添加外加劑的水泥粉煤灰基層結合料性能研究

李 懿，王連俊，陳明哲，李培君

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044;2.交通部公路科學研究院新橋公司，北京100088;3.徐州空軍學院，江蘇徐州221000)

水泥粉煤灰土和水泥粉煤灰穩定級配粒料形成的半剛性基層具有整體性好、水穩性好、強度發展持久和投入費用低的特點，是目前我國道路結構中常用的路面基層材料［1-2］。但實踐中發現，這類材料早期強度偏低，強度形成緩慢，如果采用的粉煤灰品質不良、活性較低時，強度的形成則需要更長的時間。同時水泥粉煤灰穩定基層容易發生收縮開裂，形成瀝青面層的反射縫，影響路面的使用壽命［3-4］。

在水泥粉煤灰基層中摻入一種或幾種化學外加劑，使其內部發生一系列化學反應，激發水泥粉煤灰的活性，充分發揮化學外加劑之間和化學外摻劑與水泥粉煤灰之間的疊加效應，有利于促進水泥粉煤灰類基層材料強度的形成和抗裂性能的提高［5］。

筆者以水泥粉煤灰結合料為試驗對象，探討N型激活劑和U型膨脹劑的外摻形式和摻量對水泥粉煤灰結合料性能的影響，得到外加劑的外摻形式和摻量的試驗結論。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 水泥

采用陜西省耀縣水泥廠生產的秦嶺牌P.O.32.5水泥，其3天抗壓強度為17.4 MPa，抗折強度為3.6 MPa;初凝時間為2 h 1 min，終凝時間為2 h 36 min，符合 GB175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》標準，記為C。

1.1.2 粉煤灰

采用甘肅省平涼電廠生產的粉煤灰，外觀呈淺灰褐色，松散狀，S2O3含量 2.38%，密度 2.347 g/cm3，符合JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術規范》對粉煤灰性質的要求，記為F。其主要化學成分如表1。

1.1.3 膨脹劑

采用西安市紅旗混凝土外加劑廠生產的UEA-S高效膨脹劑，記為U。它是由硅鋁復鹽、氧化鋁、硫酸鈣等無機化合物特制而成的灰白色粉末，細度小于10%。與其他膨脹劑相比，其堿含量較低(0.4%)，有利于防止堿-骨料反應，提高混凝土的耐久性。其主要化學成分如表1。

表1 原材料的化學組成Tab.1 Chemical constituents of raw materials /%

1.1.4 激活劑

采用產自西安化學試劑廠試驗小瓶裝500 g專用激活劑，主要成分為無水 Na2CO3，純度達到99.8%以上，記為N。符合試驗用純度要求。

1.2 試驗方法

水泥和粉煤灰摻量一定，改變化學外加劑摻量，依據JTJ 057—94《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的要求［6］，成型 Ф5 cm×5 cm的圓柱試件和5 cm×5 cm×24 cm的小梁試件，養生7、28天，測定水泥粉煤灰結合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉強度和抗彎拉模量［7］。

1.3 配合比

各外加劑的摻量較小，對混合料干密度影響可以忽略不計。水泥粉煤灰的比例取1∶2，采用輕型擊實試驗得到水泥粉煤灰結合料的最佳含水量為15.18%，最大干密度為 1.671 g/cm3。

以水泥粉煤灰作為基準試驗，水泥粉煤灰的比例為1∶2時，分別對單摻1%和2%N型激活劑，單摻1%，2%，3%U型膨脹劑和雙摻不同摻量的N型激活劑與U型膨脹劑進行試驗具體試驗配合比和試驗結果如表2。

表2 摻不同化學外加劑結合料的配比和強度Tab.2 Mixture ratio and strength of binder with different chemical activators

2 試驗結果分析

2.1 化學外加劑對水泥粉煤灰結合料無側限抗壓強度的影響

不同化學外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結合料的無側限抗壓強度的關系如圖1。

圖1 摻不同外加劑混合料的無側限抗壓強度曲線Fig.1 Unconfined compressive strength curve of binder with different chemical activators

從圖1看出，化學外加劑對水泥粉煤灰結合料的無側限抗壓強度有大幅提高，不同外摻形式的水泥粉煤灰結合料的無側限抗壓強度隨著外加劑摻量的增大而增大。7天無側限抗壓強度最大值按由大到小的順序排列為CFNU1＞CFNU2＞CFU＞CFN。28天無側限抗壓強度最大值按由大到小的順序排列為CFNU2＞CFNU1＞CFU＞CFN。N型外加劑和U型外加劑的雙摻效果優于單摻。復合外摻1%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU1-3的7天無側限抗壓強度較高，比不摻外加劑的水泥粉煤灰結合料提高66%;復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3的28天無側限抗壓強度最高，比不摻外加劑的水泥粉煤灰結合料提高98%。

2.2 化學外加劑對水泥粉煤灰結合料劈裂強度的影響

劈裂強度是材料間接受拉破壞的外加力，所以劈裂強度在一定程度上體現了材料對受拉破壞的抵抗能力，同時半剛性基層的收縮開裂也是由于受到大于等于極限拉應力而破壞，所以劈裂強度也一定程度上體現了半剛性材料抗裂性能［8］。一般而言，材料劈裂強度大，對收縮的抵抗能力強;反之亦然。同時材料劈裂強度隨著抗壓強度增加而增大，減小而減小。不同化學外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結合料的劈裂強度的關系如圖2。

圖2 摻不同外加劑混合料的劈裂強度曲線Fig.2 Cleavage strength curve of binder with different chemical activators

從圖2看出，7天和28天劈裂強度最大值按由大到小的順序排列為 CFNU2＞CFNU1＞CFU＞CFN。外加劑對水泥粉煤灰結合料的劈裂強度有大幅提高，28天的劈裂強度的提高率大于7天的劈裂強度。N型激活劑和U型膨脹劑的雙摻的劈裂強度遠大于單摻。與不摻外加劑的水泥粉煤灰結合料的劈裂強度相比，復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3的7天劈裂強度提高2.1倍，28天劈裂強度提高2.8倍;復合外摻1%N型激活劑、2%U型膨脹劑結合料CFNU1-2的7天劈裂強度提高1.7倍，28天劈裂強度提高2倍;單摻3%U型膨脹劑結合料CFU3的7天劈裂強度提高86%，28天劈裂強度提高1.4倍;單摻2%N型激活劑結合料CFN2的7天劈裂強度提高43%，28天劈裂強度提高90%。

2.3 化學外加劑對水泥粉煤灰結合料抗彎拉強度的影響

不同化學外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結合料的抗彎拉強度的關系如圖3。

圖3 摻不同外加劑混合料的抗彎拉強度曲線Fig.3 Flexural tensile strength curve of binder with different chemical activators

從圖3看出，外加劑對水泥粉煤灰結合料的抗彎拉強度隨著外加劑摻量的增大而增大，水泥粉煤灰結合料CFNU2的7天抗彎拉強度遠大于其他3種，水泥粉煤灰結合料CFN的28天抗彎拉強度遠小于其他3種。與不摻外加劑的水泥粉煤灰結合料的抗彎拉強度相比，復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3的7天抗彎拉強度提高28.4%，復合外摻1%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU1-3、單摻3%U型膨脹劑結合料CFU3和單摻2%N型激活劑結合料CFN2的7天抗彎拉強度分別提高10.6%、11.3%和8.5%;單摻2%N型激活劑結合料CFN2的28天抗彎拉強度僅提高8%，復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3、復合外摻1%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU1-3和單摻3%U型膨脹劑結合料CFU3的28天抗彎拉強度提高20%左右。

2.4 化學外加劑對水泥粉煤灰結合料彎拉模量的影響

不同化學外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結合料的彎拉模量的關系如圖4。

圖4 摻不同外加劑混合料的彎拉模量曲線Fig.4 Flexural tensile modulus curve of binder with different chemical activators

從圖4看出，外加劑對水泥粉煤灰結合料的彎拉模量大幅減小，7天彎拉模量的降低率大于28天的彎拉模量。外加劑對水泥粉煤灰結合料的7天彎拉模量隨著外加劑摻量的增大有先減小稍增大的趨勢，28天彎拉模量隨著外加劑摻量的增大而減小。7天和28天彎拉模量最小值按由小到大的順序排列為CFNU2＜CFU＜CFNU1＜CFN。單摻1%N型激活劑結合料CFN1的7天彎拉模量減小6.3%，復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3、復合外摻1%N型激活劑、2%U型膨脹劑結合料CFNU1-2和單摻2%U型膨脹劑結合料CFU2的7天抗彎拉強度分別降低19%，16.8%，18.6%;復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3的28天彎拉模量減小12%，單摻2%N型激活劑結合料CFN2的28天彎拉模量減小5.7%。

3 微觀形貌特征及分析

在力學性能分析的基礎上，選取各化學外加劑單摻和雙摻的最佳劑量制備水泥粉煤灰試件(單摻2%N型激活劑的結合料CFN2、單摻3%U型膨脹劑的結合料CFU3和復合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結合料CFNU2-3)，并與基準的水泥粉煤灰試件(CF)比較，采用SEM觀察水泥粉煤灰的水化產物、結構和形貌如圖5。

圖5 各種水泥粉煤灰試件的SEM圖Fig.5 SEM images of cement and fly ash specimens

由圖5(a)、圖5(b)可看出，水泥粉煤灰水化后生成大量的絮狀水化硅酸鈣凝膠、細長的鈣礬石晶體、還有層狀的CH Ca(OH)2晶體，水化產物之間存在很大的孔隙。7天時有明顯的CH和一定的水化C-S-H凝膠，并且還有少量的AFt生成;28天時C-S-H凝膠和AFt增多，CH有一些增長。綜觀整個水化產物區域，很少發現纖維狀或者長針狀凝膠產物。

由圖5(c)、圖5(d)可以看出，加入N型激活劑后，為材料提供有利的堿性環境，水化產物明顯多于基準結合料，包括密集的細長鈣礬石晶體，掃帚狀C-S-H凝膠，板塊柱狀的CH晶體，同時加速了CH的碳化反應。隨齡期的增長纖維狀晶體聯結成整體附著在未水化粉煤灰顆粒表面，生成大量的C-S-H凝膠和AFt。有一些孔隙。

由圖5(e)、圖5(f)可以看到，加入U型膨脹劑后，生成大量膨脹性的結晶水化產物——水化硫鋁酸鈣，即鈣礬石。鈣礬石自身通過針狀晶體間的相互交聯，將許多顆粒黏連在一起，以較大的板塊柱狀CH晶體為依托，不斷發展填充周圍孔隙，使結構的整體性增強，抗裂性好。

由圖5(g)、圖5(h)可以看到，加入2種外加劑后纖維狀鈣礬石晶體大量產生，明顯多于其他結合料。鈣礬石晶體和板塊柱狀CH晶體膠結在一起，起到膨脹性和增密的作用，礦物外加劑顆粒緊密地排列著，混合料的孔隙率降低，孔結構得到了改善［9］。

4 摻化學外加劑水泥粉煤灰的水化機理

N型激活劑碳酸鈉是堿性較強的化學外加劑，它的作用原理是在水中電離形成CO2-3離子，一方面能有效地強化與Ca(OH)2之間的碳酸化反應，生成水穩性很好的碳酸鈣方解石結構，同時又能和水繼續反應水解出大量OH-，提高水泥粉煤灰結合料內部的堿性環境，促使高聚合態粉煤灰向低聚合態轉變，在較短的時間里溶解出更多的SiO2和Al2O3參與火山灰反應，促進水泥粉煤灰結構的形成。這種作用過程可用化學方程式表示。

1)碳酸鈉水中電離

2)碳酸化反應

3)電離后進一步水解

4)促進粉煤灰解聚

5)火山灰反應

U型膨脹劑在水泥粉煤灰水化過程中生成大量的膨脹性結晶水化物鈣釩石，填充到水泥粉煤灰的孔隙中，堵塞并切斷連通的毛細孔道，加強水泥粉煤灰穩定基層的結合性和致密性;同時產生適度膨脹，抵消水泥粉煤灰的收縮，從而減少水泥粉煤灰因收縮而導致開裂的可能性。其化學反應大致如下:

5 結論

單摻N型激活劑、單摻U型膨脹劑和雙摻N型激活劑與U型膨脹劑3種化學外加劑與水泥粉煤灰結合料有較好的復合疊加效應，對水泥粉煤灰結合料的力學性能有顯著的改善，可得到以下結論:

1)與基準水泥粉煤灰結合料相比，單摻N型激活劑、單摻U型膨脹劑和雙摻N型激活劑與U型膨脹劑3種水泥粉煤灰結合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉強度和彎拉模量都有大幅提高，其中雙摻效果優于單摻。

2)化學外加劑的外摻形式和摻量對水泥粉煤灰結合料的性能有重要影響，綜合比較各性能指標，單摻N型激活劑的最佳劑量為2%，單摻U型膨脹劑的最佳劑量為3%，雙摻時N型激活劑的最佳摻量是2%U型膨脹劑的最佳劑量為3%。在各指標中，水泥粉煤灰劈裂強度的提高最大，無側限抗壓強度次。

3)水泥粉煤灰比例為1∶2，外摻N型激活劑為2%，U型膨脹劑為3%的水泥粉煤灰基層結合料能較好的發揮作用，實現了高強度和低模量，具有較強的抵抗開裂能力。

4)通過SEM測試可知，N型激活劑為火山灰反應提供了有利的堿性環境，有利于水化產物的生成;U型膨脹劑直接參與反應，使材料致密化;外摻N型激活劑和U型膨脹劑可以減少大孔，增多小孔、微孔，明顯的降低了多害孔和有害孔的含量，同時生成大量的膨脹性結晶水化物鈣釩石，不斷發展填充周圍孔隙，增強整體性和抗裂性。

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