田 悅

(沈陽城市建設(shè)學院 沈陽市 110167)

粉煤灰作為礦物摻和料代替部分水泥的施工方法在全世界廣泛應(yīng)用[1]，粉煤灰用于水泥砂漿可以改善水泥砂漿的力學性能，主要是因為粉煤灰具有形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及化學活性效應(yīng)，可以影響水化后水泥的礦物質(zhì)組成和水泥石的結(jié)構(gòu)，而粉煤灰呈球形且表面光滑，改善了骨料與水泥漿體、骨料與骨料之間的摩擦作用，改善了水泥漿體的和易性，提高了水泥石的強度[2-3]。

我國寒區(qū)面積非常廣闊，隨著我國工程建設(shè)規(guī)模增大，冬季施工比重隨之增大，由于水泥水化硬化需要一定的溫度和濕度，在施工過程中如果環(huán)境溫度較低會影響到水泥水化進而影響到混凝土凝結(jié)硬化，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫使性能降低，這種“凍傷”是不可恢復(fù)的[4]。

經(jīng)研究，改變粉煤灰顆粒的粒徑分布時，可以影響到粉煤灰的物理性質(zhì)，也會影響水泥砂漿的部分性能。將原狀的粉煤灰采用標準篩篩分為若干粒度區(qū)間，測量各個區(qū)間的質(zhì)量占總體粉煤灰的質(zhì)量百分率，調(diào)整各粒度區(qū)間的含量使其滿足正態(tài)分布，采用標準養(yǎng)護以及恒負溫養(yǎng)護兩種養(yǎng)護方法[5]，研究粉煤灰粒度分布對水泥砂漿力學性能的影響，進一步探究粉煤灰作為礦物摻和料的最優(yōu)粒度分布，達到保護環(huán)境、改善生態(tài)環(huán)境以及降低生產(chǎn)成本的目的。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥為沈陽市冀東水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水；細集料為經(jīng)過清洗干凈的河砂，屬中砂，細度模數(shù)約為2.67；減水劑為萘系高效減水劑，減水率為18%～25%，細度為0.135mm<10%；防凍劑為亞硝酸鈉，分子式為NaNO2，為白色或淺黃色結(jié)晶，易溶于水；酒精為工業(yè)酒精，純度為95%，無色透明、易燃易揮發(fā)液體。

1.2 粉煤灰的制備

采用緊密堆積理論與顆粒分布技術(shù)將微細顆粒填充于膠凝材料漿體孔隙中，減小水泥漿體的初始孔隙率，以便達到改善水泥基材料宏觀性能的目的[6]，選用工程數(shù)學中最常用的正態(tài)分布，研究粉煤灰的粒度分布對水泥砂漿力學性能的影響，優(yōu)化粉煤灰的粒徑分布。

顆粒呈正態(tài)分布時，應(yīng)符合如下方程：

式中：σ2為遵循正態(tài)分布的隨機變量的方差；μ為此隨機變量的均值。

粉煤灰經(jīng)過標準篩篩分，篩選出11種不同粒度區(qū)間的粉煤灰，分別為0～5μm、5～10μm、10～15μm、15～20μm、20～26μm、26～30.8μm、30.8～38.5μm、38.5～43μm、43～80μm。再調(diào)整各粒度區(qū)間的含量，使其正態(tài)分布。

表1 粉煤灰正態(tài)分布時各粒度區(qū)間的質(zhì)量百分比(%)

1.3 配合比設(shè)計

膠砂比為1∶3，水膠比為0.4，減水劑為1%，防凍劑為3%，粉煤灰等質(zhì)量取代硅酸鹽水泥(取代量為20%)。

1.4 養(yǎng)護條件與試驗方法

(1)養(yǎng)護條件

①標準養(yǎng)護：溫度為(20±2)℃，相對濕度為90%以上，24h之后拆模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為3d、7d、14d、28d。

②恒負溫養(yǎng)護：常溫條件下養(yǎng)護6h，放入(-10±1)°C的冰箱中，拆模時間為24h，養(yǎng)護3d后將試塊由負溫養(yǎng)護轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為3d、7d、14d、28d。

(2)抗壓和抗折強度測定[7]

抗折強度及抗壓強度測定按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70)。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰粒度分布對水泥砂漿抗折強度的影響

(1)標準養(yǎng)護條件下粉煤灰粒度分布對水泥砂漿抗折強度的影響

將不同粒度范圍的粉煤灰按一定比例混合，使其滿足正態(tài)分布，粉煤灰以20%的質(zhì)量取代率替代水泥制成水泥砂漿試件，標準養(yǎng)護至指定齡期后測試其抗折強度，測試結(jié)果見圖1。

圖1 標準養(yǎng)護下對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強度

如圖1所示，標準養(yǎng)護下，對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強度隨著養(yǎng)護時間的增加而增大。粉煤灰不同粒徑分布對水泥砂漿抗折強度有所影響，早期粉煤灰粒度呈正態(tài)分布水泥砂漿試件的抗折強度總體高于對照組的抗折強度，但28d齡期，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗折強度總體略低于對照組的抗折強度；其中粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)的水泥砂漿早期抗折強度最好；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=6.5)和(μ=12.5)的水泥砂漿的早期強度增長較快；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=22.5)的后期(28d)抗折強度增長迅速。

由此可見，使粉煤灰粒度呈正態(tài)分布時，適量提高10～15μm范圍內(nèi)的粉煤灰摻量，有助于提高水泥砂漿早期的抗折強度，主要因為此區(qū)間的粉煤灰比表面積較大，火山灰效應(yīng)較好，有利于快速參與水化反應(yīng)，降低有害孔數(shù)量，說明摻入粒度呈正態(tài)分布的粉煤灰有利于提高水泥砂漿的早期抗折強度。

(2)恒負溫養(yǎng)護條件下粉煤灰粒度分布對水泥砂漿抗折強度的影響

恒負溫養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至指定齡期后測試其抗折強度，測試結(jié)果見圖2。

圖2 負溫養(yǎng)護下對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強度

如圖2所示，恒負溫養(yǎng)護條件下，對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強度隨著養(yǎng)護時間的增加而增加；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗折強度總體明顯高于對照組的抗折強度；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)的水泥砂漿早期抗折強度最好；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=6.5)的水泥砂漿的抗折強度整體性最好；在-3+14d時，各組水泥砂漿的抗折強度差距增大，正態(tài)分布(μ=6.5)的水泥砂漿強度最高。

由此可見，在低溫養(yǎng)護下，適量摻加0～10μm的細顆粒粉煤灰對水泥砂漿的抗折強度存在一定的有利影響。這是由于在恒負溫養(yǎng)護條件下，水化反應(yīng)幾乎不發(fā)生，細小顆粒發(fā)揮微集料效應(yīng)，增強結(jié)構(gòu)密實度，提高了早期強度；水泥砂漿經(jīng)歷早期凍害后，標準養(yǎng)護條件下，隨著養(yǎng)護齡期的增長，其細小顆粒的比表面積大，其水泥砂漿的后期增長較快；說明摻入粒度呈正態(tài)分布的粉煤灰有利于提高水泥砂漿的抗折強度。

2.2 粒度正態(tài)分布的粉煤灰對水泥砂漿抗壓強度的影響

(1)標準養(yǎng)護條件下粉煤灰粒度分布對水泥砂漿抗壓強度的影響

標準養(yǎng)護條件下粉煤灰粒度分布對水泥砂漿的抗壓強度影響見圖3。

圖3 標準養(yǎng)護下對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強度

如圖3所示，標準養(yǎng)護下，對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加。圖中粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗壓強度略低于對照組的抗壓強度，且增長緩慢，只有3d時，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗壓強度高于對照組；其中粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的水泥砂漿早期(3d)抗壓強度較好。

由此可見，摻入粒度呈正態(tài)分布的粉煤灰有利于提高水泥砂漿的早期抗壓強度，而不利于其后期抗壓強度的提高。

(2)恒負溫養(yǎng)護條件下粉煤灰粒度分布對水泥砂漿抗壓強度的影響

圖4 -10℃養(yǎng)護下對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強度

如圖4所示，恒負溫養(yǎng)護條件下，對照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加；圖中粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的后期抗壓強度高于對照組的抗壓強度，只有-3+3d時，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗壓強度都低于對照組的抗壓強度；其中粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)的水泥砂漿抗壓強度是最好的一組，其后期增長最快，強度最高。

由此說明，在負溫養(yǎng)護條件下，粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)中摻加適量的10～15μm的粉煤灰對水泥砂漿的抗壓強度也存在一定的有利影響，此范圍的粉煤灰更有利于其火山灰效應(yīng)的發(fā)揮，從而更有利于水泥砂漿后期強度的提高；摻入粒度呈正態(tài)分布的粉煤灰有利于提高水泥砂漿的后期抗壓強度。

2.3 不同養(yǎng)護條件下水泥砂漿的SEM微觀分析

掃描電鏡微觀形貌測試能夠較為直觀形象地觀察到水泥砂漿中各物質(zhì)的形貌狀態(tài)，可以進一步解釋說明粉煤灰的粒度分布對水泥砂漿的強度影響。

在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7d以及在恒負溫養(yǎng)護-3+7d齡期下粉煤灰粒度正態(tài)分布(u=12.5)的水泥砂漿的典型SEM微觀圖像如圖5和圖6所示。

圖5 標準養(yǎng)護條件

圖6 恒負溫養(yǎng)護條件

從圖5中可以看到，7d齡期時，大多數(shù)分布中的粉煤灰表面光滑，附著在表面的水化產(chǎn)物較少，可以發(fā)現(xiàn)粉煤灰主要起到微集料效應(yīng)，可以觀察到小部分粉煤灰顆粒表面附著水化產(chǎn)物，說明這部分粉煤灰與水泥中堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，10～15um的粉煤灰摻量增加，減少大顆粒的粉煤灰摻量，使早期具有很好的微集料效應(yīng)，粉煤灰均勻分布在水泥顆粒之間，可以促進水泥水化，且小顆粒的粉煤灰比表面積大易促進二次水化，降低了水泥的堿含量抑制堿集料反應(yīng)，而水化反應(yīng)主要在孔隙進行，有效降低水泥砂漿孔隙率，提高了結(jié)構(gòu)密實度，促進強度的增長。

從圖6分析可知，-3+7d齡期下的水泥砂漿先在恒負溫條件下養(yǎng)護3d，使其水化速度減慢，生成少量水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，隨后標準養(yǎng)護7d，使其生成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)變得松散并產(chǎn)生微裂紋，雖然養(yǎng)護溫度的提高會使水化速度明顯提高，但仍會導(dǎo)致水泥砂漿的力學性能降低，可以觀察到少量水化產(chǎn)物附著在粉煤灰顆粒表面，發(fā)生了較少火山灰效應(yīng)，而粉煤灰與水泥漿體之間存在明顯的細微裂紋，說明其密實性一般。

3 結(jié)論

(1)在標準養(yǎng)護條件下，粉煤灰粒度分布對水泥砂漿強度起改善作用，早期呈粉煤灰粒度正態(tài)分布水泥砂漿試件的強度總體高于對照組強度，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)的水泥砂漿早期強度最好，適量提高10～15μm范圍內(nèi)的粉煤灰摻量，有助于提高水泥砂漿的早期強度。

(2)恒負溫養(yǎng)護條件下，粉煤灰粒度分布對水泥砂漿強度起一定改善作用，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的后期抗壓強度高于對照組的強度。

(3)在早期，在恒負溫養(yǎng)護條件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂漿抗折強度幾乎高于標準養(yǎng)護下的水泥砂漿抗折強度；而在恒負溫養(yǎng)護條件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂漿抗壓強度幾乎都低于標準養(yǎng)護下的水泥砂漿抗壓強度，且隨著養(yǎng)護齡期的增長，抗壓強度增長較為平緩。