水养护下砂浆的抗压强度与吸水率相关性研究

水养护下砂浆的抗压强度与吸水率相关性研究

黄 谦1 刘东升2 王朝强3,4 孙华银1* 赵 亮1

（1 长江师范学院 土木建筑工程学院，重庆 408100；2 长江师范学院 绿色智慧环境学院，重庆 408100；3 重庆市涪陵页岩气环保研发与

技术服务中心，重庆 408000；4 重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心，重庆 408000）

0.45和0.55)、不同粉煤灰掺量(0、10%、20%和30%)的水泥砂浆在水养护条件下的抗压强度和吸水率，分摘 要 研究了不同水胶比(0.35、

析了两者之间的相关性，并利用扫描电镜观察砂浆内部微观结构。结果表明：掺粉煤灰的水泥砂浆内部较为疏松，粉煤灰的掺入减低了水泥砂浆的抗压强度，尤其是早期强度，且强度下降程度随着粉煤灰掺量增多而加剧，同时砂浆吸水率也随之增大。砂浆的抗压强度(fc)与吸水率(β)之间存在线性相关，方程为fc=-3.838β+62.332。当测得砂浆吸水率后，可通过该线性方程初步预测其抗压强度，这对于检测和鉴定水工建筑物的稳定性和安全性具有重要意义。

砂浆；抗压强度；吸水率；相关性关键词 水养护；

TV43 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2019)02-0045-04中图分类号：

Study on the Correlation between Compressive Strength and Water Absorption of

Mortar under Water Curing

Huang Qian1 Liu Dongsheng2 Wang Chaoqiang3,4 Sun Huayin1* Zhao Liang1

(1 School of Civil and Architectural Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100; 2 Green Intelligence Environment School, Yangtze Normal University, Chongqing 408100; 3 Chongqing Fuling Environment Protection Center for Shale Gas Technology & Development, Chongqing 480000; 4 Chongqing Environmental Protection Engineering Technology Center for Shale Gas Development, Chongqing 480000)Abstract The compressive strength and water absorption of cement mortar with different water-binder ratio (0.35, 0.45 and 0.55) and different fly ash content (0, 10%, 20% and 30%) were investigated under water curing. The correlation between compressive strength and water absorption was analyzed, and the microstructure within mortar was observed though SEM. The results show that the inside of mortar with fly ash is loosen and then the compressive strength of mortar is reduced by the addition of fly ash, especially in early stage. The decrease of compressive strength increase with the content of fly ash, so is the water absorption of mortar. Linear correlation is between compressive strength (fc) and water absorption (β), which is calculated as fc=-3.838β+62.332. Therefore, when the water absorption of mortar is measured, its compressive strength can be predicted preliminarily, which is of great significance to the detection and identification for stability and safety of hydraulic structure.

Key words water curing; mortar; compressive strength; water absorption; correlation

粉煤灰是从煤粉炉排除的烟气中收集到的颗粒粉末，具有火山灰活性。目前，粉煤灰在混凝土生产中得到了推广使用，掺入粉煤灰能降低混凝土水化热，改善其和易性及提高耐久性等[1-2]。混凝土实际服役的环境十分复杂，有高温、低温、水浸泡、干燥等环境。目前，粉煤灰已广泛应用于水工混凝土[3-5]，本试验研究了水养护条件下不同水胶比、不同粉煤灰掺量水泥砂浆的抗压强度变化规律。材料力学强度、渗透性、导热性及耐久性等取决于其孔隙率及孔径分布等孔结构参数。水泥基材料的孔结构测试方法有压

汞法、氮吸附法、交流阻抗法及可蒸发水含量法等[6]。因此，本试验测试了水养护下粉煤灰水泥砂浆的吸水率，以反映材料的孔结构特征，并进一步分析吸水率与抗压强度的相关性。1 试验部分

粉煤灰为1.1 原料 水泥为四川中联P·O 42.5水泥，重庆涪陵电厂Ⅱ级粉煤灰，原料的化学成分见表1。细集料为石灰石机制砂，细度模数为2.60。减水剂为江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。

表1 原料化学成分(w/%)

原料

SiO217.4344.03

Al2O33.9328.76

Fe2O33.223.62

CaO65.233.58

TiO20.48—

SO33.240.74

收稿日期：2019-01-10基金项目：重庆市自然科学基金(cstc2016jcyjA0439); 重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201801438)。*

通信作者，E-mail：sunhuayin123@163.com。

水泥粉煤灰

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第42卷第2期 非金属矿 2019年3月

1.2 试验方法

1.2.1 试件制备：粉煤灰水泥砂浆水胶比分别为0.35、0.45和0.55，粉煤灰取代率分别为0、10%、20%和30%，胶砂比为1∶3，具体配合比见表2。

按表2配合比制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的水泥砂浆试件，成型后静置24 h，随后放入水中进行养护。

表2 粉煤灰水泥砂浆配合比/g

编号FA0-35FA10-35FA20-35FA30-35FA0-45FA10-45FA20-45FA30-45FA0-55FA10-55FA20-55FA30-55

水泥100908070100908070100908070

粉煤灰010203001020300102030

砂300300300300300300300300300300300300

水353535354545454555555555

减水剂0.80.80.80.80.20.20.20.20000

水胶比0.350.350.350.350.450.450.450.450.550.550.550.55

化，见图1。

由图1可看出，掺入粉煤灰降低了粉煤灰水泥砂尤其是3 d和7 d抗压强度，浆的抗压强度，且粉煤灰掺量越大抗压强度下降越为明显。因为粉煤灰的水化活性远低于水泥熟料，其替代部分水泥后，体系中水泥熟料矿物数量相应减少，控制水泥水化速度的有效水胶比相对增加，溶液中Ca2+浓度降低，水泥-粉煤灰体系的总水化速度减慢，同时生成的水化产物颗粒之间连接不够紧密，故早期强度相应降低[7]。养护28 d后，掺粉煤灰的水泥砂浆抗压强度逐渐接近未掺粉煤灰的砂浆抗压强度，这是由于在后期粉煤灰的火山灰反应开始发挥，生成了更多水化硅酸钙（C-S-H）水化产物之间的相互交叉与凝胶，体系结构更致密，连接程度更好，因此后期强度增长更快速。从图1 还可看出，随着水胶比增加，粉煤灰水泥砂浆强度显著减低。

ab1.2.2 抗压强度测试：养护3 d、7 d和28 d后，按照GB/T《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试试件的抗压强度(fc)。

1.2.3 吸水率测试：抗压强度试验后，将破碎后的砂浆碎块用清水洗去表面尘土，并擦去表面水分，称其重量(m1)；随后将碎块放置于105℃的真空干燥箱中烘至恒重，称其重量(m0)，通过下式测试水泥砂浆的吸水率(β)：

β= [(m1-m0)/m0]×100% (1)1.2.4 微观结构分析：根据试验内容选取砂浆碎块，将其放入无水酒精中浸泡48 h，再置于50 ℃的真空利用扫描电镜(SEM)观察砂浆的干燥箱中烘干48 h，微观结构。2 结果与讨论

不2.1 粉煤灰水泥砂浆的抗压强度 不同水胶比、同粉煤灰掺量条件下，水泥砂浆抗压强度随龄期的变

- 46 -a-0.35；b-0.45；c-0.55

c图1 不同水胶比粉煤灰水泥砂浆的抗压强度不同2.2 粉煤灰水泥砂浆的吸水率 不同水胶比、粉煤灰掺量条件下，水泥砂浆吸水率随龄期的变化，

黄 谦，刘东升，王朝强，等 水养护下砂浆的抗压强度与吸水率相关性研究

见图2。

从图2可看出，粉煤灰水泥砂浆的吸水率随养护时间的延长而下降，这是因为水化产物不断增多，使得砂浆结构更加致密。同时，吸水率受水胶比的影响较大，水胶比越大，砂浆内部水分蒸发后留下的孔隙也更大，砂浆吸水性能更好。

从图2还可看出，掺入粉煤灰增大了砂浆的吸水率，且吸水率随粉煤灰掺量增加而增大。粉煤灰活性较低，早期无法发挥火山灰效应，掺入粉煤灰使砂浆孔隙率增加。后期随着粉煤灰逐渐水化，生成的水化产物填充在砂浆孔隙中，其吸水率逐渐赶上未掺粉煤灰的砂浆。

a水胶比为0.35、0.45和0.55的粉煤灰水泥砂浆抗压强0.45和0.55度，β2和β3分别表示水胶比为0.35、β1、的粉煤灰水泥砂浆吸水率。

abcba-0.35；b-0.45；c-0.55

c图3 不同水胶比粉煤灰水泥砂浆抗压强度与吸水率

的关系

当水胶比为0.35时：

fc1=-5.323β1+71.879 (R2=0.983) (2)

当水胶比为0.45时：

fc2=-4.760β2+72.307 (R2=0.949) (3)

当水胶比为0.55时：

fc3=-4.167β3+68.529 (R2=0.983) (4)

a-0.35；b-0.45；c-0.55

由拟合结果可知，不同水胶比砂浆拟合曲线相关系数均较高。拟合方程的斜率表示吸水率对抗压强度影响程度，影响程度越大斜率越大，反之斜率越小。

研究表明，材料孔隙率与抗压强度之间存在内在联系，而吸水率不仅取决于孔隙率，还受孔径分布、孔隙连通性等因素影响[8]。不同水胶比粉煤灰水泥砂浆的孔径分布与孔隙连通性不同，故对砂浆吸水率的影响也不同，进而表现为砂浆吸水率对抗压强度的影- 47 -

图2 不同水胶比粉煤灰水泥砂浆的吸水率2.3 粉煤灰水泥砂浆抗压强度与吸水率的相关当粉煤灰水泥砂浆的抗压性 由上述试验结果可知，

强度增大时，其吸水率相应下降，初步判断两者之间存在相关性。因此，利用Origin软件对不同水胶比的砂浆抗压强度与吸水率进行了线性拟合，结果见图3；拟合方程见式(2)~式(4)，其中fc1、fc2和fc3分别表示

第42卷第2期 非金属矿 2019年3月

响程度不同。

上述拟合方程考虑了水胶比的不同，对于已知水胶比的砂浆，通过上述方程预测其吸水率与抗压强度的关系有意义。但在实际工程中，可能不清楚该水泥基材料的水胶比，因此进一步对本试验所有砂浆的抗压强度（fc）和吸水率（β）进行了线性拟合，结果见图4，得到方程(5)：

fc=-3.838β+62.332 (R2=0.904) (5)

方程(5)的相关系数R2值为0.904，表明该方程拟合度较高。

因此，当测得水浸泡粉煤灰水泥砂浆的吸水率后，便可通过方程(5)初步计算出砂浆抗压强度，这对于检测或鉴定水工建筑物的稳定性和安全性有着重要意义。

大。

从图5可看出，未掺粉煤灰的FA0-45水泥砂浆内C-S-H凝胶堆积紧密，整体微观结构致密；而掺30%粉煤灰的FA30-45砂浆内仍存在未水化的粉煤灰颗粒，因为其有效水胶比更大，水分蒸发后留下的孔隙较为明显，水化产物搭接不紧密，呈现出疏松多孔的微观结构，因此其吸水率相对较大，抗压强度则较低。3 结论

1. 粉煤灰的反应活性低于水泥熟料，掺入粉煤灰减低了水泥砂浆的抗压强度，尤其是其早期强度，且粉煤灰掺量越多，粉煤灰水泥抗压强度下降更为显著。

2. 掺粉煤灰的水泥砂浆内部水化产物搭接不紧密，呈现出疏松多孔的微观结构，因此砂浆吸水率增

3. 粉煤灰水泥砂浆的抗压强度与吸水率之间存在线性相关，其方程为 fc=-3.838β+62.332，其中fc和β分别表示砂浆的抗压强度和吸水率。当测得砂浆吸水率后，便可通过该方程初步推断其抗压强度，这对于检测和鉴定水工建筑物的稳定性和安全性具有重要意义。

图4 粉煤灰水泥砂浆抗压强度与吸水率的拟合曲线2.4 微观结构分析 水养护28 d后FA0-45和FA30-45水泥砂浆的SEM图片，见图5。

参考文献：

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a-FA0-45；b-FA30-45

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图5 水泥砂浆的SEM图片

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