李曉東，楊林，宋子陽(yáng)，劉晨

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

本文以高強(qiáng)石膏為基本材料，摻入粉煤灰和礦渣制得三元膠凝材料，并通過正交試驗(yàn)對(duì)高強(qiáng)石膏-粉煤灰-礦渣形成的膠凝材料進(jìn)行了抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試，經(jīng)過極差分析與矩陣分析法得到了三者的最佳配合比。以最佳配合比為基礎(chǔ)摻加一定量的納米材料、苧麻纖維、聚丙烯纖維進(jìn)行凍融循環(huán)與軟化試驗(yàn)，研究高強(qiáng)石膏基膠凝材料的耐水性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

高強(qiáng)石膏：主要成分為CaSO4·0.5H2O，荊門丸福長(zhǎng)興石膏有限公司，純度大于95%，初凝時(shí)間3 min，終凝時(shí)間18 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量38%。粉煤灰：蘭州長(zhǎng)盛源粉煤灰有限責(zé)任公司；礦渣：S95級(jí)，鞏義市元亨凈水材料廠，粉煤灰及礦渣的主要化學(xué)成分見表1。納米二氧化鈦：析標(biāo)生物科技有限公司，氣相二氧化鈦，粒徑30 nm。納米二氧化硅：析表生物科技有限公司，銳鈦型二氧化鈦，粒徑15 nm。苧麻纖維：三毛紡織有限責(zé)任公司，長(zhǎng)度15 mm。聚丙烯纖維：贛州大業(yè)金屬纖維有限公司，長(zhǎng)度25 mm，直徑1 mm。

表1 粉煤灰與礦渣的主要化學(xué)成分 %

1.2 試件制備與測(cè)試方法

（1）試件制備

根據(jù)正交試驗(yàn)方案將高強(qiáng)石膏、粉煤灰、礦渣以不同配合比在水泥砂漿攪拌機(jī)中攪拌均勻，按該組設(shè)定的水膠比稱量自來水，再次攪拌均勻成膠凝狀。將攪拌均勻的膠凝材料倒入40 mm×40 mm×160 mm的試模中振動(dòng)成型，自然條件下靜置24 h后脫模，在混凝土恒溫養(yǎng)護(hù)箱[溫度為（20±1）℃]的條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

（2）測(cè)試方法

試件抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》，所用儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（DW-300J，上海華龍儀器測(cè)試有限公司），所使用的抗折夾具和抗壓夾具由無錫市中科建材儀器有限公司所生產(chǎn)；電鏡測(cè)試：采用日本電子光學(xué)公司生產(chǎn)的JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡；軟化系數(shù)：參照J(rèn)C/T 698—2010《石膏砌塊》進(jìn)行測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方案

本正交試驗(yàn)以高強(qiáng)石膏摻量、粉煤灰摻量、水膠比為3個(gè)變量因素，礦渣摻量隨高強(qiáng)石膏和粉煤灰摻量的變化而調(diào)整，各因素選取5個(gè)水平。正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。算取最優(yōu)配合比后，以最優(yōu)配合比為基礎(chǔ)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)、軟化試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)后稱取恒重，浸水2 d，再稱取其質(zhì)量記錄，-20℃冷凍4 h，20℃水中解凍4 h，以此為一個(gè)凍融循環(huán)，進(jìn)行15次凍融循環(huán)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后浸水2 d，進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試，計(jì)算軟化系數(shù)。

在完成煤壁填充后4種小顆粒之間形成黏結(jié)鍵，便可以形成一個(gè)由眾多小單元組成的煤壁物理模型。當(dāng)黏結(jié)的顆粒群受到外部作用力時(shí)，依據(jù)離散單元法，根據(jù)牛頓第二定律在單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)顆粒的位移與轉(zhuǎn)角進(jìn)行更新，此時(shí)黏結(jié)鍵上會(huì)受到力與力矩的作用，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的黏結(jié)鍵最大法向應(yīng)力σmax和切向應(yīng)力τmax時(shí)，黏結(jié)鍵斷裂，以此來模擬煤壁的截割過程。顆粒黏結(jié)參數(shù)設(shè)置如下：法向剛度系數(shù)4×107 N/m；切向剛度系數(shù)4×106 N/m；最大正應(yīng)力2.1×106 Pa；最大剪應(yīng)力2.1×106 Pa。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

本文中的膠凝材料由高強(qiáng)石膏、粉煤灰、礦渣三部分組成，通過改變高強(qiáng)石膏和粉煤灰的摻量來決定礦渣摻量，再加上水膠比這一因素，以此組成了25種不同配比的高強(qiáng)石膏基膠凝材料，分別進(jìn)行7、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試。各組試樣不同齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度見表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3可見，各組試件的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均大于10 MPa，而7 d抗折強(qiáng)度除少數(shù)幾組摻量的配合比相對(duì)于其他組別較為不合理，未到達(dá)3 MPa（5、8、9、10、20、25），其余均大于3 MPa，28 d抗折強(qiáng)度均大于3 MPa，滿足GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》和GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定值。

2.1 高強(qiáng)石膏基膠凝材料最佳配合比的極差分析

本文運(yùn)用極差分析來分析各個(gè)因素對(duì)不同齡期抗壓、抗折強(qiáng)度的影響程度。正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

由表4可知：

（1）影響高強(qiáng)石膏基膠凝材料抗壓強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋核z比>高強(qiáng)石膏摻量>粉煤灰摻量；影響高強(qiáng)石膏基膠凝材料抗折強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋焊邚?qiáng)石膏摻量>水膠比>粉煤灰摻量。無論是7 d還是28 d抗壓強(qiáng)度，隨著高強(qiáng)石膏摻量的增加，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度呈先提高再下降的趨勢(shì)，在摻量為44%時(shí)，不同齡期下試件的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高，而且隨著膠凝材料水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，28 d抗壓強(qiáng)度相較于7 d增長(zhǎng)率為32.3%；隨著粉煤灰摻量的增加，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度同樣呈先提高再下降的趨勢(shì)，7、28 d齡期下粉煤灰的最佳摻量均為34%，28 d相較于7 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為23.7%；水膠比的增大使得試件的抗壓強(qiáng)度下降，當(dāng)水膠比為0.30時(shí)的抗壓強(qiáng)度比水膠比為0.42所對(duì)應(yīng)的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了77%、66%。

（2）對(duì)于高強(qiáng)石膏摻量對(duì)膠凝材料抗折強(qiáng)度的影響，不同齡期的最佳高強(qiáng)石膏的摻量并不相同，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，最佳摻量為46%，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，最佳摻量為48%，28 d相較于7 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率為60%；此時(shí)粉煤灰的最佳摻量分別為32%和34%，綜合考慮不同指標(biāo)下的各因素的最佳摻量，高強(qiáng)石膏在7 d和28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)下的最佳摻量為44%。而在7 d抗折強(qiáng)度指標(biāo)下，高強(qiáng)石膏的最佳摻量為46%，其次為44%，在28 d抗折強(qiáng)度指標(biāo)下高強(qiáng)石膏的最佳摻量為46%，其次也為44%，所以高強(qiáng)石膏的最佳摻量為44%。粉煤灰在不同齡期抗壓強(qiáng)度指標(biāo)下最佳摻量均為34%，28 d抗折強(qiáng)度下的最佳摻量也為34%，所以選擇34%為粉煤灰的最佳摻量。由表4的數(shù)據(jù)可知，水膠比這一因素對(duì)膠凝材料的抗壓強(qiáng)度影響較大，而且在28 d時(shí)，水膠比為0.30時(shí)，膠凝材料的抗折強(qiáng)度最大，而且表4的數(shù)據(jù)也顯示，在水膠比為0.30和0.36時(shí)，試件的7 d抗折強(qiáng)度相差不大，所以膠凝材料的最佳水膠比為0.30。綜上所述，高強(qiáng)石膏基膠凝材料的最佳配比為m（高強(qiáng)石膏）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）為44∶34∶22，水膠比為0.30。

2.2 方差分析

方差分析檢驗(yàn)各因素影響的顯著性和誤差對(duì)試驗(yàn)的影響，對(duì)不同齡期下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，并求出了檢驗(yàn)值F，通常F＞F（0.001）時(shí)為該因素特別顯著，記為**，F(xiàn)（0.001）＞F＞F（0.01）時(shí)為顯著，記為*，F(xiàn)（0.01）＞F時(shí)為有一定影響[10]，記為-。方差分析結(jié)果見表5。

表5 方差分析結(jié)果

由表5可知：（1）試驗(yàn)的各組誤差均比各因素小，表明了誤差對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果影響不明顯；（2）水膠比對(duì)7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響特別明顯，其次是高強(qiáng)石膏，粉煤灰對(duì)膠凝材料試件的抗壓強(qiáng)度影響不明顯；（3）高強(qiáng)石膏對(duì)不同齡期下膠凝材料的抗折強(qiáng)度影響明顯，在7 d時(shí)，水膠比對(duì)試件的抗折強(qiáng)度僅次于高強(qiáng)石膏，隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰和水膠比對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響接近。（4）對(duì)比極差分析和方差分析中各因素的R值和F值，可以看出兩項(xiàng)分析所顯示的結(jié)果一致。

2.3 最佳配合比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證矩陣分析法驗(yàn)證所得最佳配合比的正確性，對(duì)最優(yōu)配合比進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)，并分別測(cè)得該配合比的7、28 d抗 壓 強(qiáng) 度 為24.7、27.4 MPa，7、28 d抗 折 強(qiáng) 度 為5.7、10.3 MPa。對(duì)比表3中不同齡期的抗折和抗壓強(qiáng)度，最佳配合比所得的試驗(yàn)結(jié)果雖不是正交試驗(yàn)結(jié)果中最優(yōu)的，但是對(duì)比最佳配合比的4個(gè)指標(biāo)可知，最佳配合比試驗(yàn)結(jié)果較均衡，同時(shí)也驗(yàn)證了極差分析和方差分析中得到的最優(yōu)配合比是正確的。

3 凍融與軟化性能試驗(yàn)

3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)及分析

以最優(yōu)配合比為基礎(chǔ)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，探究納米材料對(duì)用最優(yōu)配合比制成試塊的耐久性能影響，設(shè)置P、T1、T2、T3、S1、S2、S3共7組試塊，試塊為邊長(zhǎng)100 mm的立方試塊，，7組試塊配料以m（高強(qiáng)石膏）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）為44∶34∶22為基礎(chǔ)，水膠比為0.30，摻加納米材料，其中納米二氧化鈦或納米二氧化硅分別以高強(qiáng)石膏質(zhì)量的5%、10%、15%代替石膏摻入試件中，P組為空白組為不摻加納米材料，T1~T3摻加納米二氧化鈦，S1~S3摻加納米二氧化硅。納米TiO2與納米SiO2對(duì)高強(qiáng)石膏基膠凝材料性能的影響見表6。

表6 納米TiO2與納米SiO2對(duì)高強(qiáng)石膏基膠凝材料性能的影響

由表6可知，T1組吸水率最低為3.3%，摻加納米二氧化硅的試塊吸水率相較于摻納米二氧化鈦的試塊，吸水率較大。試塊進(jìn)行凍融試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)摻入5%二氧化硅時(shí)，強(qiáng)度損失為36.0%，較空白組P略有降低，而摻量為10%、15%時(shí)抗壓強(qiáng)度驟減80%以上，摻入少量納米二氧化硅可以減少一定的強(qiáng)度損失，過量的二氧化硅，導(dǎo)致試塊孔隙增大，加速水分子侵入內(nèi)部，在凍融后導(dǎo)致過大的抗壓強(qiáng)度損失，這點(diǎn)在S2、S3的吸水率上也能體現(xiàn)。納米二氧化鈦摻量為5%、15%的T1、T3組凍融后的強(qiáng)度損失較小，強(qiáng)度損失分別為20.14%與18.46%，二氧化鈦摻量為10%的T2組比空白組抗壓強(qiáng)度損失減少9.29%，在凍融循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，石膏基膠凝材料添加了納米材料后吸水率較高，凍融強(qiáng)度損失較多。

3.2 軟化系數(shù)試驗(yàn)

以石膏基膠凝材料最優(yōu)配合比為基礎(chǔ)，摻入納米材料與纖維進(jìn)行軟化系數(shù)試驗(yàn)。設(shè)置N1~N6共6組試件，試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，N1~N6的石膏基膠凝材料配比m（高強(qiáng)石膏）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）為44∶34∶22均相同，N2~N6是在N1的基礎(chǔ)上摻入納米材料或纖維。苧麻纖維與聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)石膏基膠凝材料性能的影響見表7。

表7 苧麻纖維與聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)石膏基膠凝材料性能的影響

單摻苧麻纖維或聚丙烯纖維時(shí)，N2與N3相較于N1不添加纖維的組別其抗壓軟化系數(shù)降低了0.08與0.07，抗折軟化系數(shù)提高了0.02與0.03，混摻苧麻纖維和聚丙烯纖維的N4抗壓軟化系數(shù)較N1空白組僅降低了0.02，抗折軟化系數(shù)提高了0.12，摻適量二氧化硅的N5抗壓軟化系數(shù)較N1空白組抗折軟化系數(shù)提高0.15，抗壓軟化系數(shù)降低了0.05，摻適量二氧化鈦的N6較N1抗折軟化系數(shù)分別提高了0.06，抗壓軟化系數(shù)幾乎不影響。由于摻纖維之后，制作試塊時(shí)，使試塊內(nèi)部難免增加了更多的微量孔隙，在浸水之后，相對(duì)N1吸收了更多的水分，抗軟化能力理論上會(huì)降低，但破壞時(shí)纖維對(duì)試塊抗折能力有一定提升。在石膏基膠凝材料中摻加苧麻纖維、聚丙烯纖維增加了膠凝材料的凝聚力，因此纖維的摻加增加石膏基膠凝材料一定的抗折軟化能力。

4 微觀形貌分析

高強(qiáng)石膏分為α-半水石膏、β-半水石膏，本文選用的是強(qiáng)度更高的α-半水石膏。α-半水石膏作為一種氣硬性膠凝材料，其主要化學(xué)成分為CaSO4·0.5H2O，而礦渣和粉煤灰作為2種潛在的膠凝材料，均含有大量的SiO2和Al2O3。大部分高強(qiáng)石膏作為一種膠凝材料與粉煤灰、礦渣進(jìn)行水化反應(yīng)，從而生成強(qiáng)度較高的鈣礬石[11]，其次小部分的高強(qiáng)石膏以硫酸鹽激發(fā)劑的形式來激發(fā)其余2種材料的膠結(jié)性。而由上文分析可知，高強(qiáng)石膏基膠凝材料的28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均大于7 d強(qiáng)度，說明該膠凝材料的水化反應(yīng)一直在進(jìn)行，這主要是因?yàn)榉勖夯覍倩鹕交屹|(zhì)材料，早期水化活性很差；?；郀t礦渣主要由連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的玻璃體組成，是一種具有潛在水硬性的膠凝材料[12]；粉煤灰和礦渣都具有潛在膠凝活性，所以膠凝材料的水化反應(yīng)一直持續(xù)發(fā)生。為進(jìn)一步探究高強(qiáng)石膏基膠凝材料的水化反應(yīng)機(jī)理和其微觀形態(tài)。本文對(duì)最佳配合比下齡期為28 d的高強(qiáng)石膏基膠凝體材料采用掃描電子顯微鏡（SEM）來對(duì)膠凝材料進(jìn)行微觀分析。圖1為膠凝材料的斷面圖和圖2為膠凝材料的SEM照片。

圖1 膠凝材料受力破壞斷面

圖2 膠凝材料的SEM照片

由圖1可知，膠凝材料緊密地聯(lián)結(jié)形成致密的界面以抵抗外力的作用，膠凝材料受外力破壞時(shí)斷面平整，表明其在發(fā)生破壞后與一般的膠凝材料一樣會(huì)發(fā)生脆斷，不具有很好的延性。

由圖2可知，由高強(qiáng)石膏-粉煤灰-礦渣制備而成的三元膠凝材料在28 d時(shí)已基本完成水化反應(yīng)，其SEM照片上已經(jīng)密布大量層疊而且致密的C-S-H凝膠產(chǎn)物。而且膠凝材料的結(jié)構(gòu)較為致密，只有少許孔隙。這主要是由于3種粒徑不相同，較大的顆粒會(huì)吸附較小的顆粒比如：粉煤灰小顆粒與高強(qiáng)石膏顆粒相互粘接產(chǎn)生“橋聯(lián)作用”，正是由于3種不同粒徑的顆粒的相互聯(lián)結(jié)，這才使得膠凝材料產(chǎn)生了較高的強(qiáng)度而且加入了礦渣也會(huì)使膠凝材料進(jìn)一步產(chǎn)生微集料效應(yīng)。該效應(yīng)對(duì)增強(qiáng)材料的粘聚性和對(duì)防止水分離析產(chǎn)生了明顯的效果。

5 結(jié)論

（1）影響高強(qiáng)石膏基膠凝材料抗壓強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋核z比>高強(qiáng)石膏摻量>粉煤灰摻量；影響高強(qiáng)石膏基膠凝材料抗折強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋焊邚?qiáng)石膏摻量>水膠比>粉煤灰摻量。水膠比對(duì)試件不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響極顯著，高強(qiáng)石膏摻量對(duì)試件不同齡期抗折強(qiáng)度的影響顯著。

（2）高強(qiáng)石膏基膠凝材料的最佳配合比為：m（高強(qiáng)石膏）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=44∶34∶22，水膠比為0.30。最優(yōu)配合比的7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為24.7、27.4 MPa，7、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.75、10.31 MPa。

（3）納米二氧化鈦以5%和15%的石膏替代料摻入試塊，可減少石膏基膠凝材料的凍融抗壓強(qiáng)度損失。添加1.5%的苧麻纖維和1%的聚丙烯纖維可以提高石膏基膠凝材料的抗折軟化系數(shù)。

（4）經(jīng)過對(duì)膠凝材料的水化反應(yīng)機(jī)理和掃描電鏡分析可知，膠凝材料的結(jié)構(gòu)較為致密，高強(qiáng)石膏、粉煤灰和礦渣產(chǎn)生的微集料效應(yīng)和堆疊作用提升了膠凝材料的強(qiáng)度。