、质量稳定、使用方便和不污染环境的特点。
2.2.1各组分对砂浆性能影响
2.2.1.1 水泥、粉煤灰用量对砂浆性能影响（见图1、图2）
|
图1 水泥用量对干粉砂浆强度影响 |
图2 粉煤灰掺量对干粉砂浆强度影响
试验表明，水泥、粉煤灰主要影响砂浆强度。水泥用量增加砂浆强度基本呈线性增加，但也存在一个最高点(450kg/m3)，超过该点后，继续增加水泥用量，砂浆强度不会继续提高。掺加粉煤灰后，其规律性相同。
由于粉煤灰火山灰效应，粉煤灰砂浆在等水泥用量条件下，其强度有一定的提高（见图1）。同样由于粉煤灰的胶凝性显著低于水泥，表现为粉煤灰等体积取代水泥，砂浆强度随其取代比例增大而下降（见图2）。通过调整粉煤灰与水泥比例，可配制不同强度等级的砂浆。
2.2.1.2 砂灰比对砂浆强度影响（见图3）
|
图3 砂灰比对强度影响 |
试验表明，砂灰比提高，砂用量增加，相应胶凝材料减少，强度随之下降，也存在一个最佳砂灰比，其值为3.0。通过调整水泥用量，可配制强度等级M5.0到M30的各种类型砂浆。
2.2.2 稠化粉、粉煤灰和水泥共同工作性
表2
干粉砂浆与传统砂浆性质对比试验
|
砂浆种类 |
水泥(kg/m3) |
稠度(mm) |
分层度(mm) |
泌水(ml) |
强度
(MPa) | |
|
传统
抹灰
砂浆 |
1:1:6混合砂浆 |
200 |
102 |
20 |
25 |
7.2 |
|
1:1:4混合砂浆 |
320 |
96 |
15 |
4 |
17.1 | |
|
1:3水泥砂浆 |
404 |
97 |
39 |
90 |
29.2 | |
|
1:2水泥砂浆 |
561 |
88 |
14 |
40 |
49.7 | |
|
干粉
抹灰
砂浆 |
DP5干粉砂浆 |
194 |
97 |
15 |
13 |
10.8 |
|
DP10干粉砂浆 |
263 |
102 |
13 |
12 |
21.6 | |
|
DP15干粉砂浆 |
300 |
100 |
12 |
11 |
29.6 | |
|
|
试验表明，稠化粉对砂浆保水性起着至关重要的作用。纯水泥砂浆由于缺乏保水增稠材料，砂浆保水性差，表现为砂浆泌水量和分层度都很大；混合砂浆由于掺入石灰膏砂浆保水性得到明显改善。在等水泥用量条件下，掺入稠化粉后砂浆保水性显著提高，分层度和泌水都很小；粉煤灰商品砂浆28d强度大大高于传统砂浆，稠化粉与水泥、粉煤灰共同工作性良好。
2.2.3存放时间及方式对强度影响
袋装干粉砂浆保存期试验结果见表3。
表3 干粉砂浆存放时间
|
28d抗压强度(MPa/%)
555555555555
5
5
5） | |
|
混合后立即成型 |
混合后6个月成型 |
|
33.4/100 |
31.3/94 |
|
21.7/100 |
21.4/99 |
试验表明，干粉砂浆经6个月储存，强度基本保持不变。
2.3 预拌砂浆
预拌砂浆的特点是：生产批量大，砂浆凝结时间可以根据用户需要进行调节。与干粉砂浆区别在于掺加了一种特殊砂浆缓凝剂以保证砂浆在密闭容器中能储存相当长时间（8~36h），而在储存时间内取出使用又能保证砂浆与基体材料粘结牢固并能在大气中迅速硬化。预拌砂浆与干粉砂浆组分的最大区别在于掺加了特制的缓凝剂。
2.3.1 缓凝剂种类及掺量
已研制成一种满足砂浆缓凝要求的砂浆缓凝剂。试验结果见图4、图5。
|
图4 缓凝剂掺量对缓凝时间影响 |
图5 缓凝剂掺量对强度影响
试验表明，缓凝剂掺量增加，凝结时间可延长至48h（图4），对强度基本无影响（图5）。缓凝剂掺量可根据施工需要调整以获得砂浆的不同凝结时间。砂浆凝结时间控制在8~24h，可满足当日和隔夜施工之需。
2.3.2 水泥用量对砂浆性能影响
用不同水泥用量可配制不同强度等级的预拌砂浆，最高可配制M30砂浆。
|
图6 水泥用量与预拌砂浆强度关系 |
2.3.3 存放时间及重塑
在存放时间内，砂浆强度较出机强度有一定的损失（见表4），为出机强度80%。由于存放期内砂浆稠度有损失，特别在砂浆稠度较低情况下，为保持砂浆可操作性，在砌筑或抹灰前必须再添加一部分水拌合到砂浆中，使砂浆重新获得原来的稠度，上述过程称为砂浆的重塑。为考察重塑对砂浆强度的影响，特进行了重塑试验（见表5），试验结果表明，重塑后强度为出机强度的81%。
表4
存放期内强度变化
|
出机后存放时间(小时) |
0 |
4 |
8 |
12 |
18 |
24 |
|
28d强度(MPa) |
24.3 |
18.5 |
20.7 |
17.0 |
19.5 |
21.0 |
砂浆的重塑
|
时间 |
稠度(mm) |
R28(MPa) |
|
出机时 |
107 |
19.6/100 |
|
储存40h后重塑前 |
37 |
/ |
|
储存40h后重塑后 |
95 |
15.8/81 |
2.4 砂浆粘结强度试验研究
砂浆作为1~2cm薄层材料，与基层材料粘结牢固尤为重要。工程中抹灰砂浆质量指标是抹灰层无起壳开裂、空鼓和爆裂。抹灰砂浆粘结强度试验结果见表6。
表6
预拌抹灰砂浆与传统砂浆粘结强度的对比
|
砂浆种类 |
水泥
(kg/m3) |
稠化粉
(kg/m3) |
稠度(mm) |
分层度(mm) |
泌水(ml) |
28d强度(MPa) | ||
|
抗压 |
粘结 | |||||||
|
传统抹灰砂浆 |
1:2水泥砂浆 |
561 |
0 |
88 |
14 |
40 |
34.9 |
0.169 |
|
1:3水泥砂浆 |
404 |
0 |
97 |
39 |
90 |
29.0 |
0.188 | |
|
1:1:4混合砂浆 |
320 |
0 |
96 |
15 |
4 |
17.1 |
0.158 | |
|
1:1:6混合砂浆 |
200 |
0 |
102 |
20 |
25 |
7.2 |
0.107 | |
|
预拌抹灰砂浆 |
RP20 |
400 |
40 |
99 |
16 |
13 |
31.4 |
0.233 |
|
RP15 |
300 |
40 |
97 |
12 |
6 |
25.5 |
0.247 | |
|
RP10 |
250 |
55 |
96 |
8 |
2 |
19.9 |
0.353 | |
试验表明，水泥用量大，粘结强度高，但其也不一定成正比；而稠化粉改善了预拌砂浆保水性，在一定水泥用量情况下，粘结强度较传统砂浆高30%以上。
3．商品砂浆性能
商品砂浆原材料目前为水泥、粉煤灰、砂、缓凝剂（预拌砂浆用）和水，砂浆耐久性与原材料及其相互比例有关。商品砂浆的主要物理力学性能及耐久性试验结果见表7。
表7
粉煤灰预拌砂浆与传统砂浆性能比较
|
项目 |
预拌抹灰砂浆 |
传统抹灰砂浆 | |
|
配合比（kg/m3） |
水泥：稠化粉：粉煤灰：砂：外加剂：水 300： 40： 116：1400： 5.60：279 |
水泥：石灰膏：砂：水
320： 320 ：1280：180 | |
|
稠度（mm） |
105 |
101 | |
|
分层度（mm） |
18 |
14 | |
|
密度（kg/m3） |
2140 |
2100 | |
|
28d强度（MPa） |
28.7 |
17.1 | |
|
90d强度（MPa） |
39.9 |
20.2 | |
|
饱水强度（MPa） |
29.9 |
16.5 | |
|
粘结强度（MPa） |
0.272 |
0.133 | |
|
抗渗性（MPa） |
0.60 |
0.40 | |
|
收缩（‰） |
0.75 |
0.83 | |
|
抗冻性 |
强度损失（%） |
3.3 |
12.8 |
|
质量损失（%） |
0 |
0.3 | |
表7表明，预拌砂浆各项耐久性均优于传统砂浆，长期强度发展稳定，粘结强度高，耐水抗渗性优良。
4．砌体性能试验
砌体力学性能指标主要有：轴心抗压强度、通缝抗剪强度，其中砂浆对砌体通缝抗剪强度影响最大。试验表明，用稠化粉砂浆砌筑的砌体，其砌体力学性能均大大超过了规范（GBJ3-88）要求。
表8
MU15混凝土多孔砖、M10砂浆砌筑的砌体力学性能试验结果
|
项目 |
试验值 |
GBJ3—88
技术要求 | |||||
|
平均值
MPa |
标准离差
MPa |
变异系数
% |
标准值
MPa |
设计值
MPa |
标准值
MPa |
设计值
MPa | |
|
轴心抗压
|
8.77 |
0.745 |
8.5 |
7.55 |
5.03 |
3.66 |
2.44 |
|
通缝抗剪
|
0.523 |
0.0788 |
15.0 |
0.393 |
0.262 |
0.27 |
0.18 |
|
弯曲抗拉沿通缝 |
0.539 |
0.0886 |
16.4 |
0.393 |
0.262 |
0.27 |
0.18 |
|
弯曲抗拉沿齿缝 |
0.707 |
0.0307 |
4.4 |
0.657 |
0.438 |
0.53 |
0.36 |
5. 商品砂浆试生产及工程应用
预拌砂浆试生产主要通过对砼搅拌站技术改造，使之能够生产预拌砂浆。目前在建工、住总的真如和长风拌站进行技术改造和试生产，分别用于市委党校扩建项目（4.5万平方米）和五洲大厦（8千平方米）的部分抹灰和砌筑工程。上海水泥厂通过挖潜和利用部分老设备建立了一条干粉砂浆中试生产线，共生产了1000多吨干粉砂浆。产品应用于家庭装潢、市委党校、五洲大厦、梅川二街坊商场和冠生圆科技大厦，效果良好。
表9 商品砂浆28d强度汇总
|
类别 |
最大值 |
最小值 |
平均值 | |
|
预拌砂浆 |
M5.0砌筑 |
16.5MPa |
8.3MPa |
12.5MPa |
|
M15抹灰 |
30.7MPa |
26.6MPa |
28.9MPa | |
|
干粉M5抹灰 |
16.4MPa |
15.3MPa |
14.2MPa | |
6. 商品砂浆技术经济分析
6.1 经济效益
砂浆商品化后，预拌砂浆由于添加了缓凝剂，材料成本较现场拌制的砂浆提高3.1~8.8%；加上工缴费和利税，预拌砂浆到工地价在265~315元/m3。干粉砂浆从材料成本看，比现场砂浆便宜，由于包装袋的费用，材料成本较现场拌制的砂浆提高18.6~29.8%。由于加上砂的烘干，投资、加工和利税，干粉砂浆预测售价在210~230元/吨；为水泥价格的70~80%，大大低于国外水泥价格的140~160%水平。
按每年施工住宅1000万平方米计算，拌站的预拌砂浆生产产值可达到4.45亿元，利税3000万元，施工单位增收费用1786万元和税金549万元，可以形成一个新的产业。
6.2 社会效益
砂浆商品化生产可使砂浆质量稳定提高，砂浆质量得到有序控制，杜绝了砂浆的石灰爆裂现象，从材性上消除了砂浆层的渗漏裂的质量通病，提高了住宅工程质量。同时减轻了劳动强度、极大地方便了施工，有利于文明施工。
在环保方面，由于稠化粉不含石灰，可节约石灰烧制能源，减少CO2排放量，并且可有效利用粉煤灰，节约水泥，而且砂浆商品化生产采取集中环保措施，降低了建筑工地的噪声和扬尘，杜绝了石灰膏、砂、水泥在运输过程中对环境的污染，减少了现场材料浪费，环境效益显著。
另外砂浆商品化生产在投入不多情况下，可形成的一个新产业，也提供了一些就业机会，并使原混凝土搅拌站生产富裕能力和水泥厂改造提供了新的发展途径。
7. 结论
7.1按不同用途，用水泥、稠化粉、粉煤灰、砂、水，可配制出不同强度等级的商品砂浆，最高强度等级可达到M30，能用于一般工业与民用建筑物及构筑物的砌筑、抹灰和地面工程。
7.2由于商品砂浆不含石灰和引气成分，商品砂浆在水中和大气中强度均能稳定增长，从材性上解决了水泥砂浆操作性差和水泥石灰混合砂浆强度低，收缩大和不耐水的问题。该商品砂浆具有保水、强度高、抗渗、耐水、收缩低和粘结好的特点。用于墙体的砌筑与抹灰，有利于墙体防渗抗裂，杜绝了爆裂。
7.3通过对拌站的适当技术改造可生产预拌砂浆。预拌砂浆可通过掺加缓凝剂调整砂浆凝结时间，砂浆凝结时间最长可达到48h。
7.4使用商品砂浆可提高工程质量，减轻劳动强度，减少环境污染。提高现场文明施工程度，减少环境污染，有利于推广新材料、新技术。因此，其社会效益十分显著。
7.5以上海每年建造1000万平方米住宅计算，花极少投资，盘活存量，预拌砂浆的生产可在本市形成一个新的产业，产值可达4.68亿元，利税4000万元。如部分实行干粉砂浆，产值和利税将更高。
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