凍融循環(huán)作用下粉煤灰砂漿的力學(xué)性能*

曹 琛,鄭山鎖,李雪青

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055;3.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024;4.陜西江河水利水電土木勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,陜西 西安 710024)

近幾十年來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,建筑材料需求日益增大,同時(shí)由建筑材料生產(chǎn)所引起的環(huán)境問(wèn)題又是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一大瓶頸。粉煤灰砂漿作為一種新型砌筑砂漿,因其良好的工作性能和耐久性、綠色環(huán)保、資源可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。陳軍超等[1]的研究結(jié)果表明砂漿中加入粉煤灰,既可改善砂漿的施工、保溫性能,又可降低砂漿成本。吳福飛等[2]研究了不同種類及摻量粉煤灰砂漿的微觀孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能;豐曙霞等[3]分析了不同粒徑粉煤灰特征下水泥砂漿的物理力學(xué)性能;龐敏等[4]利用微觀XRD測(cè)試技術(shù)對(duì)3種粉煤灰摻量分別為50%、70%、90%砂漿的溶蝕性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,一定摻量的粉煤灰可提高砂漿抗溶蝕性。金瑞靈等[5]研究了粉煤灰摻量對(duì)建筑砂漿性能的影響,認(rèn)為當(dāng)高粉煤灰摻量(80%)的建筑砂漿各項(xiàng)性能(稠度、抗壓輕度、彈性模量等)依然滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,再次驗(yàn)證了粉煤灰砂漿的優(yōu)點(diǎn)。上述研究均以粉煤灰摻量為研究對(duì)象,探討了不同摻量下砂漿的各項(xiàng)物理力學(xué)性能的變化,并未涉及到環(huán)境的影響?？紤]到環(huán)境侵蝕作用,一些學(xué)者也展開了腐蝕環(huán)境下粉煤灰砂漿的抗侵蝕性能研究。李勇[6]對(duì)不同水膠比及粉煤灰摻量的混凝土耐久性進(jìn)行了研究;陳烽等[7]對(duì)模擬酸雨環(huán)境下?lián)椒勖夯宜嗌皾{的抗蝕性能進(jìn)行了研究;譚業(yè)文等[8]利用3種實(shí)驗(yàn)方法分別對(duì)5種不同摻量粉煤灰的混凝土進(jìn)行了抗氯鹽侵蝕研究;許剛剛[9]研究了硫酸鹽環(huán)境下5種不同粉煤灰摻量的水泥砂漿的力學(xué)性能;宋洋等[10]針對(duì)粉煤灰混凝土抗硫酸鹽侵蝕也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。上述研究主要探討了氯鹽環(huán)境和酸雨環(huán)境下粉煤灰砂漿耐久性和各項(xiàng)力學(xué)性能的劣化影響,而凍融環(huán)境下粉煤灰砂漿的力學(xué)性能有何劣化規(guī)律尚且未知。因此,進(jìn)行凍融循環(huán)作用下粉煤灰砂漿的力學(xué)性能研究非常有必要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

水泥：秦嶺牌P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,陜西秦嶺水泥股份有限公司;砂子：含泥量少且嚴(yán)格經(jīng)過(guò)4.75 mm篩網(wǎng)篩選的中砂,細(xì)度模數(shù)滿足規(guī)范要求,陜西灞橋砂場(chǎng);粉煤灰： Ⅰ級(jí),主要化學(xué)成分為w(SiO2)=53.4%,w(Al2O3)=23.4%,w(Fe2O3)=5.6%,w(CaO)=7.2%,w(SO3)=0.49%,w(MgO)=3.25%,燒失量約為1.15～3.23,滿足標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中對(duì)粉煤灰的各項(xiàng)指標(biāo)要求,陜西某電廠。

1.2 試件制作及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 試件制作

砂漿經(jīng)攪拌機(jī)配制后放入模具,按規(guī)范要求進(jìn)行振搗、拆模,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。砂漿配合比見表1,水泥砂漿水膠質(zhì)量比為0.35,粉煤灰砂漿水膠質(zhì)量比為0.375,其粉煤灰摻量有3種。砂漿試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,考慮到粉煤灰摻量及凍融循環(huán)次數(shù)等因素,實(shí)驗(yàn)每種砂漿試塊分為7組,每組3個(gè),共制作砂漿試塊84個(gè)。

表1 實(shí)驗(yàn)砂漿配合比 ρ/(kg·m-3)

1.2.2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)際凍融實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)且受環(huán)境影響較大,為縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間并能真實(shí)地模擬凍融環(huán)境作用,采用室內(nèi)加速凍融的方法,凍融循環(huán)方案參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM：C666及中國(guó)《建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)制定并實(shí)施,以凍融循環(huán)次數(shù)表示砂漿試塊的抗凍性能,將凍融循環(huán)次數(shù)分別定為0、20、40、60、80、100及120次。

凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)要嚴(yán)格控制環(huán)境的溫度、濕度、光照、冷風(fēng)和淋水等因素。具體凍融循環(huán)步驟如下。(1)浸泡。將經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的砂漿試塊放入10～20 ℃的水中浸泡2 d,取出擦干、編號(hào)并放入氣候模擬實(shí)驗(yàn)室;(2)凍結(jié)。將實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)至-20 ℃,對(duì)試塊進(jìn)行凍結(jié),一次凍結(jié)時(shí)間為4 h;(3)融化。一次凍結(jié)完成后,將實(shí)驗(yàn)室溫度逐漸升高,溫度控制在20～45 ℃,使試塊融化,一次融化時(shí)間為2 h;(4)噴淋。融化過(guò)程結(jié)束后,將實(shí)驗(yàn)室降溫至10 ℃,并對(duì)試塊進(jìn)行噴淋,持續(xù)20 min,保證試塊充分保水,噴淋完畢即為一次循環(huán)。

1.2.3 砂漿試塊軸心抗壓實(shí)驗(yàn)

試塊受凍融循環(huán)作用后,對(duì)其再進(jìn)行軸心抗壓實(shí)驗(yàn),見圖1。將砂漿試塊安放在實(shí)驗(yàn)機(jī)的下壓板上,試件中心應(yīng)與實(shí)驗(yàn)機(jī)下壓板中心對(duì)準(zhǔn),加載時(shí)速度控制為1.5 kN/s,加載過(guò)程中仔細(xì)觀察試塊破壞過(guò)程及其狀態(tài),當(dāng)試塊破壞時(shí),記錄破壞荷載。

圖1 試塊抗壓實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿試塊破壞狀態(tài)

砂漿試塊的受壓破壞過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生、裂縫發(fā)展與貫通、破壞錐面形成并最終破壞。砂漿試塊經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后,在受壓之前其內(nèi)部本身已存在微裂縫,當(dāng)試塊受壓后,隨著荷載的增加,新的內(nèi)部微裂縫不斷產(chǎn)生,同時(shí)原有裂縫緩慢、持續(xù)發(fā)展。在加載過(guò)程中,砂漿試塊上部?jī)啥司嚯x外邊緣約1 cm處首先出現(xiàn)裂縫,并沿約45°向試塊中部發(fā)展;繼續(xù)加載,裂縫逐漸貫通,砂漿試塊表面剝落形成錐狀破壞,破壞形態(tài)見圖2。

圖2 試塊破壞狀態(tài)

2.2 凍融循環(huán)作用下不同粉煤灰摻量對(duì)砂漿試塊質(zhì)量的影響

試塊經(jīng)凍融循環(huán)作用后,其質(zhì)量均遭受不同程度的損失,試塊質(zhì)量損失可用質(zhì)量損失率見公式(1)。

(1)

式中：質(zhì)量損失率取3組試塊平均值計(jì)算;m0、mn分別為凍融前、n次凍融后砂漿試塊質(zhì)量,g。

試塊經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用下其質(zhì)量和質(zhì)量損失率見圖3和圖4。

凍融循環(huán)次數(shù)圖3 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質(zhì)量

凍融循環(huán)次數(shù)圖4 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質(zhì)量損失率

由圖3和圖4可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試塊質(zhì)量逐漸降低;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,FAM1較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量略有降低;FAM2較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量又有略微增加;FAM3較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量損失最多。經(jīng)120次凍融循環(huán)作用后,FAM3質(zhì)量損失已大于5%,而FAM2、FAM1質(zhì)量損失均低于5%。表明粉煤灰砂漿試塊在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失隨粉煤灰摻量的增加而增大;適量的粉煤灰對(duì)砂漿抗凍性能有益,但當(dāng)摻量超過(guò)30%,砂漿的抗凍性能反而會(huì)下降。其原因是粉煤灰摻量過(guò)大,砂漿的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)分布不佳,導(dǎo)致其在宏觀方面表現(xiàn)為質(zhì)量損失過(guò)大。

2.3 凍融循環(huán)作用下不同粉煤灰摻量對(duì)砂漿動(dòng)彈性模量的影響

利用超聲波測(cè)量技術(shù)獲得砂漿試塊的動(dòng)彈性模量,測(cè)得各試塊動(dòng)彈性模量見圖5。

凍融循環(huán)次數(shù)圖5 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊動(dòng)彈性模量

由圖5可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,砂漿試塊的動(dòng)彈性模量逐漸降低;不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰摻量對(duì)砂漿的動(dòng)彈性模量影響較明顯,隨著粉煤灰摻量的增加,砂漿試塊的動(dòng)彈性模量下降的愈加明顯;且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,粉煤灰摻量越多,試塊的動(dòng)彈性模量下降越快。與未經(jīng)受凍融作用的試塊相比,120次凍融循環(huán)作用后,試塊CM、FAM1、FAM2和FAM3的動(dòng)彈性模量降幅分別為8.8%、12.10%、18.00%和24.8%。

2.4 凍融循環(huán)作用下不同粉煤灰摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

砂漿試塊抗壓強(qiáng)度損失率見公式(2)。

(2)

式中：Qn為n次凍融循環(huán)后試塊抗壓強(qiáng)度損失率,取3組試塊的平均值;Fc,0、Fc,n分別為凍融前、n次凍融后試塊抗壓強(qiáng)度,MPa。

經(jīng)砂漿試塊軸心抗壓實(shí)驗(yàn),測(cè)試不同凍融循環(huán)次數(shù)下,不同粉煤灰摻量的砂漿抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

凍融循環(huán)次數(shù)圖6 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊抗壓強(qiáng)度

凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的粉煤灰砂漿試塊抗壓強(qiáng)度損失率見圖7。

凍融循環(huán)次數(shù)圖7 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊抗壓強(qiáng)度損失率

由圖6和圖7可知,砂漿試塊抗壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加而呈降低的趨勢(shì),且粉煤灰摻量對(duì)凍融循環(huán)作用下砂漿試塊抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。與未經(jīng)凍融作用的砂漿試塊相比,120次凍融循環(huán)作用后,砂漿試塊CM、FAM1、FAM2及FAM3的抗壓強(qiáng)度分別下降26%、20.7%、25.2%及37.6%。結(jié)果表明,水泥中摻入適量粉煤灰(不超過(guò)30%)有益于砂漿的抗凍性,當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%,砂漿抗壓強(qiáng)度則有明顯的下降。

3 結(jié) 論

不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下,改變粉煤灰摻量,研究粉煤灰砂漿試塊的質(zhì)量損失率、動(dòng)彈性模量及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的變化,得出主要結(jié)論如下。

(1) 不同粉煤灰摻量的砂漿試塊,在凍融循環(huán)作用下,試塊質(zhì)量呈逐漸減小的趨勢(shì)。其中粉煤灰摻量為40%的試塊質(zhì)量損失率最大,為5.65%,且各試塊質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

(2)不同粉煤灰摻量對(duì)砂漿動(dòng)彈性模量的影響較為明顯。凍融循環(huán)次數(shù)未到40次,粉煤灰摻量為20%的試塊,其動(dòng)彈性模量大于未摻加粉煤灰試塊的動(dòng)彈性模量;凍融循環(huán)40次之后,砂漿試塊的動(dòng)彈性模量不斷減小,且隨著粉煤灰摻量的增加,其動(dòng)彈性模量降低的愈明顯。

(3)各砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,但粉煤灰摻量小于30%,120次凍融循環(huán)作用下砂漿抗壓強(qiáng)度較未摻入粉煤灰的砂漿下降少,表明摻入適量粉煤灰有益于砂漿的抗凍性能。因此,合理的粉煤灰摻量對(duì)砂漿的抗凍性能非常重要。