含粉煤灰或石英粉的復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律
摘要：用細(xì)度基本相同的粉煤灰和石英粉作為活性和惰性礦物摻和料，研究了在不同水膠比、不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下，礦物摻和料的種類(lèi)和摻量對(duì)于復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響。在水化初期，顆粒形貌等物理因素比反應(yīng)程度等化學(xué)因素更能影響含有礦物摻和料的復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度發(fā)展特性，活性與惰性礦物摻和料的作用基本相同。熱激發(fā)能明顯促進(jìn)粉煤灰的火山灰反應(yīng)，有利于含粉煤灰的復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度發(fā)展。含大摻量粉煤灰的復(fù)合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長(zhǎng)時(shí)間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：粉煤灰；石英粉；復(fù)合膠凝材料：抗壓強(qiáng)度
粉煤灰是目前使用量最大的礦物摻和料，廣泛用于混凝土的配制。沈旦申【1】在1981年提出了“粉煤灰效應(yīng)”假說(shuō)，比較確切地評(píng)價(jià)了粉煤灰的品質(zhì)并選擇最佳摻量，達(dá)到按指定性能設(shè)計(jì)摻粉煤灰混凝土的配合比的目的。人們一般將粉煤灰效應(yīng)歸結(jié)為3個(gè)效應(yīng)的綜合：火山灰反應(yīng)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和顆粒形態(tài)效應(yīng)。火山灰反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)，其余2種效應(yīng)是物理作用。大量的研究工作[2-3]側(cè)重于探討粉煤灰的化學(xué)活性，并探尋化學(xué)激發(fā)劑，試圖激發(fā)粉煤灰的化學(xué)活性，提高粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度，增強(qiáng)粉煤灰的作用效果。
水化初期，粉煤灰的火山灰反應(yīng)很慢，反應(yīng)程度很低。Wang等[4]測(cè)定了復(fù)合膠凝材料漿體中Ca（OH）2含量的變化，發(fā)現(xiàn)：在7d時(shí)，粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度約6%;1年后，該數(shù)值高于20%.胡曙光等【5】提出：用等效結(jié)合水含量和粉煤灰的水化影響因子來(lái)定性和定量分析粉煤灰在水化初期對(duì)水泥水化的促進(jìn)或抑制作用以及作用大小，他們發(fā)現(xiàn)：在28d時(shí)，粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度不大于2%.
粉煤灰對(duì)復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度發(fā)展的影響除了火山灰反應(yīng)以外，微集料填充的物理作用也非常重要。Mehta[6]測(cè)定了11種摻加粉煤灰的砂漿強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)：低鈣粉煤灰的活性正比于小于10μm顆粒含量；反比于大于45μm顆粒含量。蔣永惠等【7】的研究表明：粉煤灰粉體性能顯著影響粉煤灰水泥的強(qiáng)度。粉煤灰中10~20pm顆粒含量與水泥強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度最大；30μm以下顆粒有較大關(guān)聯(lián)度；大于30μm顆粒與水泥強(qiáng)度負(fù)相關(guān)。Payá等[8]研究了在28d時(shí)不同摻量下，4種不同細(xì)度粉煤灰與原狀灰對(duì)于水泥膠砂強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：顆粒粒徑均小于100μm的分選粉煤灰與原狀灰在摻量小于30%時(shí)，28d的強(qiáng)度值與純水泥強(qiáng)度相當(dāng)；摻量為45%和60%時(shí)，強(qiáng)度則顯著降低，其中：在任何摻量下，顆粒粒徑均大于50μm的分選粉煤灰試驗(yàn)組的強(qiáng)度都顯著低于其他組的。摻量為60%時(shí)，粉煤灰顆粒平均粒徑與膠砂抗壓強(qiáng)度有很好的線性反比關(guān)系。
為了探討粉煤灰的火山灰反應(yīng)和微集料填充作用對(duì)于復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度性能的影響，實(shí)驗(yàn)中對(duì)比研究了摻加粉煤灰或惰性礦物摻和料石英粉的復(fù)合膠凝材料砂漿在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1原材料
實(shí)驗(yàn)用水泥為混凝土外加劑性能檢測(cè)專用基準(zhǔn)水泥；粉煤灰為內(nèi)蒙古元寶山發(fā)電廠生產(chǎn)的“輝珠牌”一級(jí)粉煤灰，需水量比95%;石英粉由純石英砂磨細(xì)而得；減水劑為Sika公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑Viscocrete 3301.水泥與粉煤灰的化學(xué)組成見(jiàn)表1.
圖1 粉煤灰與石英粉的粒度分布
用BT-9300型激光粒度分析儀對(duì)水泥、粉煤灰和石英粉進(jìn)行粒度分析。粒徑累計(jì)百分含量與區(qū)間百分含量如圖l所示。由圖1可以看出：在0.1~15μm.粒徑范圍內(nèi)，石英粉的顆粒含量略高于粉煤灰的；在大于15μm粒徑范圍內(nèi)，石英粉的顆粒含量則略低于粉煤灰的。因此，石英粉的粒度比粉煤灰的稍細(xì)，但相差不大。在所用的3種材料中，水泥的顆粒最細(xì)。
1.2膠砂強(qiáng)度的測(cè)定
參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測(cè)定復(fù)合膠凝材料膠砂抗壓強(qiáng)度。采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3,水膠比（w/b）分別為0.36、0.43和0.50.試件尺寸為40mmx40mmx160mm.強(qiáng)度測(cè)定齡期為1,3,7,28,90d以及180d.膠砂抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中復(fù)合膠凝材料的組成見(jiàn)表2,其中F組為摻加粉煤灰的樣品，Q組為摻加石英粉的樣品。為了調(diào)整砂漿的工作性，w/b=0.36的試驗(yàn)組添加了高效減水劑，用量為l%膠凝材料質(zhì)量。
采用2種養(yǎng)護(hù)條件。除了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件外，還采用高溫養(yǎng)護(hù)條件：成型后的試件在溫度為（20±1）℃，相對(duì)濕度大于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24h,脫模。然后，將試件放入65℃的水中養(yǎng)護(hù)至14d后取出，再置于20℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期：28,90d,180d.[Page]
2 結(jié)果與討論
圖2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下各樣品的膠砂抗壓強(qiáng)度發(fā)展
2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下各樣品膠砂抗壓強(qiáng)度發(fā)展的規(guī)律
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，各樣品膠砂抗壓強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2.在7d以內(nèi)，摻加粉煤灰與摻加石英粉的樣品，只要摻量和w/b相同，其抗壓強(qiáng)度基本相同。隨水化齡期延長(zhǎng)，摻量為25%的樣品，其抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律仍基本相同，難于區(qū)分活性礦物摻和料與惰性礦物摻和料。對(duì)于摻量為50%的樣品，F(xiàn)組樣品的抗壓強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展，到180d時(shí)已接近或超過(guò)純水泥樣品的抗壓強(qiáng)度；Q組樣品的抗壓強(qiáng)度發(fā)展逐漸趨于停頓。
有3個(gè)因素可影響復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度發(fā)展：w/b、礦物摻和料的摻加比例和種類(lèi)。前2個(gè)因素對(duì)于強(qiáng)度發(fā)展有明顯影響：隨w/b下降，膠砂抗壓強(qiáng)度隨之增高；礦物摻和料的摻加比例增加，則膠砂抗壓強(qiáng)度下降。無(wú)論是粉煤灰或是石英粉，在水化初期都可以看作惰性摻和料，不參與水化反應(yīng)。這相應(yīng)增大了水泥的實(shí)際水灰比，這種稀釋效應(yīng)將提高水泥的水化程度。在較高w/b條件下，膠砂內(nèi)部空隙率較高，水泥水化程度的提高增加了水化產(chǎn)物的相對(duì)含量，提高了膠砂樣品的密實(shí)度，有利于促進(jìn)膠砂強(qiáng)度發(fā)展。在w/b=0.50時(shí)，礦物摻和料摻加比例為25%的樣品F1和樣品Q1與純水泥樣品C相比，其各齡期相對(duì)強(qiáng)度都高于75%,即：石英粉也表現(xiàn)出活性摻和料的特征。在較長(zhǎng)齡期，水泥的水化反應(yīng)趨于停止，Q組樣品的膠砂內(nèi)部孔隙率不再變化，強(qiáng)度不再增長(zhǎng)。但是，F(xiàn)組中的粉煤灰仍可繼續(xù)發(fā)生火山灰反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步密實(shí)，所以，F(xiàn)組樣品的抗壓強(qiáng)度在后期持續(xù)增長(zhǎng)，含50%粉煤灰的樣品F2,在180d時(shí)的抗壓強(qiáng)度可達(dá)純水泥的89%;含25%粉煤灰的樣品F1,在180d時(shí)的抗壓強(qiáng)度可達(dá)純水泥的106%.在較低水膠比條件下，初始的膠砂內(nèi)部密實(shí)度就較高，水化產(chǎn)物填充孔隙促使強(qiáng)度增長(zhǎng)的作用較小。因此，樣品F1和樣品Ql的抗壓強(qiáng)度一直到180d都基本相同。當(dāng)?shù)V物摻和料的摻加比例較大（50%）時(shí)，體系內(nèi)生成的水化產(chǎn)物量較少，粘結(jié)作用較弱，內(nèi)部孔隙率較高，因而在水泥的水化反應(yīng)基本結(jié)束后，其抗壓強(qiáng)度仍然較低。對(duì)于含惰性摻和料的樣品Q2,由于不再生成新的水化產(chǎn)物，其抗壓強(qiáng)度不再發(fā)展。對(duì)于含活性摻和料的樣品F2,其所含粉煤灰的持續(xù)火山灰反應(yīng)所生成的新的水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)繼續(xù)密實(shí)，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度在后期仍然明顯增長(zhǎng)，在低水膠比條件下，180d的抗壓強(qiáng)度甚至超過(guò)純水泥的。隨著齡期延長(zhǎng)，逐漸顯現(xiàn)出粉煤灰的火山灰反應(yīng)對(duì)于抗壓強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用，樣品Q2的后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展速率逐漸低于樣品F2的，兩者的差異越來(lái)越大。
礦物摻和料的種類(lèi)僅對(duì)大摻量礦物摻和料樣品的后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展有影響，在摻加比例適當(dāng)（25%）時(shí)，礦物摻和料的種類(lèi)對(duì)于復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展沒(méi)有影響。石英粉是惰性的礦物摻和料，不參與水化反應(yīng)，僅通過(guò)微集料的物理填充作用影響膠砂的抗壓強(qiáng)度發(fā)展。由于樣品F1和樣品Q1的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本相同，所以，此時(shí)粉煤灰的作用也以微集料的物理填充作用為主，即使粉煤灰顆粒表面已開(kāi)始發(fā)生火山灰反應(yīng)，但它對(duì)于抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)作用很小。石英粉顆粒是無(wú)規(guī)則外形的多棱狀顆粒，與其它顆粒的嵌鎖功能強(qiáng)于球狀粉煤灰顆粒的（見(jiàn)圖3）。這種形貌效應(yīng)在水化反應(yīng)程度尚低、低水膠比的樣品的早期硬化過(guò)程中特別重要，所以，樣品Q1在低水膠比時(shí)，其1d的抗壓強(qiáng)度稍高于樣品F1的。
圖3礦物摻和料顆粒形貌
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2.2高溫養(yǎng)護(hù)條件下各樣品膠砂抗壓強(qiáng)度發(fā)展的規(guī)律
經(jīng)過(guò)高溫（65±2）℃養(yǎng)護(hù)14d的樣品膠砂抗壓強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)：早期的熱養(yǎng)護(hù)提高了含有粉煤灰的復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度，但是，對(duì)于含有石英粉的復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度發(fā)展的影響很小。F組樣品的強(qiáng)度明顯高于同摻量的Q組樣品的。在熱激發(fā)作用下，粉煤灰的火山灰反應(yīng)提前進(jìn)行，其反應(yīng)程度也大大提高。相對(duì)于僅有微集料填充作用的石英粉，具有火山灰效應(yīng)和微集料填充作用雙重功效的粉煤灰，對(duì)于復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度的促進(jìn)作用大為加強(qiáng)。在高溫環(huán)境中，雖然膠凝材料的水化反應(yīng)加快，但其漿體的微觀結(jié)構(gòu)卻較為疏松。因此，雖然高溫養(yǎng)護(hù)的試件的早期強(qiáng)度提高了，但其后期強(qiáng)度卻不繼續(xù)增長(zhǎng)，180d強(qiáng)度甚至稍低于常溫養(yǎng)護(hù)試件的。低水膠比條件下，在粉煤灰含量50%的樣品中，水泥的含量降低，但所生成的水化產(chǎn)物仍能產(chǎn)生足夠的膠凝能力，體系中又有大量表面已經(jīng)水化的粉煤灰微粒填充其孔隙，其漿體結(jié)構(gòu)較為理想，從而強(qiáng)度大幅度提高，接近同樣養(yǎng)護(hù)溫度條件下純水泥的水平。所以，含有大量粉煤灰的復(fù)合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長(zhǎng)時(shí)間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
圖4高溫養(yǎng)護(hù)條件下各樣品的膠砂強(qiáng)度發(fā)展
3 結(jié) 論
在水化初期，粉煤灰主要以物理填充的作用影響復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展性能，其火山灰效應(yīng)只有到水化后期才逐漸顯現(xiàn)。此時(shí)，顆粒形貌等物理因素比反應(yīng)程度等化學(xué)因素更能影響復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性，活性與惰性礦物摻和料的作用基本相同。
熱激發(fā)能明顯促進(jìn)粉煤灰的火山灰反應(yīng)，有利于含粉煤灰的復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展，但對(duì)含惰性礦物摻和料的復(fù)合膠凝材料的抗壓強(qiáng)度性能影響很小。大摻量粉煤灰復(fù)合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長(zhǎng)時(shí)間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
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