田 悅

(沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 沈陽(yáng)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(xué)性能，主要是因?yàn)榉勖夯揖哂行螒B(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及化學(xué)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(qiáng)度[2-3]。

我國(guó)寒區(qū)面積非常廣闊，隨著我國(guó)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(guò)程中如果環(huán)境溫度較低會(huì)影響到水泥水化進(jìn)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(shí)，可以影響到粉煤灰的物理性質(zhì)，也會(huì)影響水泥砂漿的部分性能。將原狀的粉煤灰采用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分為若干粒度區(qū)間，測(cè)量各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以及恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)兩種養(yǎng)護(hù)方法[5]，研究粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步探究粉煤灰作為礦物摻和料的最優(yōu)粒度分布，達(dá)到保護(hù)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(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為沈陽(yáng)市冀東水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；水為普通自來(lái)水；細(xì)集料為經(jīng)過(guò)清洗干凈的河砂，屬中砂，細(xì)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(xì)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(wú)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(xì)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(dá)到改善水泥基材料宏觀性能的目的[6]，選用工程數(shù)學(xué)中最常用的正態(tài)分布，研究粉煤灰的粒度分布對(duì)水泥砂漿力學(xué)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(shí)，應(yīng)符合如下方程：

式中：σ2為遵循正態(tài)分布的隨機(jī)變量的方差；μ為此隨機(jī)變量的均值。

粉煤灰經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)各粒度區(qū)間的質(zhì)量百分比(%)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

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(hù)條件與試驗(yàn)方法

(1)養(yǎng)護(hù)條件

①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為90%以上，24h之后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d、14d、28d。

②恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)：常溫條件下養(yǎng)護(hù)6h，放入(-10±1)°C的冰箱中，拆模時(shí)間為24h，養(yǎng)護(hù)3d后將試塊由負(fù)溫養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d、14d、28d。

(2)抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)定[7]

抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度測(cè)定按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70)。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

(1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期后測(cè)試其抗折強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強(qiáng)度

如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大。粉煤灰不同粒徑分布對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)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(qiáng)度總體高于對(duì)照組的抗折強(qiáng)度，但28d齡期，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗折強(qiáng)度總體略低于對(duì)照組的抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)較快；粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=22.5)的后期(28d)抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速。

由此可見(jiàn)，使粉煤灰粒度呈正態(tài)分布時(shí)，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(qiáng)度，主要因?yàn)榇藚^(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(shuō)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(qiáng)度。

(2)恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至指定齡期后測(cè)試其抗折強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗折強(qiáng)度

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

由此可見(jiàn)，在低溫養(yǎng)護(hù)下，適量摻加0～10μm的細(xì)顆粒粉煤灰對(duì)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度存在一定的有利影響。這是由于在恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，水化反應(yīng)幾乎不發(fā)生，細(xì)小顆粒發(fā)揮微集料效應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)度，提高了早期強(qiáng)度；水泥砂漿經(jīng)歷早期凍害后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，其細(xì)小顆粒的比表面積大，其水泥砂漿的后期增長(zhǎng)較快；說(shuō)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(qiáng)度。

2.2 粒度正態(tài)分布的粉煤灰對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

(1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強(qiáng)度

如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度略低于對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度，且增長(zhǎng)緩慢，只有3d時(shí)，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗壓強(qiáng)度高于對(duì)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(qiáng)度較好。

由此可見(jiàn)，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(qiáng)度，而不利于其后期抗壓強(qiáng)度的提高。

(2)恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 -10℃養(yǎng)護(hù)下對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強(qiáng)度

如圖4所示，恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，對(duì)照組及粉煤灰粒度正態(tài)分布的砂漿抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度高于對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度，只有-3+3d時(shí)，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布的抗壓強(qiáng)度都低于對(duì)照組的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度是最好的一組，其后期增長(zhǎng)最快，強(qiáng)度最高。

由此說(shuō)明，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)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(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。

2.3 不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥砂漿的SEM微觀分析

掃描電鏡微觀形貌測(cè)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(jìn)一步解釋說(shuō)明粉煤灰的粒度分布對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度影響。

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d以及在恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)-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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件

圖6 恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件

從圖5中可以看到，7d齡期時(shí)，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(shuō)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(jìn)水泥水化，且小顆粒的粉煤灰比表面積大易促進(jìn)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(jìn)行，有效降低水泥砂漿孔隙率，提高了結(jié)構(gòu)密實(shí)度，促進(jìn)強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

從圖6分析可知，-3+7d齡期下的水泥砂漿先在恒負(fù)溫條件下養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(hù)溫度的提高會(huì)使水化速度明顯提高，但仍會(huì)導(dǎo)致水泥砂漿的力學(xué)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(xì)微裂紋，說(shuō)明其密實(shí)性一般。

3 結(jié)論

(1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿強(qiáng)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(qiáng)度總體高于對(duì)照組強(qiáng)度，粉煤灰粒度呈正態(tài)分布(μ=12.5)的水泥砂漿早期強(qiáng)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(qiáng)度。

(2)恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰粒度分布對(duì)水泥砂漿強(qiáng)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(qiáng)度高于對(duì)照組的強(qiáng)度。

(3)在早期，在恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂漿抗折強(qiáng)度幾乎高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的水泥砂漿抗折強(qiáng)度；而在恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂漿抗壓強(qiáng)度幾乎都低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為平緩。