不同養護條件下粉煤灰粒度分布對砂漿力學性能的影響

田 悅

(沈陽城市建設學院 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效應、微集料效應以及化學活性效應，可以影響水化后水泥的礦物質組成和水泥石的結構，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]。

我國寒區面積非常廣闊，隨著我國工程建設規模增大，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境溫度較低會影響到水泥水化進而影響到混凝土凝結硬化，混凝土內部產生裂縫使性能降低，這種“凍傷”是不可恢復的[4]。

經研究，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，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間，測量各個區間的質量占總體粉煤灰的質量百分率，調整各粒度區間的含量使其滿足正態分布，采用標準養護以及恒負溫養護兩種養護方法[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粒度分布，達到保護環境、改善生態環境以及降低生產成本的目的。

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的42.5級普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水；細集料為經過清洗干凈的河砂，屬中砂，細度模數約為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，為白色或淺黃色結晶，易溶于水；酒精為工業酒精，純度為95%，無色透明、易燃易揮發液體。

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]，選用工程數學中最常用的正態分布，研究粉煤灰的粒度分布對水泥砂漿力學性能的影響，優化粉煤灰的粒徑分布。

顆粒呈正態分布時，應符合如下方程：

式中：σ2為遵循正態分布的隨機變量的方差；μ為此隨機變量的均值。

粉煤灰經過標準篩篩分，篩選出11種不同粒度區間的粉煤灰，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。再調整各粒度區間的含量，使其正態分布。

表1 粉煤灰正態分布時各粒度區間的質量百分比(%)

1.3 配合比設計

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

1.4 養護條件與試驗方法

(1)養護條件

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

②恒負溫養護：常溫條件下養護6h，放入(-10±1)°C的冰箱中，拆模時間為24h，養護3d后將試塊由負溫養護轉為標準養護，養護齡期為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，使其滿足正態分布，粉煤灰以20%的質量取代率替代水泥制成水泥砂漿試件，標準養護至指定齡期后測試其抗折強度，測試結果見圖1。

圖1 標準養護下對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗折強度

如圖1所示，標準養護下，對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗折強度隨著養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分布時，適量提高10～15μm范圍內的粉煤灰摻量，有助于提高水泥砂漿早期的抗折強度，主要因為此區間的粉煤灰比表面積較大，火山灰效應較好，有利于快速參與水化反應，降低有害孔數量，說明摻入粒度呈正態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

恒負溫養護條件下養護至指定齡期后測試其抗折強度，測試結果見圖2。

圖2 負溫養護下對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗折強度

如圖2所示，恒負溫養護條件下，對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗折強度隨著養護時間的增加而增加；粉煤灰粒度呈正態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，正態分布(μ=6.5)的水泥砂漿強度最高。

由此可見，在低溫養護下，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護條件下，水化反應幾乎不發生，細小顆粒發揮微集料效應，增強結構密實度，提高了早期強度；水泥砂漿經歷早期凍害后，標準養護條件下，隨著養護齡期的增長，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 粒度正態分布的粉煤灰對水泥砂漿抗壓強度的影響

(1)標準養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 標準養護下對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗壓強度

如圖3所示，標準養護下，對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗壓強度隨著養護齡期的增加而增加。圖中粉煤灰粒度呈正態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，粉煤灰粒度呈正態分布的抗壓強度高于對照組；其中粉煤灰粒度呈正態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℃養護下對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗壓強度

如圖4所示，恒負溫養護條件下，對照組及粉煤灰粒度正態分布的砂漿抗壓強度隨著養護齡期的增加而增加；圖中粉煤灰粒度呈正態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，在負溫養護條件下，粒度呈正態分布(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的發揮，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的形貌狀態，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。

在標準養護條件下養護7d以及在恒負溫養護-3+7d齡期下粉煤灰粒度正態分布(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 標準養護條件

圖6 恒負溫養護條件

從圖5中可以看到，7d齡期時，大多數分布中的粉煤灰表面光滑，附著在表面的水化產物較少，可以發現粉煤灰主要起到微集料效應，可以觀察到小部分粉煤灰顆粒表面附著水化產物，說明這部分粉煤灰與水泥中堿性物質發生反應，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，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，而水化反應主要在孔隙進行，有效降低水泥砂漿孔隙率，提高了結構密實度，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護3d，使其水化速度減慢，生成少量水化產物結構，隨后標準養護7d，使其生成的水化產物結構變得松散并產生微裂紋，雖然養護溫度的提高會使水化速度明顯提高，但仍會導致水泥砂漿的力學性能降低，可以觀察到少量水化產物附著在粉煤灰顆粒表面，發生了較少火山灰效應，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 結論

(1)在標準養護條件下，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護下的水泥砂漿抗折強度；而在恒負溫養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護下的水泥砂漿抗壓強度，且隨著養護齡期的增長，抗壓強度增長較為平緩。