分类号
密 级
学校代码 学号
湖北文理学院理工学院
毕业论文
建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的实验研究
Experimental study on lime fly ash to replace the building mortar
姓
指
专
院
名 导教 师 鄢朝勇教授 业 系 土木工程 建筑工程系 2014-5-28 论文提交日期
摘要
本课题主要探讨建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的可行性，通过计算强度等级为M5、
M10建筑砂浆配合比进行配制，经过实验性能测定初步得出结果：粉煤灰砂浆具有良好
的施工和易性与力学强度，其性能优于石灰混合砂浆。砂浆中掺入粉煤灰不仅可以改善
砂浆的性能，而且可以节约资源，保护环境。因此也是一种绿色建筑砂浆，发展前景广
阔。
关键词：建筑砂浆；水泥、石灰和粉煤灰；和易性；力学强度
I
Abstract
This paper discusses the feasibility of fly ash mortar in building instead of lime paste, by
calculating the strength grade of M5, M10 mortar mixture ratio are prepared, after the
preliminary results were: experimental performance of fly ash mortar has good workability
and mechanical strength, its performance is better than lime mixed mortar. The performance
of fly ash mortar can not only improve the mortar, which can save resources, Protect environment. It is a green building mortar, the broad prospects of development.
Keywords: Building mortar ；Cement ，lime and fly ash ；workability ；Mechanical
strength
II
目 录
摘要----------------------------------------------------------------I
Abstract ------------------------------------------------------------II
1. 前言--------------------------------------------------------------1
2. 研究意义----------------------------------------------------------2
3. 我国以建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状------------------------3
4. 理论依据----------------------------------------------------------4
5. 研究方案----------------------------------------------------------5
6. 实验结果及分析----------------------------------------------------6
6.1实验原材料-----------------------------------------------------6
6.2砂浆配合比-----------------------------------------------------6
6.3粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆和易性的影响-------------------------7
6.4粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆强度的影响---------------------------11
7. 结论--------------------------------------------------------------14
8. 关于继续研究的若干建议--------------------------------------------15
致谢----------------------------------------------------------------16
参考文献------------------------------------------------------------17
湖北文理学院理工学院学位论文 1 前言
1. 前言
建筑砂浆广泛用于砌筑、抹面、修补及粘贴饰面材料等工程中，是建筑工程用量较
大的建筑材料之一，起到胶结、填充、传递负荷、保护结构和表面美化的作用。砂浆工
程的质量可以影响建筑工程的质量，而且制约着建筑工程的施工成本。目前的建筑砂浆
的胶凝材料主要是水泥，其次是石灰。建筑砂浆按胶凝材料分类可以分成水泥砂浆、水
泥石灰混合砂浆以及石灰砂浆等。长期以来我国的砂浆的配制大多采用水泥、石灰膏、
砂加水拌制，即混合砂浆【1】。水泥砂浆的强度较高，但保水性差，和易性不良，不易施
工。为了改善水泥砂浆的保水性和施工和易性，往往在水泥砂浆中掺入石灰膏等掺合料，
从而制成水泥石灰混合砂浆。水泥石灰砂浆的保水性及和易性好，容易施工，在实际工
程中得到广泛应用，是用量最大的一种建筑砂浆。但由于石灰是气硬性胶凝材料，具有
不耐水、强度低、收缩大及容易存在过火石灰等特性，致使水泥石灰混合砂浆也存在耐
水性差、收缩大、耐久性差、粘结强度低以及以安定性不良等缺点。此外，石灰膏的生
产制作复杂，生产要消耗大量的矿物资源、能源并排放大量的温室气体，极不利于其可
持续发展和环境保护，另外生石灰需要消化为熟石灰并“陈伏”后才能使用，否则会导
致砂浆体积安定性不良【2】。
由于经济建设的高速发展对电力的需求急剧增加，促使火力发电迅速增长，我国已
成为粉煤灰排放第一大国，绿色和平组织在有关报告中指出：2013年，中国粉煤灰产量
达到了5.32亿吨，相当于每两分半钟就倒满一个标准游泳池，或每天一个水立方。绿色
和平气候与能源项目经理杨爱伦表示，“中国所面临的粉煤灰问题的规模在全世界都是
绝无仅有的”。粉煤灰是火力发电的必然产物，每消耗4吨煤就会产生1吨粉煤灰。中国
的火电装机容量从2002年起呈现出爆炸式的增长，因此，粉煤灰排放也在过去8年内增
长了2.5倍，成为我国最大工业废弃物。（图表2反映近几年我国粉煤灰产量变化）如此
多的工业废渣如不加利用, 资源、能源的巨大消耗及对环境带来的有害影响极不利于可
持续发展。目前, 国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填, 而回填带来的主要问题是粉煤
灰潜在的毒性对环境的长期影响, 从而对地下水、土壤造成污染。因此, 粉煤灰这种工
业废渣是需要很好利用的，粉煤灰是发展绿色建筑砂浆所需的细掺料的廉价而宝贵的资
1
湖北文理学院理工学院学位论文 2 研究意义
源。当前，必须加大力度进行粉煤灰的综合利用科研工作，拓宽它的利用范围，来提高
【3】粉煤灰的利用率。高性能与绿色化是胶凝材料今后能够可持续发展的必由之路。
图表2 : 2010-2013年中国粉煤灰产量变化图
2. 研究意义
根据资料检索，目前国内外关于建筑砂浆胶凝材料的研究较少，发达国家已经基本
普及干混砂浆或预拌砂浆，砂浆商品化程度很高，所用的砂浆强度等级很高，除用波特
兰水泥作为胶凝材料外，另加入有机聚合物以改善水泥砂浆的工作性及物理力学性质，
【4】但成本较高。国内主要研究是涉及用粉煤灰作辅助胶凝材料配制砂浆研究等。而随着
全球经济的快速发展，人类生存的自然环境越来越严峻。因此，可持续发展是未来社会
经济发展的根本战略。建筑砂浆可持续发展的出路就是应用现代科学技术尽量减少自然
资源和能源的消耗, 大量利用工业废渣和其他废弃物, 减少对环境的污染。用粉煤灰作新
型砂浆胶凝材料，既可大量利用工业废弃物，保护环境，又能节约水泥, 改善砂浆性能，
得到优质的砂浆。工程实践表明, 为改善建筑砂浆的施工和易性, 在建筑砂浆中掺用粉煤
灰是有效可行的。但要求粉煤灰的品质应符合国家现行标准《用于水泥和混凝土中的粉
煤灰》(GB1596—1991) 、《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》(JGJ28—1986) 和《预
拌混凝土》(GB/T14902—2003) 【5-7】的有关规定。有关研究表明：适当的粉煤灰掺量对
砂浆的强度、和易性、抗渗性和抗冻性等综合性能有较大的改善，不仅可减少粉煤灰对
2
湖北文理学院理工学院学位论文 3 我国建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状 环境造成的污染，还可以大幅减少消耗能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此
是一种绿色砂浆，发展前景广阔。为此，本文研究了在不同取代率情况下水泥混合
砂浆性能的差异, 以及粉煤灰对建筑砂浆和易性、抗压强度等性能的改善效果。
【8】
3. 我国建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状
目前量大面广的城镇房屋建筑仍是以砖混结构为主，在这种砌体建筑中，砌筑砂浆
与抹面砂浆的应用是相当广泛的。因市场上供应的水泥主要是32.5、42.5级普通硅酸
盐水泥，用高标号的水泥配制普通标号的砂浆是不尽合理的，为了满足砌体砌筑和抹面
施工需要，在规范中规定了砂浆中水泥的含量不能低于200㎏/m3，因而出现了水泥砂
浆强度超标与工作性能不能满足的矛盾，粉煤灰在建筑砂浆的开发利用，是解决这一矛
盾的有效途径，采用这一措施还可以降低工程造价，同时还可以节约资源和能源。
同时我国的能源结构以煤炭为主。在煤炭的开采和利用过程中，产生了大量的工业
废弃物，1995年全国公用电厂粉煤灰的排量就超过一亿吨，这对资源的浪费和环境的污
染是非常严重的。建筑工业是我国开展共和利用粉煤灰最早的行业之一，从50年代初
期就开始对高炉矿渣、城镇锅炉炉渣、电厂粉煤灰、钢厂钢渣及各种尾矿进行了研究和
【9】开发工作。并且在80年代，我国建筑科技人员对建筑砂浆中掺入粉煤灰的课题进行了
大量的基础研究工作，取得了丰硕的成果，这些成果对粉煤灰在建筑砂浆中的应用提供
了可靠的依据。就整体而言，建筑的绿色化程度仍很低。国内近几年关于砂浆胶凝材料
的论文有10余篇，主要涉及用粉煤灰作辅助胶凝材料配制砂浆的研究
煤灰和水泥熟料配制建筑砂浆新型胶凝材料的研究【15】【10-14】，以及用粉等。目前，我国配制高性能建筑
砂浆采用的活性掺合料主要是硅灰、超细矿渣粉与优质粉煤灰等，由于硅灰资源较少，
矿渣已大部分被用于水泥混合材，量少价高决定了它们不可能成为绿色砂浆的掺合料。
【16】掺合料中唯有粉煤灰资源十分丰富。而粉煤灰的利用率还是很低，每年还有很多粉
煤灰被浪费。
4. 理论依据
3
湖北文理学院理工学院学位论文 4 理论依据
粉煤灰是热电厂的工业废渣，经中国建筑科学研究院分析鉴定：粉煤灰以二氧化硅、三氧化二铝为主，分别含57.5%、17.83%，并含有氧化钙2.89%，氧化镁2.88%，氧化钠0.75%，三氧化二铁3.9%，氧化钾2.88%，氧化钛0.51%。粉煤灰潮湿时呈泥状物，其颗粒多呈球形, 表面光滑, 级配良好，与火山灰质混合材料相比, 其结构较细密, 内比面积小, 且对水的吸附能力小, 需水量较小, 因此当一定量的粉煤灰掺入砂浆后，一方面可以填充
【17-19】水泥浆体中颗粒间的空隙，显著提高其密实度；另一方面优质粉煤灰配制的砂浆流
动性大。粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二铝都属于活性混合材料，能和水泥在水化反应过程中析出的氢氧化钙进行二次反应，得到水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶和水化硫酸钙等水化产物，降低了水泥水化产物氢氧化钙的浓度，可以促进水泥的水化，且能变硬发
【20】展强度, 对砂浆强度和抗渗性都有提高作用，所以可利用粉煤灰做砂浆中的活性材料。
粉煤灰的这种作用称为活性效应即火山灰效应。
除了活性效应外，粉煤灰还有形态效应、微集料效应。其中粉煤灰的形态效应原理为：在显微镜下显示，粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地精密、粒度细和对水吸附力小以及内比表面积小等物理性能，大大提高了砂浆的流动性，能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能；粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中, 就像微细的集料一样。对粉煤灰颗粒和水泥净浆间的显微研究证明, 随着水化反应的进展, 粉煤灰和水泥浆体的界面接触越趋紧密。在界面上形成的粉煤灰水化凝胶的显微硬度大于水泥凝胶, 粉煤灰微粒在水泥浆体中的分散状态良好, 有助于新拌砂浆的硬化和均匀性的改善, 也有助于砂浆中的孔隙和毛细孔的充填和细化；活性效应的主要原理为：二氧化硅和三氧化二铝作为粉煤灰中主要的活性成分，能和水泥在水化反应过程中析出的氢氧化钙进行二次反应，得到水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶和水化硫酸钙等水化产物，降低了水泥水化产物氢氧化钙的浓度，这种反应主要是在水泥砂浆的孔隙中发生，不仅可以大大降低水泥砂浆的内部孔隙率，改变孔隙结构，还可以使砂浆的各个组成部分的粘结力更强【21】。
在上述粉煤灰的三大效应中，形态效应、微集料效应是物理效应，火山灰效应是化学效应。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大。所以我们可以用粉煤灰取代石灰膏来改善混合砂浆的性能。
5. 研究方案
4
湖北文理学院理工学院学位论文 4 理论依据
目的：研究在不同强度砂浆里粉煤灰以一定的取代率取代石灰膏对混合砂浆和易性、强度性能的影响。取代率分别为0%，20%，40%。
方法：在不同强度的建筑砂浆中，对粉煤灰取代石灰膏不同的取代率下建筑砂浆的和易性、抗压强度进行试验研究。不同的取代率砂浆稠度及设计强度等级相同, 粉煤灰掺入量与石灰膏掺入量在相同强度等级的砂浆中取相同值，以便对比二者对砂浆的性能的影响。取砂浆强度等级为M5、M10两个，分别计算出它们的砂浆的基准配合比。根据砂浆基准配合比试配砂浆，分别测定其施工和易性（包括沉入度和保水率）、28天抗压强度。通过试验结果，分析研究建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆的性能的影响。
5
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
6. 实验结果及分析
6.1试验原材料以及用量
试验原材料如下：
（1）水泥: 华新堡垒牌32.5级复合硅酸盐水泥； （2）河砂：市售河砂；
（3）粉煤灰：襄樊市火电厂干排Ⅱ级粉煤灰； （4）石灰：市售石灰粉。
6.2各强度等级砂浆配合比 砂浆配合比见表1和表2
表6.2.1：M5混合砂浆计算配合比（2.5L ）
注：试件尺寸为70.7*70.7*70.7mm3，，每组拌合2.5L 砂浆，下同。
6
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表6.2.2：M10水泥混合砂浆配合比（2.5L ）
6.3粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆和易性的影响
和易性良好的新拌砂浆易于施工并能保证其质量的综合性能。砂浆的和易性包括流动性和保水性两方面的内容。和易性好的砂浆在运输和操作时，不会出现分层、泌水等现象，而且容易在粗糙的砖、石、砌块表面上铺成均匀、薄薄的一层，保证灰缝饱满又密实，能够将砖、石、砌块很好的粘结成整体。粉煤灰是一种火山灰质材料，粒径较小，大多数颗粒呈球形，与水泥的水化产物可发生二次水化，具有一定的活性。粉煤灰作为活性掺加料加入砂浆中，可以部分取代石灰膏，并改善砂浆和易性和强度。 6.3.1稠度实验
沉入度又叫稠度，是表征砂浆流动性的指标。砂浆的流动性是指砂浆在自重或外力作用下流动的性能，用稠度表示。该试验方法不仅直观、便于操作，而且能够较为真实地反映实际施工浇注的状态。 一、实验仪器设备
1．砂浆稠度测定仪：由试锥、容器和支座三部分组成。试锥由钢材或铜材制成，锥高145mm ，锥底直径75mm ，试锥连同滑杆质量300g ；盛砂浆容器由钢板制成，筒高180mm ，锥底内径150mm ；支座分底座、支架及稠度显示三部分，由铸铁、钢及其他金属制成；
2．钢制捣棒：直径10mm 、长350mm ，端部磨圆； 3．秒表。
7
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
三、试验步骤
1．将试锥、容器表面用湿布擦净，用少量润滑油轻擦滑杆，保证滑杆自由滑动；
2．将砂浆拌和物一次装入容器，使砂浆低于容器口约10mm ，用捣棒自容器中心向边缘插捣25次，轻击容器5～6下，使砂浆表面平整，立即将容器置于稠于测定仪的底座上；
3．把试锥调至尖端与砂浆表面接触，拧紧制动螺丝，使齿条侧杆下端刚接触滑杆上端，并将指针对准零点上；
4．拧开制动螺丝，同时以秒表计时，待10s 立即固定螺丝，将齿条侧杆下端接触滑杆上端，从刻度盘读出下沉深度（精确至1mm ），即为砂浆稠度值；圆锥容器内的砂浆，只允许测定一次稠度，重复测定时，应重新取样。
5.稠度试验结果应以两次测定值的算术平均值为测定值，计算精确至1mm 。两次测试值之差如大于10mm ，应另取搅拌后重新测定。
8
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表4 M5水泥混合砂浆沉入度数据
附图一（下图）
图一如下：
9
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表5 M10水泥混合砂浆沉入度数据
附图2（下图）
图二如下：
10
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
由上图一，图二可知，在相同强度下，掺入粉煤灰的建筑砂浆工作能改善明显，各
掺量粉煤灰砂浆的沉入度均大于掺入石灰的建筑砂浆。而对建筑砂稠度改善是由于粉煤灰的形态效应，即粉煤灰是由大小不等的球状玻璃体组成，其表面光滑致密，在砂浆拌合物中起润滑作用；同时粉煤灰颗粒粒径比水泥粒径小，粉煤灰微细粒径均匀分布在水泥粒径之中，阻止了水泥粒径粘聚，使滞留于水泥颗粒之间的部分拌合水释放出来，从而改善了砂浆拌合物的沉入度。掺入粉煤灰增大了浆一骨比，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使砂浆拌和物具有更好的粘聚性和可塑性，有效地改善拌合物的和易性.
6.4粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆强度的影响
砌筑砂浆的强度用强度等级来表示。砂浆强度等级是以边长为70.7mm 的立方体试块，在标准养护条件（温度（20±2）℃、相对湿度为90%以上）下，用标准试验方法测得28d 龄期的抗压强度值（单位为MPa ）确定。
本实验研究的龄期为28d, 用粉煤灰取代石灰膏的建筑砂浆的抗压强度。 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009）作出如下规定：
立方体试件以3个为一组进行评定，以三个试件测值的算术平均值的1.35倍作为该组试件的砂浆立方体试件抗压强度平均值（精确至0.1MPa ）。
当三个测值的最大值或者最小值中有一个值与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大值和最小值一并舍除，取中间值作为改组试件的抗压强度值；如果两个值与中间值的差值均超过中间值的15%时，该组试件的实验结果无效。 砂浆立方体抗压强度应按下式计算：
f m , cu K
N U
A
11
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
强度实验结果见下表8、表9、图三、图四。
表8 M5水泥混合砂浆试件28d 强度
图三如下：
12
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表9 M10水泥混合砂浆试件28d 强度
图四如下：
由表8、图三及表9、图四可知，两种混合砂浆的M5、M10级的28天强度都高于设计强度，可满足工程要求，并且由图三, 图四得出掺入粉煤灰的混合砂浆比水泥石灰砂浆的28d 强度高，可见掺入粉煤灰可以提高建筑砂浆的强度。
13
湖北文理学院理工学院学位论文 7 结论
7. 结论
（1）掺入粉煤灰混合砂浆的沉入度均大于未掺入粉煤灰的混合砂浆。 （2）掺入粉煤灰混合砂浆的28d 抗压强度均高于未掺入粉煤灰的混合砂浆。
（3）粉煤灰砂浆具有良好的施工和易性与力学强度，其性能优于石灰混合砂浆。故在有条件的地方，可以用粉煤灰取代一定量的石灰膏配制建筑砂浆。砂浆中掺入粉煤灰不仅可以改善砂浆的性能，而且可以节约资源，保护环境。因此也是一种绿色建筑砂浆，发展前景广阔。
14
湖北文理学院理工学院学位论文 8 关于继续研究的若干依据
8. 关于继续研究的若干依据
由于时间和技术的关系，本试验的只做了一个初步研究。关于后续的进一步研究，
提出若干建议如下：
（1）继续深入研究，探讨砂浆的其他物理性能和力学性能；
（2）加大试验量，规范试验操作步骤，以精确试验结果，使结果更有说服力；
（3）综合粉煤灰的性能深入研究其他方面的可行性；
（4）在上面研究的基础上，进行工业化生产研究以及商品砂浆的研究，并将其推向
市场；
15
湖北文理学院理工学院学位论文 致谢
致 谢
本课题在选题及实验进行过程中得到了鄢老师的悉心指导，在试验器材方面得到了
学校的大力支持。论文行文及研究过程中，鄢老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在
我遇到困难的时候给予我最大的支持和鼓励。在此，我对鄢老师表达我深深的敬意和由
衷的感谢！而鄢老师治学严谨，学识渊博，不慕荣利，平易近人，对学生认真负责，他
对学术的热爱、对工作的投入、对生活的朴素，让我由衷地敬仰，他的学术风格、工作
态度与生活态度将激励我在未来的学习、工作、生活中不断前行。
感谢参加我论文答辩的各位老师，感谢你们在百忙之中不厌其烦地对我的论文提出
各种意见，让我的大学生活的句号更加圆满 。
感谢大学四年来，建筑工程学院所有的老师对我学习上的帮助和生活上的关怀，正
是你们的辛勤工作，才使我得以顺利地完成学业，取得学位。浓浓师恩，终生不忘。
大学四年的生活即将随着论文的完成划上句号。最后，我再次说声感谢！感谢
大学四年以来给过我帮助和关注的所有人，你们用不同的方式给了我成长与关怀，
也是你们一直在四年的时光中一直陪在我身边，走在的大学四年的时光里，大家相
互一直努力、鼓励着和一直奋斗着。
16
湖北文理学院理工学院学位论文 参考文献
参考文献
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学校代码 学号
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建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的实验研究
Experimental study on lime fly ash to replace the building mortar
姓
指
专
院
名 导教 师 鄢朝勇教授 业 系 土木工程 建筑工程系 2014-5-28 论文提交日期
摘要
本课题主要探讨建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的可行性，通过计算强度等级为M5、
M10建筑砂浆配合比进行配制，经过实验性能测定初步得出结果：粉煤灰砂浆具有良好
的施工和易性与力学强度，其性能优于石灰混合砂浆。砂浆中掺入粉煤灰不仅可以改善
砂浆的性能，而且可以节约资源，保护环境。因此也是一种绿色建筑砂浆，发展前景广
阔。
关键词：建筑砂浆；水泥、石灰和粉煤灰；和易性；力学强度
I
Abstract
This paper discusses the feasibility of fly ash mortar in building instead of lime paste, by
calculating the strength grade of M5, M10 mortar mixture ratio are prepared, after the
preliminary results were: experimental performance of fly ash mortar has good workability
and mechanical strength, its performance is better than lime mixed mortar. The performance
of fly ash mortar can not only improve the mortar, which can save resources, Protect environment. It is a green building mortar, the broad prospects of development.
Keywords: Building mortar ；Cement ，lime and fly ash ；workability ；Mechanical
strength
II
目 录
摘要----------------------------------------------------------------I
Abstract ------------------------------------------------------------II
1. 前言--------------------------------------------------------------1
2. 研究意义----------------------------------------------------------2
3. 我国以建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状------------------------3
4. 理论依据----------------------------------------------------------4
5. 研究方案----------------------------------------------------------5
6. 实验结果及分析----------------------------------------------------6
6.1实验原材料-----------------------------------------------------6
6.2砂浆配合比-----------------------------------------------------6
6.3粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆和易性的影响-------------------------7
6.4粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆强度的影响---------------------------11
7. 结论--------------------------------------------------------------14
8. 关于继续研究的若干建议--------------------------------------------15
致谢----------------------------------------------------------------16
参考文献------------------------------------------------------------17
湖北文理学院理工学院学位论文 1 前言
1. 前言
建筑砂浆广泛用于砌筑、抹面、修补及粘贴饰面材料等工程中，是建筑工程用量较
大的建筑材料之一，起到胶结、填充、传递负荷、保护结构和表面美化的作用。砂浆工
程的质量可以影响建筑工程的质量，而且制约着建筑工程的施工成本。目前的建筑砂浆
的胶凝材料主要是水泥，其次是石灰。建筑砂浆按胶凝材料分类可以分成水泥砂浆、水
泥石灰混合砂浆以及石灰砂浆等。长期以来我国的砂浆的配制大多采用水泥、石灰膏、
砂加水拌制，即混合砂浆【1】。水泥砂浆的强度较高，但保水性差，和易性不良，不易施
工。为了改善水泥砂浆的保水性和施工和易性，往往在水泥砂浆中掺入石灰膏等掺合料，
从而制成水泥石灰混合砂浆。水泥石灰砂浆的保水性及和易性好，容易施工，在实际工
程中得到广泛应用，是用量最大的一种建筑砂浆。但由于石灰是气硬性胶凝材料，具有
不耐水、强度低、收缩大及容易存在过火石灰等特性，致使水泥石灰混合砂浆也存在耐
水性差、收缩大、耐久性差、粘结强度低以及以安定性不良等缺点。此外，石灰膏的生
产制作复杂，生产要消耗大量的矿物资源、能源并排放大量的温室气体，极不利于其可
持续发展和环境保护，另外生石灰需要消化为熟石灰并“陈伏”后才能使用，否则会导
致砂浆体积安定性不良【2】。
由于经济建设的高速发展对电力的需求急剧增加，促使火力发电迅速增长，我国已
成为粉煤灰排放第一大国，绿色和平组织在有关报告中指出：2013年，中国粉煤灰产量
达到了5.32亿吨，相当于每两分半钟就倒满一个标准游泳池，或每天一个水立方。绿色
和平气候与能源项目经理杨爱伦表示，“中国所面临的粉煤灰问题的规模在全世界都是
绝无仅有的”。粉煤灰是火力发电的必然产物，每消耗4吨煤就会产生1吨粉煤灰。中国
的火电装机容量从2002年起呈现出爆炸式的增长，因此，粉煤灰排放也在过去8年内增
长了2.5倍，成为我国最大工业废弃物。（图表2反映近几年我国粉煤灰产量变化）如此
多的工业废渣如不加利用, 资源、能源的巨大消耗及对环境带来的有害影响极不利于可
持续发展。目前, 国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填, 而回填带来的主要问题是粉煤
灰潜在的毒性对环境的长期影响, 从而对地下水、土壤造成污染。因此, 粉煤灰这种工
业废渣是需要很好利用的，粉煤灰是发展绿色建筑砂浆所需的细掺料的廉价而宝贵的资
1
湖北文理学院理工学院学位论文 2 研究意义
源。当前，必须加大力度进行粉煤灰的综合利用科研工作，拓宽它的利用范围，来提高
【3】粉煤灰的利用率。高性能与绿色化是胶凝材料今后能够可持续发展的必由之路。
图表2 : 2010-2013年中国粉煤灰产量变化图
2. 研究意义
根据资料检索，目前国内外关于建筑砂浆胶凝材料的研究较少，发达国家已经基本
普及干混砂浆或预拌砂浆，砂浆商品化程度很高，所用的砂浆强度等级很高，除用波特
兰水泥作为胶凝材料外，另加入有机聚合物以改善水泥砂浆的工作性及物理力学性质，
【4】但成本较高。国内主要研究是涉及用粉煤灰作辅助胶凝材料配制砂浆研究等。而随着
全球经济的快速发展，人类生存的自然环境越来越严峻。因此，可持续发展是未来社会
经济发展的根本战略。建筑砂浆可持续发展的出路就是应用现代科学技术尽量减少自然
资源和能源的消耗, 大量利用工业废渣和其他废弃物, 减少对环境的污染。用粉煤灰作新
型砂浆胶凝材料，既可大量利用工业废弃物，保护环境，又能节约水泥, 改善砂浆性能，
得到优质的砂浆。工程实践表明, 为改善建筑砂浆的施工和易性, 在建筑砂浆中掺用粉煤
灰是有效可行的。但要求粉煤灰的品质应符合国家现行标准《用于水泥和混凝土中的粉
煤灰》(GB1596—1991) 、《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》(JGJ28—1986) 和《预
拌混凝土》(GB/T14902—2003) 【5-7】的有关规定。有关研究表明：适当的粉煤灰掺量对
砂浆的强度、和易性、抗渗性和抗冻性等综合性能有较大的改善，不仅可减少粉煤灰对
2
湖北文理学院理工学院学位论文 3 我国建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状 环境造成的污染，还可以大幅减少消耗能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此
是一种绿色砂浆，发展前景广阔。为此，本文研究了在不同取代率情况下水泥混合
砂浆性能的差异, 以及粉煤灰对建筑砂浆和易性、抗压强度等性能的改善效果。
【8】
3. 我国建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏的研究现状
目前量大面广的城镇房屋建筑仍是以砖混结构为主，在这种砌体建筑中，砌筑砂浆
与抹面砂浆的应用是相当广泛的。因市场上供应的水泥主要是32.5、42.5级普通硅酸
盐水泥，用高标号的水泥配制普通标号的砂浆是不尽合理的，为了满足砌体砌筑和抹面
施工需要，在规范中规定了砂浆中水泥的含量不能低于200㎏/m3，因而出现了水泥砂
浆强度超标与工作性能不能满足的矛盾，粉煤灰在建筑砂浆的开发利用，是解决这一矛
盾的有效途径，采用这一措施还可以降低工程造价，同时还可以节约资源和能源。
同时我国的能源结构以煤炭为主。在煤炭的开采和利用过程中，产生了大量的工业
废弃物，1995年全国公用电厂粉煤灰的排量就超过一亿吨，这对资源的浪费和环境的污
染是非常严重的。建筑工业是我国开展共和利用粉煤灰最早的行业之一，从50年代初
期就开始对高炉矿渣、城镇锅炉炉渣、电厂粉煤灰、钢厂钢渣及各种尾矿进行了研究和
【9】开发工作。并且在80年代，我国建筑科技人员对建筑砂浆中掺入粉煤灰的课题进行了
大量的基础研究工作，取得了丰硕的成果，这些成果对粉煤灰在建筑砂浆中的应用提供
了可靠的依据。就整体而言，建筑的绿色化程度仍很低。国内近几年关于砂浆胶凝材料
的论文有10余篇，主要涉及用粉煤灰作辅助胶凝材料配制砂浆的研究
煤灰和水泥熟料配制建筑砂浆新型胶凝材料的研究【15】【10-14】，以及用粉等。目前，我国配制高性能建筑
砂浆采用的活性掺合料主要是硅灰、超细矿渣粉与优质粉煤灰等，由于硅灰资源较少，
矿渣已大部分被用于水泥混合材，量少价高决定了它们不可能成为绿色砂浆的掺合料。
【16】掺合料中唯有粉煤灰资源十分丰富。而粉煤灰的利用率还是很低，每年还有很多粉
煤灰被浪费。
4. 理论依据
3
湖北文理学院理工学院学位论文 4 理论依据
粉煤灰是热电厂的工业废渣，经中国建筑科学研究院分析鉴定：粉煤灰以二氧化硅、三氧化二铝为主，分别含57.5%、17.83%，并含有氧化钙2.89%，氧化镁2.88%，氧化钠0.75%，三氧化二铁3.9%，氧化钾2.88%，氧化钛0.51%。粉煤灰潮湿时呈泥状物，其颗粒多呈球形, 表面光滑, 级配良好，与火山灰质混合材料相比, 其结构较细密, 内比面积小, 且对水的吸附能力小, 需水量较小, 因此当一定量的粉煤灰掺入砂浆后，一方面可以填充
【17-19】水泥浆体中颗粒间的空隙，显著提高其密实度；另一方面优质粉煤灰配制的砂浆流
动性大。粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二铝都属于活性混合材料，能和水泥在水化反应过程中析出的氢氧化钙进行二次反应，得到水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶和水化硫酸钙等水化产物，降低了水泥水化产物氢氧化钙的浓度，可以促进水泥的水化，且能变硬发
【20】展强度, 对砂浆强度和抗渗性都有提高作用，所以可利用粉煤灰做砂浆中的活性材料。
粉煤灰的这种作用称为活性效应即火山灰效应。
除了活性效应外，粉煤灰还有形态效应、微集料效应。其中粉煤灰的形态效应原理为：在显微镜下显示，粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地精密、粒度细和对水吸附力小以及内比表面积小等物理性能，大大提高了砂浆的流动性，能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能；粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中, 就像微细的集料一样。对粉煤灰颗粒和水泥净浆间的显微研究证明, 随着水化反应的进展, 粉煤灰和水泥浆体的界面接触越趋紧密。在界面上形成的粉煤灰水化凝胶的显微硬度大于水泥凝胶, 粉煤灰微粒在水泥浆体中的分散状态良好, 有助于新拌砂浆的硬化和均匀性的改善, 也有助于砂浆中的孔隙和毛细孔的充填和细化；活性效应的主要原理为：二氧化硅和三氧化二铝作为粉煤灰中主要的活性成分，能和水泥在水化反应过程中析出的氢氧化钙进行二次反应，得到水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶和水化硫酸钙等水化产物，降低了水泥水化产物氢氧化钙的浓度，这种反应主要是在水泥砂浆的孔隙中发生，不仅可以大大降低水泥砂浆的内部孔隙率，改变孔隙结构，还可以使砂浆的各个组成部分的粘结力更强【21】。
在上述粉煤灰的三大效应中，形态效应、微集料效应是物理效应，火山灰效应是化学效应。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大。所以我们可以用粉煤灰取代石灰膏来改善混合砂浆的性能。
5. 研究方案
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湖北文理学院理工学院学位论文 4 理论依据
目的：研究在不同强度砂浆里粉煤灰以一定的取代率取代石灰膏对混合砂浆和易性、强度性能的影响。取代率分别为0%，20%，40%。
方法：在不同强度的建筑砂浆中，对粉煤灰取代石灰膏不同的取代率下建筑砂浆的和易性、抗压强度进行试验研究。不同的取代率砂浆稠度及设计强度等级相同, 粉煤灰掺入量与石灰膏掺入量在相同强度等级的砂浆中取相同值，以便对比二者对砂浆的性能的影响。取砂浆强度等级为M5、M10两个，分别计算出它们的砂浆的基准配合比。根据砂浆基准配合比试配砂浆，分别测定其施工和易性（包括沉入度和保水率）、28天抗压强度。通过试验结果，分析研究建筑砂浆中粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆的性能的影响。
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
6. 实验结果及分析
6.1试验原材料以及用量
试验原材料如下：
（1）水泥: 华新堡垒牌32.5级复合硅酸盐水泥； （2）河砂：市售河砂；
（3）粉煤灰：襄樊市火电厂干排Ⅱ级粉煤灰； （4）石灰：市售石灰粉。
6.2各强度等级砂浆配合比 砂浆配合比见表1和表2
表6.2.1：M5混合砂浆计算配合比（2.5L ）
注：试件尺寸为70.7*70.7*70.7mm3，，每组拌合2.5L 砂浆，下同。
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表6.2.2：M10水泥混合砂浆配合比（2.5L ）
6.3粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆和易性的影响
和易性良好的新拌砂浆易于施工并能保证其质量的综合性能。砂浆的和易性包括流动性和保水性两方面的内容。和易性好的砂浆在运输和操作时，不会出现分层、泌水等现象，而且容易在粗糙的砖、石、砌块表面上铺成均匀、薄薄的一层，保证灰缝饱满又密实，能够将砖、石、砌块很好的粘结成整体。粉煤灰是一种火山灰质材料，粒径较小，大多数颗粒呈球形，与水泥的水化产物可发生二次水化，具有一定的活性。粉煤灰作为活性掺加料加入砂浆中，可以部分取代石灰膏，并改善砂浆和易性和强度。 6.3.1稠度实验
沉入度又叫稠度，是表征砂浆流动性的指标。砂浆的流动性是指砂浆在自重或外力作用下流动的性能，用稠度表示。该试验方法不仅直观、便于操作，而且能够较为真实地反映实际施工浇注的状态。 一、实验仪器设备
1．砂浆稠度测定仪：由试锥、容器和支座三部分组成。试锥由钢材或铜材制成，锥高145mm ，锥底直径75mm ，试锥连同滑杆质量300g ；盛砂浆容器由钢板制成，筒高180mm ，锥底内径150mm ；支座分底座、支架及稠度显示三部分，由铸铁、钢及其他金属制成；
2．钢制捣棒：直径10mm 、长350mm ，端部磨圆； 3．秒表。
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
三、试验步骤
1．将试锥、容器表面用湿布擦净，用少量润滑油轻擦滑杆，保证滑杆自由滑动；
2．将砂浆拌和物一次装入容器，使砂浆低于容器口约10mm ，用捣棒自容器中心向边缘插捣25次，轻击容器5～6下，使砂浆表面平整，立即将容器置于稠于测定仪的底座上；
3．把试锥调至尖端与砂浆表面接触，拧紧制动螺丝，使齿条侧杆下端刚接触滑杆上端，并将指针对准零点上；
4．拧开制动螺丝，同时以秒表计时，待10s 立即固定螺丝，将齿条侧杆下端接触滑杆上端，从刻度盘读出下沉深度（精确至1mm ），即为砂浆稠度值；圆锥容器内的砂浆，只允许测定一次稠度，重复测定时，应重新取样。
5.稠度试验结果应以两次测定值的算术平均值为测定值，计算精确至1mm 。两次测试值之差如大于10mm ，应另取搅拌后重新测定。
8
湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表4 M5水泥混合砂浆沉入度数据
附图一（下图）
图一如下：
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表5 M10水泥混合砂浆沉入度数据
附图2（下图）
图二如下：
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
由上图一，图二可知，在相同强度下，掺入粉煤灰的建筑砂浆工作能改善明显，各
掺量粉煤灰砂浆的沉入度均大于掺入石灰的建筑砂浆。而对建筑砂稠度改善是由于粉煤灰的形态效应，即粉煤灰是由大小不等的球状玻璃体组成，其表面光滑致密，在砂浆拌合物中起润滑作用；同时粉煤灰颗粒粒径比水泥粒径小，粉煤灰微细粒径均匀分布在水泥粒径之中，阻止了水泥粒径粘聚，使滞留于水泥颗粒之间的部分拌合水释放出来，从而改善了砂浆拌合物的沉入度。掺入粉煤灰增大了浆一骨比，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使砂浆拌和物具有更好的粘聚性和可塑性，有效地改善拌合物的和易性.
6.4粉煤灰取代石灰膏对混合砂浆强度的影响
砌筑砂浆的强度用强度等级来表示。砂浆强度等级是以边长为70.7mm 的立方体试块，在标准养护条件（温度（20±2）℃、相对湿度为90%以上）下，用标准试验方法测得28d 龄期的抗压强度值（单位为MPa ）确定。
本实验研究的龄期为28d, 用粉煤灰取代石灰膏的建筑砂浆的抗压强度。 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009）作出如下规定：
立方体试件以3个为一组进行评定，以三个试件测值的算术平均值的1.35倍作为该组试件的砂浆立方体试件抗压强度平均值（精确至0.1MPa ）。
当三个测值的最大值或者最小值中有一个值与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大值和最小值一并舍除，取中间值作为改组试件的抗压强度值；如果两个值与中间值的差值均超过中间值的15%时，该组试件的实验结果无效。 砂浆立方体抗压强度应按下式计算：
f m , cu K
N U
A
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
强度实验结果见下表8、表9、图三、图四。
表8 M5水泥混合砂浆试件28d 强度
图三如下：
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湖北文理学院理工学院学位论文 6 实验结果及分析
表9 M10水泥混合砂浆试件28d 强度
图四如下：
由表8、图三及表9、图四可知，两种混合砂浆的M5、M10级的28天强度都高于设计强度，可满足工程要求，并且由图三, 图四得出掺入粉煤灰的混合砂浆比水泥石灰砂浆的28d 强度高，可见掺入粉煤灰可以提高建筑砂浆的强度。
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湖北文理学院理工学院学位论文 7 结论
7. 结论
（1）掺入粉煤灰混合砂浆的沉入度均大于未掺入粉煤灰的混合砂浆。 （2）掺入粉煤灰混合砂浆的28d 抗压强度均高于未掺入粉煤灰的混合砂浆。
（3）粉煤灰砂浆具有良好的施工和易性与力学强度，其性能优于石灰混合砂浆。故在有条件的地方，可以用粉煤灰取代一定量的石灰膏配制建筑砂浆。砂浆中掺入粉煤灰不仅可以改善砂浆的性能，而且可以节约资源，保护环境。因此也是一种绿色建筑砂浆，发展前景广阔。
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湖北文理学院理工学院学位论文 8 关于继续研究的若干依据
8. 关于继续研究的若干依据
由于时间和技术的关系，本试验的只做了一个初步研究。关于后续的进一步研究，
提出若干建议如下：
（1）继续深入研究，探讨砂浆的其他物理性能和力学性能；
（2）加大试验量，规范试验操作步骤，以精确试验结果，使结果更有说服力；
（3）综合粉煤灰的性能深入研究其他方面的可行性；
（4）在上面研究的基础上，进行工业化生产研究以及商品砂浆的研究，并将其推向
市场；
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湖北文理学院理工学院学位论文 致谢
致 谢
本课题在选题及实验进行过程中得到了鄢老师的悉心指导，在试验器材方面得到了
学校的大力支持。论文行文及研究过程中，鄢老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在
我遇到困难的时候给予我最大的支持和鼓励。在此，我对鄢老师表达我深深的敬意和由
衷的感谢！而鄢老师治学严谨，学识渊博，不慕荣利，平易近人，对学生认真负责，他
对学术的热爱、对工作的投入、对生活的朴素，让我由衷地敬仰，他的学术风格、工作
态度与生活态度将激励我在未来的学习、工作、生活中不断前行。
感谢参加我论文答辩的各位老师，感谢你们在百忙之中不厌其烦地对我的论文提出
各种意见，让我的大学生活的句号更加圆满 。
感谢大学四年来，建筑工程学院所有的老师对我学习上的帮助和生活上的关怀，正
是你们的辛勤工作，才使我得以顺利地完成学业，取得学位。浓浓师恩，终生不忘。
大学四年的生活即将随着论文的完成划上句号。最后，我再次说声感谢！感谢
大学四年以来给过我帮助和关注的所有人，你们用不同的方式给了我成长与关怀，
也是你们一直在四年的时光中一直陪在我身边，走在的大学四年的时光里，大家相
互一直努力、鼓励着和一直奋斗着。
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湖北文理学院理工学院学位论文 参考文献
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