粉煤灰-硅粉-聚丙烯纖維配制砂漿抗凍性能試驗(yàn)研究

黃 偉，方張平，葛進(jìn)進(jìn)，張陽陽

(1. 淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232038；2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

混凝土和砂漿的耐久性一直以來都是業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的問題，無論是對凍融理論的探索，還是凍融條件下的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，都有學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并建立了相關(guān)的凍融損傷模型[1-4].硅粉和粉煤灰因其具有火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，可以改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高其耐久性，被廣泛地應(yīng)用于高性能水泥基復(fù)合材料中.很多學(xué)者利用粉煤灰和硅灰單摻以及雙摻配制多元水泥基復(fù)合材料，研究了養(yǎng)護(hù)環(huán)境、水膠比等因素改變對水泥基復(fù)合材料的影響，得出兩者復(fù)摻配制的三元膠凝體系性能最佳[5-8]；劉元珍等[9]、呂丹丹等[10]對凍融環(huán)境下?；⒅楸厣皾{抗壓強(qiáng)度、拉伸黏結(jié)強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；商懷帥[11]、秦曉川等[12]研究了凍融方式、試件尺寸、粉煤灰摻量和混凝土組分材料的改變對凍融環(huán)境中混凝土細(xì)觀和微觀形態(tài)的影響；候云芬等[13]對凍融條件下的砂漿溫度和變形進(jìn)行了試驗(yàn)研究.孔凌宇等[14]、葛文杰等[15]通過添加石粉、ECC 材料即高延性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)對水泥砂漿材料的抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析石粉摻量和ECC 材料對水泥基材料抗凍性能影響.

本文結(jié)合文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)論，選定硅粉摻量為5%，聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3，粉煤灰摻量為0%，10%，20%和30%，試驗(yàn)研究多元素配制砂漿的工作性能和凍融性能，以此來分析砂漿的抗壓強(qiáng)度、相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率3 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，并分析3 個(gè)指標(biāo)與砂漿抗凍性能的相關(guān)性；同時(shí)結(jié)合電鏡掃描(SEM)，分析在凍融作用下的砂漿凍融損傷機(jī)理，可為多元復(fù)合材料配制砂漿的耐久性提供參考.

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用淮南舜岳水泥廠生產(chǎn)的八公山牌P.O 42.5 硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂；采用當(dāng)?shù)刈詠硭當(dāng)嚢?粉煤灰物理性能指標(biāo)見表1；硅粉外觀為灰白色粉末，其燒失量1.04%，密度2 500 kg/m3，比表面積22 000 m2/kg，硅粉與水泥的化學(xué)成分見表 2；聚丙烯纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)見表3.

表1 粉煤灰物理性能指標(biāo)

表2 水泥和硅粉化學(xué)成分 wt%

表3 聚丙烯纖維物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比及方法

為了分析粉煤灰、硅粉和聚丙烯纖維對砂漿抗凍性能的影響，根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70-2009)[16]設(shè)計(jì)砂漿配合比，見表4.

試驗(yàn)步驟：首先，將膠凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰)和標(biāo)準(zhǔn)砂稱量加入攪拌機(jī)中干拌60 s，在攪拌時(shí)添加聚丙烯纖維使其均勻分散；然后，緩慢加入水，濕拌60 s 后測試砂漿稠度并制作砂漿試塊，據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)[17]中的抗凍性能試驗(yàn)中的快凍法，采用KDR-2型混凝土快速自動(dòng)凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，為測定砂漿抗壓強(qiáng)度制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊；采用DT-20W動(dòng)彈性模量測定儀測試砂漿的相對動(dòng)彈性模量，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；每間隔20次凍融循環(huán)取出試樣，測試砂漿的抗壓強(qiáng)度、縱向基頻以及試塊質(zhì)量，根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)[18]中的公式計(jì)算相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率.微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)采用浙江大學(xué)的QUANTA 650型電子顯微鏡進(jìn)行測試.

表4 砂漿配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂漿抗壓強(qiáng)度

圖1 為不同配合比砂漿抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間的變化關(guān)系曲線.

圖1 砂漿凍融次數(shù)與抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖1 中可以明顯看出，未受凍時(shí)，粉煤灰摻量大小對砂漿抗壓強(qiáng)度影響較大，兩者呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，粉煤灰摻量為10%，20%和30%時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度降幅分別為4.8%，16.4%和27.9%，表明摻入粉煤灰超過一定比例后，砂漿抗壓強(qiáng)度降幅增速.主要原因是粉煤灰摻量30%時(shí)，因其等量取代部分水泥后，砂漿中水泥的水化反應(yīng)較緩，而粉煤灰中的活性物質(zhì)與水泥水化后的產(chǎn)物氫氧化鈣相互作用，減少了水泥熟料礦物反應(yīng)液相堿性離子的集聚濃度，促進(jìn)水泥熟料的水化反應(yīng)，生成物附著在粉煤灰顆粒表面，但隨著水泥摻量的減少從而影響水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成量，降低了粉煤灰的二次水化反應(yīng)速度，導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度不斷降低.

隨凍融次數(shù)的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度同樣出現(xiàn)衰減變化規(guī)律.在凍融初期，砂漿抗壓強(qiáng)度下降平緩；凍融60次后，砂漿抗壓強(qiáng)度損失加劇，此時(shí)M1，M2，M3和M4砂漿抗壓強(qiáng)度分別下降27.9%，27.3%，26.6%和24.7%，可以看出粉煤灰摻量對凍融環(huán)境下砂漿抗壓強(qiáng)度的衰減有一定的改善作用.從圖2砂漿微觀結(jié)構(gòu)可以看出水泥水化產(chǎn)生大量的CH(氫氧化鈣)、CSH(水化硅酸鈣)凝膠體和AFt(鈣礬石)產(chǎn)物.

圖2 砂漿微觀結(jié)構(gòu)

圖2(a)中孔隙較大且分布不均勻；圖2(b)孔隙密而小呈現(xiàn)均勻分布；圖2(c)和圖2(d)比較密實(shí)且有大量游離態(tài)粉煤灰顆粒.從整個(gè)砂漿SEM圖可知，隨粉煤灰摻量的增加，砂漿內(nèi)部變得越密實(shí)；粉煤灰摻量為10%時(shí)和硅粉雙摻后會(huì)形成超疊加效應(yīng)，此時(shí)粉煤灰和硅粉微顆粒的水化產(chǎn)物正好填充了水泥漿體中的空隙，細(xì)化了砂漿內(nèi)部孔徑，降低了氣泡間距系數(shù)[16]，阻斷了內(nèi)部毛細(xì)孔通道，緩解了砂漿內(nèi)部的凍脹壓力，從而增強(qiáng)了砂漿的抗凍性能.

2.2 砂漿相對動(dòng)彈性模量

圖3 為砂漿相對動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)之間的變化關(guān)系曲線.從圖3 可知，隨著凍融次數(shù)的增加，砂漿的相對動(dòng)彈性模量逐漸降低.經(jīng)過60次凍融循環(huán)后，4 種配比砂漿的相對動(dòng)彈性模量值大小依次是 M2＞M1＞M3＞M4，M2 砂漿相對動(dòng)彈性模量降低至 82.3%，降低幅度最小，主要是粉煤灰摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降幅最小，且保持較高的抗壓強(qiáng)度造成的；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，砂漿相對動(dòng)彈性模量降低最為明顯.凍融80次時(shí)，相對動(dòng)彈性模量達(dá)到50.1%；凍融100 次時(shí)，砂漿試件端部出現(xiàn)凍融破壞以至無法測試.

圖3 砂漿相對動(dòng)彈性模量曲線

2.3 砂漿表觀特征與質(zhì)量損失率

圖4 和圖5 分別為典型砂漿的凍融破壞特征和質(zhì)量損失率變化曲線.

圖4 典型砂漿凍融破壞特征

圖5 砂漿質(zhì)量損失率曲線

從圖4 可知，凍融初期，砂漿試件整體性保持完好；凍融20 次時(shí)，砂漿表面出現(xiàn)部分麻面；隨著凍融次數(shù)的不斷增加，砂漿試件光滑表面逐漸被侵蝕，出現(xiàn)了片狀脫落、孔洞；當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到60 次時(shí)，砂漿表面基本被侵蝕；100 次時(shí)，砂漿試件整體出現(xiàn)大塊脫落，結(jié)構(gòu)疏松，基本沒有強(qiáng)度，凍融破壞嚴(yán)重.試驗(yàn)中4 種配比的砂漿試件呈現(xiàn)凍融破壞的表觀特征基本類似.

從圖5 可知，M1，M2 和M3 砂漿質(zhì)量損失率變化相比M4 略微緩慢.凍融次數(shù)為60 次時(shí)，M1 砂漿試件的質(zhì)量損失率達(dá)到 5.7%，超過了M2 和M3 砂漿試件；凍融次數(shù)為100 次時(shí)，M4砂漿試件破壞最為嚴(yán)重，質(zhì)量損失率達(dá) 20.1%.這表明摻入適量的粉煤灰可以減緩砂漿的凍融破壞，當(dāng)粉煤灰摻量增加至30%后，因砂漿抗壓強(qiáng)度顯著降低，造成砂漿的抗凍性能指標(biāo)急劇劣化.

2.4 砂漿微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6 為砂漿未凍融時(shí)的微觀結(jié)構(gòu).

圖6 未凍融時(shí)聚丙烯纖維與水泥基SEM

從圖6 可看出，聚丙烯纖維緊緊被水泥漿體包裹著，硅粉和粉煤灰的摻入可以改善水泥漿與纖維之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，砂漿內(nèi)部呈現(xiàn)交錯(cuò)連接的空間網(wǎng)狀形態(tài)，整體密實(shí)度較高，充分展現(xiàn)出硅粉和粉煤灰的填充效應(yīng).兩者及水化產(chǎn)物與CSH 凝膠體接觸緊密，當(dāng)水泥水化產(chǎn)物CH 達(dá)到一定量時(shí)，氫氧根離子激發(fā)粉煤灰的活性，促進(jìn)粉煤灰發(fā)生二次水化作用，同時(shí)粉煤灰顆粒分布在水泥石基體中起到“次中心質(zhì)”的作用，在纖維和骨料的界面上，因粉煤灰與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，所生成大量的凝膠產(chǎn)物附著其周邊并交織成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，強(qiáng)化了纖維和細(xì)骨料界面過渡區(qū)，表現(xiàn)出相對完整的組織結(jié)構(gòu).從圖6(b)和圖6(c)可看出砂漿的水化產(chǎn)物較豐富，聚丙烯纖維與周邊凝膠體粘結(jié)密實(shí)；圖6(d)中聚丙烯纖維周邊仍有未完全發(fā)生反應(yīng)的球狀粉煤灰顆粒.

圖7 凍融80 次時(shí)聚丙烯纖維與水泥基SEM

圖7 為凍融80 次時(shí)4 種不同配比砂漿的微觀結(jié)構(gòu).從圖7 可以看出，凍融循環(huán)作用對砂漿的微觀結(jié)構(gòu)有顯著的影響.從砂漿的微觀結(jié)構(gòu)形貌可以看到較多微裂縫和微孔隙，尤其是在聚丙烯纖維周邊，裂縫清晰可見，其結(jié)構(gòu)組成形貌呈現(xiàn)顆?；内厔?主要原因是在凍脹壓力作用下，砂漿凍融破壞由表及里，類似疲勞裂紋的擴(kuò)展方式，慢慢造成宏觀水泥漿體的侵蝕和剝落.從圖7(a)和圖7(d)中可以看出，砂漿凍融破壞比較嚴(yán)重，纖維周邊裂縫寬又深，尤其是圖 7(d)中仍然存在大量游離態(tài)的粉煤灰顆粒；圖 7(b)和圖 7(c)中砂漿凍融產(chǎn)生的裂縫相對窄而淺，CSH 凝膠體與纖維黏結(jié)仍然較緊密，這是由于適量的粉煤灰中的硅酸鹽玻璃體正好與水化產(chǎn)物CH 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的水化硅酸鈣凝膠體，能有效地堵塞和填充毛細(xì)孔隙，使砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí).

對比圖6和圖7中聚丙烯纖維表觀狀態(tài)可知，凍融初期聚丙烯纖維與水泥漿體咬合緊密，對限制砂漿變形有一定促進(jìn)作用；隨著凍融次數(shù)增加，纖維與水化產(chǎn)物之間黏結(jié)力逐漸減小，兩者之間產(chǎn)生分離剝落，纖維表面變得光滑干凈(僅有少量的水化產(chǎn)物附著其上).這進(jìn)一步驗(yàn)證了凍融循環(huán)60 次后砂漿抗壓強(qiáng)度快速劣化的機(jī)理.

3 結(jié)語

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂漿試件的抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間呈反比關(guān)系.凍融 60 次時(shí)，M1，M2，M3 和M4 砂漿抗壓強(qiáng)度分別下降27.9%，27.3%，26.6%和 24.7%，這表明凍融環(huán)境下?lián)饺敕勖夯铱梢詼p緩砂漿抗壓強(qiáng)度的衰減.

2)凍融初期，隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿的相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率逐漸降低；凍融60 次時(shí)，4 種砂漿相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率大小依次為M2＞M1＞M3＞M4，相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率變化規(guī)律表現(xiàn)出良好的相關(guān)性.

3)通過砂漿外觀和SEM 微觀試驗(yàn)可以看出，砂漿凍融破壞是由表面逐漸侵蝕到內(nèi)部，從局部顆粒脫落至試件整體剝落的破壞；在凍脹力作用下，聚丙烯纖維與細(xì)骨料界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，造成纖維與水化產(chǎn)物分離，在砂漿內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，最終導(dǎo)致砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)凍融破壞.

4)在本文試驗(yàn)條件下，粉煤灰摻量為10%時(shí)，三元摻合料復(fù)合配制的砂漿具有內(nèi)部孔徑小，氣泡多而均勻，阻斷了砂漿毛細(xì)孔通道，緩解了砂漿內(nèi)部的凍脹壓力，提高了砂漿的抗凍性能.