添加外加劑的水泥粉煤灰基層結(jié)合料性能研究

李 懿，王連俊，陳明哲，李培君

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

水泥粉煤灰土和水泥粉煤灰穩(wěn)定級配粒料形成的半剛性基層具有整體性好、水穩(wěn)性好、強(qiáng)度發(fā)展持久和投入費用低的特點，是目前我國道路結(jié)構(gòu)中常用的路面基層材料［1-2］。但實踐中發(fā)現(xiàn)，這類材料早期強(qiáng)度偏低，強(qiáng)度形成緩慢，如果采用的粉煤灰品質(zhì)不良、活性較低時，強(qiáng)度的形成則需要更長的時間。同時水泥粉煤灰穩(wěn)定基層容易發(fā)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(xué)外加劑，使其內(nèi)部發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，激發(fā)水泥粉煤灰的活性，充分發(fā)揮化學(xué)外加劑之間和化學(xué)外摻劑與水泥粉煤灰之間的疊加效應(yīng)，有利于促進(jìn)水泥粉煤灰類基層材料強(qiáng)度的形成和抗裂性能的提高［5］。

筆者以水泥粉煤灰結(jié)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(jié)合料性能的影響，得到外加劑的外摻形式和摻量的試驗結(jié)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(chǎn)的秦嶺牌P.O.32.5水泥，其3天抗壓強(qiáng)度為17.4 MPa，抗折強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，記為C。

1.1.2 粉煤灰

采用甘肅省平?jīng)鲭姀S生產(chǎn)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(shù)規(guī)范》對粉煤灰性質(zhì)的要求，記為F。其主要化學(xué)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(chǎn)的UEA-S高效膨脹劑，記為U。它是由硅鋁復(fù)鹽、氧化鋁、硫酸鈣等無機(jī)化合物特制而成的灰白色粉末，細(xì)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(yīng)，提高混凝土的耐久性。其主要化學(xué)成分如表1。

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

1.1.4 激活劑

采用產(chǎn)自西安化學(xué)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(dá)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(xué)外加劑摻量，依據(jù)JTJ 057—94《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)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(yǎng)生7、28天，測定水泥粉煤灰結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)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(jié)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(zhǔn)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(jìn)行試驗具體試驗配合比和試驗結(jié)果如表2。

表2 摻不同化學(xué)外加劑結(jié)合料的配比和強(qiáng)度Tab.2 Mixture ratio and strength of binder with different chemical activators

2 試驗結(jié)果分析

2.1 化學(xué)外加劑對水泥粉煤灰結(jié)合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同化學(xué)外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1。

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

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

2.2 化學(xué)外加劑對水泥粉煤灰結(jié)合料劈裂強(qiáng)度的影響

劈裂強(qiáng)度是材料間接受拉破壞的外加力，所以劈裂強(qiáng)度在一定程度上體現(xiàn)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(yīng)力而破壞，所以劈裂強(qiáng)度也一定程度上體現(xiàn)了半剛性材料抗裂性能［8］。一般而言，材料劈裂強(qiáng)度大，對收縮的抵抗能力強(qiáng);反之亦然。同時材料劈裂強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度增加而增大，減小而減小。不同化學(xué)外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結(jié)合料的劈裂強(qiáng)度的關(guān)系如圖2。

圖2 摻不同外加劑混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(jié)合料的劈裂強(qiáng)度有大幅提高，28天的劈裂強(qiáng)度的提高率大于7天的劈裂強(qiáng)度。N型激活劑和U型膨脹劑的雙摻的劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單摻。與不摻外加劑的水泥粉煤灰結(jié)合料的劈裂強(qiáng)度相比，復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3的7天劈裂強(qiáng)度提高2.1倍，28天劈裂強(qiáng)度提高2.8倍;復(fù)合外摻1%N型激活劑、2%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU1-2的7天劈裂強(qiáng)度提高1.7倍，28天劈裂強(qiáng)度提高2倍;單摻3%U型膨脹劑結(jié)合料CFU3的7天劈裂強(qiáng)度提高86%，28天劈裂強(qiáng)度提高1.4倍;單摻2%N型激活劑結(jié)合料CFN2的7天劈裂強(qiáng)度提高43%，28天劈裂強(qiáng)度提高90%。

2.3 化學(xué)外加劑對水泥粉煤灰結(jié)合料抗彎拉強(qiáng)度的影響

不同化學(xué)外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結(jié)合料的抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖3。

圖3 摻不同外加劑混合料的抗彎拉強(qiáng)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(jié)合料的抗彎拉強(qiáng)度隨著外加劑摻量的增大而增大，水泥粉煤灰結(jié)合料CFNU2的7天抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他3種，水泥粉煤灰結(jié)合料CFN的28天抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他3種。與不摻外加劑的水泥粉煤灰結(jié)合料的抗彎拉強(qiáng)度相比，復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3的7天抗彎拉強(qiáng)度提高28.4%，復(fù)合外摻1%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU1-3、單摻3%U型膨脹劑結(jié)合料CFU3和單摻2%N型激活劑結(jié)合料CFN2的7天抗彎拉強(qiáng)度分別提高10.6%、11.3%和8.5%;單摻2%N型激活劑結(jié)合料CFN2的28天抗彎拉強(qiáng)度僅提高8%，復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3、復(fù)合外摻1%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU1-3和單摻3%U型膨脹劑結(jié)合料CFU3的28天抗彎拉強(qiáng)度提高20%左右。

2.4 化學(xué)外加劑對水泥粉煤灰結(jié)合料彎拉模量的影響

不同化學(xué)外加劑的外摻形式及摻量和其水泥粉煤灰結(jié)合料的彎拉模量的關(guān)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(jié)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(jié)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(jié)合料CFN1的7天彎拉模量減小6.3%，復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3、復(fù)合外摻1%N型激活劑、2%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU1-2和單摻2%U型膨脹劑結(jié)合料CFU2的7天抗彎拉強(qiáng)度分別降低19%，16.8%，18.6%;復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3的28天彎拉模量減小12%，單摻2%N型激活劑結(jié)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(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，選取各化學(xué)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(jié)合料CFN2、單摻3%U型膨脹劑的結(jié)合料CFU3和復(fù)合外摻2%N型激活劑、3%U型膨脹劑結(jié)合料CFNU2-3)，并與基準(zhǔn)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(chǎn)物、結(jié)構(gòu)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(xì)長的鈣礬石晶體、還有層狀的CH Ca(OH)2晶體，水化產(chǎn)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(chǎn)物區(qū)域，很少發(fā)現(xiàn)纖維狀或者長針狀凝膠產(chǎn)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(huán)境，水化產(chǎn)物明顯多于基準(zhǔn)結(jié)合料，包括密集的細(xì)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(yīng)。隨齡期的增長纖維狀晶體聯(lián)結(jié)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(jié)晶水化產(chǎn)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(lián)，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(fā)展填充周圍孔隙，使結(jié)構(gòu)的整體性增強(qiáng)，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(chǎn)生，明顯多于其他結(jié)合料。鈣礬石晶體和板塊柱狀CH晶體膠結(jié)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(jié)構(gòu)得到了改善［9］。

4 摻化學(xué)外加劑水泥粉煤灰的水化機(jī)理

N型激活劑碳酸鈉是堿性較強(qiáng)的化學(xué)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(qiáng)化與Ca(OH)2之間的碳酸化反應(yīng)，生成水穩(wěn)性很好的碳酸鈣方解石結(jié)構(gòu)，同時又能和水繼續(xù)反應(yīng)水解出大量OH-，提高水泥粉煤灰結(jié)合料內(nèi)部的堿性環(huán)境，促使高聚合態(tài)粉煤灰向低聚合態(tài)轉(zhuǎn)變，在較短的時間里溶解出更多的SiO2和Al2O3參與火山灰反應(yīng)，促進(jìn)水泥粉煤灰結(jié)構(gòu)的形成。這種作用過程可用化學(xué)方程式表示。

1)碳酸鈉水中電離

2)碳酸化反應(yīng)

3)電離后進(jìn)一步水解

4)促進(jìn)粉煤灰解聚

5)火山灰反應(yīng)

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(jié)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(xì)孔道，加強(qiáng)水泥粉煤灰穩(wěn)定基層的結(jié)合性和致密性;同時產(chǎn)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(dǎo)致開裂的可能性。其化學(xué)反應(yīng)大致如下:

5 結(jié)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(xué)外加劑與水泥粉煤灰結(jié)合料有較好的復(fù)合疊加效應(yīng)，對水泥粉煤灰結(jié)合料的力學(xué)性能有顯著的改善，可得到以下結(jié)論:

1)與基準(zhǔn)水泥粉煤灰結(jié)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(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和彎拉模量都有大幅提高，其中雙摻效果優(yōu)于單摻。

2)化學(xué)外加劑的外摻形式和摻量對水泥粉煤灰結(jié)合料的性能有重要影響，綜合比較各性能指標(biāo)，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(biāo)中，水泥粉煤灰劈裂強(qiáng)度的提高最大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jié)合料能較好的發(fā)揮作用，實現(xiàn)了高強(qiáng)度和低模量，具有較強(qiáng)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(yīng)提供了有利的堿性環(huán)境，有利于水化產(chǎn)物的生成;U型膨脹劑直接參與反應(yīng)，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(jié)晶水化物鈣釩石，不斷發(fā)展填充周圍孔隙，增強(qiáng)整體性和抗裂性。

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