粉煤灰對水泥土強(qiáng)度及固化過程的影響

陳三姍，陳 峰

(1.福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州 350108；2.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108)

國內(nèi)外眾多研究表明[1-10]，水泥土中摻加適合的粉煤灰可以改善水泥土的特性，提高水泥土的強(qiáng)度。黃麗娟[11]利用正交試驗(yàn)方法分析研究了水泥摻量、水灰比和粉煤灰三因素三水平對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。趙百超[12]等研究了水泥、膨潤土和粉煤灰等三因數(shù)對水泥復(fù)合土抗剪強(qiáng)度的影響。蒙強(qiáng)[13]等研究發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增長和粉煤灰摻量的增加，固化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由塑性破壞轉(zhuǎn)變成脆性破壞。當(dāng)粉煤灰摻量過高時(shí)，水泥土中易發(fā)生耦合反應(yīng)，影響固化效果。王崳[14]開展了不同粉煤灰摻量水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率以及中心部位土樣溶液pH值的測定試驗(yàn)，建議洞庭湖區(qū)水泥土中粉煤灰摻量在20%左右為宜。陳峰等[15]研究了不同粉煤灰摻量下的水泥土變形特性。

當(dāng)前研究對于粉煤灰的適量摻加可以提高水泥土強(qiáng)度基本已達(dá)成共識，但絕大部分局限于宏觀方面，且研究角度均為水泥土整體強(qiáng)度的提高。如文獻(xiàn)[1]是通過試驗(yàn)分析高鈣粉煤灰水泥土早期強(qiáng)度，文獻(xiàn)[2]研究粉煤灰對高含水量水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，文獻(xiàn)[3]-[9]均是研究不同條件下粉煤灰對水泥土的強(qiáng)度的影響，文獻(xiàn)[6]研究的是不同侵蝕環(huán)境下粉煤灰對水泥土強(qiáng)度的影響。在微觀方面，粉煤灰的提高機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。另外，土體作為固液氣三相綜合體，土質(zhì)特性在不同地區(qū)差別極大，如文獻(xiàn)[7]取自武漢地區(qū)的膨潤土，文獻(xiàn)[9]取自青海的濕陷性黃土，文獻(xiàn)[14]取自洞庭湖區(qū)粘土等，所研究的粉煤灰最佳摻量并不一致。為此，本研究首先從粉煤灰-水泥、粉煤灰-淤泥質(zhì)土的相互作用兩個(gè)方面入手，通過開展粉煤灰水泥石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及X射線衍射(即XRD)試驗(yàn)，研究粉煤灰對水泥的影響；通過粉煤灰-淤泥質(zhì)粘土混合土的含水率試驗(yàn)和固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究粉煤灰對福州地區(qū)淤泥質(zhì)土特性的影響，最后通過掃描電鏡(即SEM)試驗(yàn)觀察粉煤灰水泥土微結(jié)構(gòu)的形成過程，研究粉煤灰、水泥、土三者間的作用機(jī)理。

1 材料與實(shí)驗(yàn)

1.1 材料性能及參數(shù)

粉煤灰的化學(xué)成分含量如表1所示，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如表2所示，水灰比0.45。土樣取自福州市某基坑淤泥質(zhì)粘土，內(nèi)聚力為9 kPa，摩擦角為6.5°，其余物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表1 粉煤灰化學(xué)成分及含量Tab.1 Chemical composition and content of fly ash

表2 42.5硅酸鹽水泥化學(xué)成分及性能指標(biāo)Tab.2 Chemical composition and performance indicators of 42.5 Portland cement

表3 淤泥質(zhì)粘土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Physical-mechanical properties index of silty clay used for the tests

1.2 試樣制備與試驗(yàn)過程

為了研究粉煤灰對水泥石強(qiáng)度的影響，著重從粉煤灰摻量與齡期兩個(gè)影響因素進(jìn)行考察。粉煤灰摻量(粉煤灰質(zhì)量/水泥質(zhì)量×100%)分別為0%、40%、53%、67%。將水泥倒入攪拌鍋內(nèi)，加水，低速攪拌至均勻，再加入粉煤灰攪拌直至均勻，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、60、90 d。養(yǎng)護(hù)齡期完成后開展粉煤灰水泥石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每個(gè)配比制作3個(gè)試樣，取平均值作為該配比強(qiáng)度值。強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，選取養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d的各配比試樣，敲開水泥石，從內(nèi)部取出若干小塊，放入烘箱(設(shè)置溫度105 ℃)中烘干8 h，取出水泥石小塊用研缽研碎成粉末，過0.075 mm篩，并將粉末試樣放到X射線衍射儀進(jìn)行分析，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為6 kV/30 mA，衍射角度5°～70°，速度為8°/min。

為了研究粉煤灰-淤泥質(zhì)粘土的相互作用，首先進(jìn)行煤灰-淤泥質(zhì)粘土混合土的含水率試驗(yàn)。將試驗(yàn)土樣烘干，搗碎過0.5 mm篩，粉煤灰摻量(粉煤灰質(zhì)量/濕土質(zhì)量×100%)分別為0%、6%、8%、10%，稱取相應(yīng)摻量的粉煤灰、干土、0.545×干土質(zhì)量的水倒入攪拌鍋內(nèi)并攪拌均勻，在三瓣模中制備圓柱型試樣并采用塑料袋密封試樣，養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d時(shí)再測定混合土的含水率。

混合土的固結(jié)不排水試驗(yàn)與含水率試驗(yàn)的配比與材料相同，將土樣烘干，搗碎，過0.1 mm篩，稱取相應(yīng)質(zhì)量的粉煤灰、干土和水?dāng)嚢杈鶆虿⒀b入試模，用重300 g的擊錘擊實(shí)，養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d，每個(gè)試樣分別用TSZ30-2.0應(yīng)變控制式三軸儀在圍壓25、50、75 kPa下固結(jié)，然后維持圍壓不變，進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)。剪切速率為0.06 mm/min，軸向應(yīng)變速率為0.075 %/min，軸向應(yīng)變達(dá)到20%終止加荷。

SEM試驗(yàn)中，將摻量為0%和8%(粉煤灰質(zhì)量/水泥土質(zhì)量×100%)的粉煤灰分別摻入相同的水泥土中制備試樣，養(yǎng)護(hù)齡期到后取試樣約1 cm×1 cm×1 cm，經(jīng)電吹風(fēng)低溫吹干，表面鍍金處理后在掃描電鏡下觀察，掃描電鏡設(shè)備為德國蔡司掃描電鏡EVO 10。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粉煤灰水泥石強(qiáng)度試驗(yàn)

圖1為不同粉煤灰摻量與水泥石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，7 d齡期時(shí)水泥石的強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量越大，水泥石強(qiáng)度越低。齡期在28、60、90 d時(shí)，水泥石強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，在0%、40%、53%，67% 4個(gè)粉煤灰摻量條件下，最佳粉煤灰摻量為53%。圖2為不同齡期與水泥石強(qiáng)度的關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，7 d齡期時(shí)，粉煤灰摻量為0的水泥石強(qiáng)度最大，其余齡期時(shí)，水泥石的強(qiáng)度均隨著齡期的增長而增長，增長速率隨著齡期的增長而逐漸變緩。

圖1 粉煤灰摻量與水泥石強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between fly ash content and cement stone strength

圖2 齡期與水泥石強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between age and cement strength

2.2 粉煤灰水泥石的XRD試驗(yàn)

水泥的水化主要是水泥中熟料礦物的水化以及少量CaSO4的水化，這是水泥土強(qiáng)度增長的主要過程。普通硅酸鹽水泥熟料礦物組成主要有硅酸三鈣3CaO·SiO2(簡稱C3S)、硅酸二鈣2CaO·SiO2(簡稱C2S)、鋁酸三鈣3CaO·Al2O3(簡稱C3A)、鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3(簡稱C4AF)。在水泥水化完全的環(huán)境中，C-S-H為硅酸鈣凝膠，是C2S和C3S的水化產(chǎn)物，約占70%，對水泥土強(qiáng)度起決定性作用；Ca(OH)2約占20%；水化硫鋁酸鈣約占7%；3%為其他水化產(chǎn)物，如水化產(chǎn)物鈣礬石AFt。AFt結(jié)晶的形成有利于提高水泥石早期凝結(jié)速率。

通過XRD試驗(yàn)可得不同粉煤灰摻量下7 d和28 d的水泥石粉末試樣的衍射圖譜，限于篇幅，僅列粉煤灰摻量為53%的衍射圖譜如圖3所示。其中C-S-H由于化學(xué)成分不穩(wěn)定，結(jié)晶度低，同時(shí)其化學(xué)成分各異，不能明顯區(qū)分，所以試驗(yàn)中的衍射圖譜并未檢測出C-S-H。Ca(OH)2一般結(jié)晶程度高，所有XRD衍射圖譜中均存在較明顯的Ca(OH)2衍射峰。粉煤灰摻量與衍射峰強(qiáng)度制作成相應(yīng)的曲線如圖4所示。

圖3 粉煤灰摻量53%時(shí)衍射圖譜Fig.3 Diffraction patternof cement stone with 53% fly ash content

由圖4可見，粉煤灰摻量為0時(shí)，Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度最高，且28 d齡期比7 d齡期明顯更大，這說明Ca(OH)2結(jié)晶程度隨著齡期增長變得更高，晶體結(jié)構(gòu)趨于完整。摻入粉煤灰后，7 d齡期時(shí)隨著粉煤灰摻量的增大，Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，但不明顯，28 d齡期時(shí)降低程度較大，28 d齡期與7 d齡期相比Ca(OH)2的結(jié)晶更加不完善?？梢酝茰y這是因?yàn)榉勖夯抑懈缓钚許iO2和Al2O3，會與水泥水化生成物Ca(OH)2進(jìn)行反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)見公式(1)和公式(2)。Ca(OH)2含量減少，促使水泥發(fā)生“二次水化”，粉煤灰活性效應(yīng)的發(fā)揮消耗了大量的Ca(OH)2晶體。而7 d齡期粉煤灰的活性效應(yīng)基本不發(fā)揮，所以7 d齡期時(shí)粉煤灰的摻加對Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度影響較小。

圖4 粉煤灰摻量與Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the content of fly ash and the intensity of the diffraction peak of Ca(OH)2

mCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→mCaSiO2nH2O

(1)

mCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→mCaAl2O3nH2O

(2)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Jade軟件分析及謝樂公式的推導(dǎo)可得Ca(OH)2晶粒尺寸。圖5是粉煤灰摻量與Ca(OH)2晶粒尺寸的變化關(guān)系圖。由圖5可知，7 d齡期時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，Ca(OH)2晶粒尺寸逐漸減小，不過減小程度低；28 d齡期時(shí)，因粉煤灰的摻加Ca(OH)2晶粒尺寸大幅度減小，并且在粉煤灰摻量為53%時(shí)減小的程度最大。說明粉煤灰的摻加對Ca(OH)2晶粒有細(xì)化作用，能夠使Ca(OH)2晶粒尺寸減小，并且在最佳粉煤灰摻量時(shí)粉煤灰的細(xì)化效果最顯著。

圖5 粉煤灰摻量與Ca(OH)2晶粒尺寸關(guān)系Fig.5 Relationship between fly ash content and grain size

2.3 粉煤灰-淤泥質(zhì)粘土的含水率試驗(yàn)

含水率試驗(yàn)在一定程度上可以反映混合土的物理性質(zhì)。圖6給出了不同粉煤灰摻量下混合土含水率的變化值，無論7 d還是28 d，粉煤灰的摻加均會降低混合土的含水率。粉煤灰在7d齡期時(shí)其活性基本沒有發(fā)揮，說明7 d齡期時(shí)，粉煤灰使混合土含水率降低的原因不是粉煤灰活性成分SiO2和Al2O3與土中水或土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是粉煤灰與土之間的物理作用使得混合土含水率降低，硬度變大。

圖6 不同粉煤灰摻入比混合土含水率Fig.6 Moisture content of mixed soil with different fly ash content ratio

2.4 粉煤灰-淤泥質(zhì)粘土的固結(jié)不排水試驗(yàn)

對于混合土的力學(xué)性能主要通過固結(jié)不排水試驗(yàn)來研究，試樣在不同圍壓σ3下豎向加載，可分別得到不同配比混合土剪切破壞的最大主應(yīng)力σ1，以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑，可繪出每個(gè)配比的應(yīng)力圓和抗剪強(qiáng)度包線。

根據(jù)包線可得不同齡期不同配比的混合土黏聚力和內(nèi)摩擦角，繪制粉煤灰摻入比與粘聚力和摩擦角的關(guān)系曲線分別如圖7和圖8所示。由圖7可見，混合土黏聚力均隨著粉煤灰摻入比的增加而增大，并且28 d的增大程度明顯大于7 d齡期。由圖8可見，粉煤灰的摻入能夠提高混合土的內(nèi)摩擦角，并且隨著齡期的增長效果越明顯。這是因?yàn)橐环矫嫱耆厮芡领o置長時(shí)間之后自身的固結(jié)作用使結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，另一方面是粉煤灰活性效應(yīng)的發(fā)揮。

圖7 粉煤灰摻入比與混合土黏聚力關(guān)系Fig.7 Relationship between fly ash content ratio and cohesive force of the mixed soil

圖8 粉煤灰摻入比與混合土內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.8 Relationship between fly ash content ratio and friction angle in the mixed soil

3 粉煤灰水泥土固化機(jī)理的微觀試驗(yàn)分析

使用德國蔡司掃描電鏡EVO 10，觀察不同倍數(shù)下粉煤灰摻入比分別為0%及8%時(shí)的電鏡掃描圖片，如圖9及圖10所示。圖9中(a)(b)和(c)(d)不同齡期相同倍數(shù)圖片對比可見，7 d齡期時(shí)，主要有板片狀、凝絮狀水化產(chǎn)物及一定量的短棒狀水化產(chǎn)物。板片狀的晶體為Ca(OH)2，凝絮狀為C-S-H凝膠，短棒狀水化產(chǎn)物為AFt晶體。該齡期時(shí)粉煤灰、土顆粒棱角分明，水化產(chǎn)物部分附著在孔隙或土顆粒表面，C-S-H凝膠含量較少。28 d齡期時(shí)，凝絮狀水化產(chǎn)物C-S-H明顯較7 d齡期時(shí)多，短棒狀的水化產(chǎn)物相互交錯(cuò)搭接，大部分的顆粒表面已經(jīng)被水化產(chǎn)物覆蓋而不易觀察，但整體上看形成的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，且此時(shí)水泥水化生成堿環(huán)境使粉煤灰也開始發(fā)生“火山灰效應(yīng)”。這說明隨著齡期的增長，水泥土顆粒結(jié)構(gòu)越來越密實(shí)，孔隙不斷被C-S-H凝膠物質(zhì)填充，土顆粒膠結(jié)越來越強(qiáng)，水泥土的強(qiáng)度越來越高。

圖9 粉煤灰摻入比為0%時(shí)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM photos when fly ash content ratio is 0%

比較圖9和圖10的相應(yīng)圖片，摻加了粉煤灰的孔隙明顯較未摻加粉煤灰的少，粉煤灰的摻加使得水泥土的孔隙更少結(jié)構(gòu)更完整。粉煤灰的摻加能夠使水泥土產(chǎn)生大量呈纖維狀的水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物相互膠結(jié)，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。結(jié)合上述所有試驗(yàn)成果可知，粉煤灰水泥土作為水泥、粉煤灰與土三種物質(zhì)組成的整體，其強(qiáng)度的形成是水泥-粉煤灰-土三者之間相互作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

1)粉煤灰水泥石強(qiáng)度試驗(yàn)表明粉煤灰的摻加使水泥石7 d齡期強(qiáng)度降低，不利于水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展，但能使其28 d齡期及以后的強(qiáng)度提高。

2)XRD試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加粉煤灰后Ca(OH)2的結(jié)晶程度隨齡期變低，粉煤灰能使Ca(OH)2晶粒尺寸減小，細(xì)化Ca(OH)2晶粒。

3)摻加粉煤灰的淤泥質(zhì)粘土含水率試驗(yàn)表明粉煤灰使淤泥質(zhì)粘土的含水率降低，硬度變大。

4)粉煤灰-淤泥質(zhì)土的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰的摻加能提高混合土的抗剪強(qiáng)度，且齡期越長粉煤灰增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的效果越明顯。

5)SEM試驗(yàn)表明粉煤灰的摻加明顯改善了水泥土的微結(jié)構(gòu)特征，使結(jié)構(gòu)更加緊密。粉煤灰水泥土強(qiáng)度的形成是粉煤灰、水泥、土三者相互作用的結(jié)果。