超細(xì)粉煤灰水泥復(fù)合材料的基本性能試驗(yàn)研究

吳兆鋒 畢琛琛

（1.山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.廣信檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，特別是在發(fā)展中國家，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模越來越大，混凝土是現(xiàn)代建筑工程中使用最廣泛的材料之一。從提高熟料效率的角度來看，更細(xì)的超細(xì)熟料可以實(shí)現(xiàn)更密實(shí)的顆粒填充，并提高摻合料的反應(yīng)活性，制備結(jié)構(gòu)更密實(shí)、綜合性能更佳的粉煤灰水泥復(fù)合材料。該文研究了細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰部分替代水泥制備的砂漿和粉煤灰混凝土，探索細(xì)粉煤灰、超細(xì)粉煤灰作為水泥替代物的最優(yōu)替代率，研究其對(duì)砂漿、混凝土等水泥復(fù)合材料和易性、力學(xué)性能和耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

該研究使用P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥和P·S·A 42.5 級(jí)礦渣水泥，密度分別為2977kg/m3和2996kg/m3。普通硅酸鹽水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分別占比65.4%、16.2%、3.8%、3.1%和4.8%，高爐礦渣水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分別占比56.5%、23.1%、6.4%、1.8%和4.6%。試驗(yàn)采用了2種類型的粉煤灰，即粒徑小于9.3mm 的細(xì)粉煤灰和粒徑小于4.6mm 的超細(xì)粉煤灰，密度分別為2542kg/m3和2518kg/m3，具體化學(xué)成分和燃燒損失量見表1。采用的天然河砂堆積密度為1638kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5。粗骨料最大粒徑為35mm，細(xì)度模數(shù)為6.2。減水劑為PCE 型聚羧酸醚高效減水劑。

表1 細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰的化學(xué)成分和燃燒損失量

1.2 試件制備

該試驗(yàn)使用2 種水泥和5 種不同粉煤灰替代水平（0%、10%、20%、30%和50%）的細(xì)粉煤灰F1 和超細(xì)粉煤灰F2 進(jìn)行了水泥砂漿的制備。水泥、砂和水之間的比例為2 ∶6 ∶1。水泥砂漿的和易性根據(jù)小型流動(dòng)臺(tái)確定，按GB/T 2419—2016測(cè)定水泥砂漿的流動(dòng)度。制備尺寸為160mm×40mm×40mm 的棱柱體砂漿試件，將脫模后的棱柱體試件置于（20±2）℃的水中5d。硬化后，砂漿棱柱試件采用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行7d和28d 齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

粉煤灰混凝土配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》為依據(jù)，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到混凝土所需的和易性，以防止離析并便于澆筑。該試驗(yàn)中共制備了8 種不同配合比的粉煤灰混凝土，設(shè)置了一組未摻粉煤灰的對(duì)照組混凝土（S1），10%細(xì)粉煤灰、20%超細(xì)粉煤灰以及10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰復(fù)摻的3 種不同水泥替代率的混凝土配合比見表2。制備尺寸為100mm×100mm×100m 以及高為200mm、直徑100mm的粉煤灰混凝土試件，測(cè)試其機(jī)力學(xué)性能和耐久性。

表2 粉煤灰混凝土試件配合比（單位：kg/m3）

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 砂漿和易性

坍落度試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)粉煤灰或超細(xì)粉煤灰替代率越高，2 種水泥類型制備的砂漿和易性越好，流動(dòng)坍落度也越大，如圖1 所示。

圖1 砂漿坍落度

細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰的替代率增加均對(duì)流動(dòng)性有積極影響，這可以在制備混凝土?xí)r減少減水劑的用量，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性具有有利影響。超細(xì)粉煤灰具有較高細(xì)度，在摻量較小的情況下可顯著增加砂漿的坍落度。當(dāng)超細(xì)粉煤灰替代率為10%時(shí)，硅酸鹽水泥砂漿的坍落度增加了33.3%，礦渣水泥砂漿的坍落度增加了23.8%。細(xì)粉煤灰在摻量較小的情況下對(duì)水泥漿體的坍落度增加效果沒有超細(xì)粉煤灰顯著，但在摻量為50%的情況下，細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰均有效改善了水泥漿體的和易性，比未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥和礦渣水泥漿體的坍落度增加約0.88~2.96 倍。分析其原因，粉煤灰顆粒多為表面光滑的球形顆粒，起到了滾珠軸承的作用，可減少水泥顆粒之間的摩擦，從而改善粉煤灰水泥漿體的流動(dòng)性[1]。

2.2 砂漿力學(xué)性能

砂漿7d 和28d 的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 砂漿抗壓強(qiáng)度

與細(xì)粉煤灰相比，7d 齡期的超細(xì)粉煤灰水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度并無明顯差異，但硅酸鹽水泥的7d 抗壓強(qiáng)度整體比礦渣水泥抗壓強(qiáng)度高。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，硅酸鹽水泥的7d 抗壓強(qiáng)度比礦渣水泥的抗壓強(qiáng)度高出近20MPa，硅酸鹽水泥砂漿混合物在早期達(dá)到更高的抗壓強(qiáng)度。在28d 齡期情況下，超細(xì)粉煤灰替代硅酸鹽水泥顯示出最佳的抗壓性能，當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為10%時(shí)，硅酸鹽水泥砂漿的28d抗壓強(qiáng)度高達(dá)77.4MPa，這表明超細(xì)粉煤灰比細(xì)粉煤灰對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的提升效果更明顯。與硅酸鹽水泥相比，礦渣水泥砂漿顯示出相似但略有不同的28d 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。與未摻粉煤灰的礦渣水泥砂漿相比，摻入10%細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰的礦渣水泥砂漿的28d 抗壓強(qiáng)度分別提高了4.8%和11.7%，與摻入30%細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰的礦渣水泥砂漿的28d 抗壓強(qiáng)度幾乎相等。粉煤灰細(xì)度的影響并不顯著。綜合分析，摻10%粉煤灰的砂漿顯示出最高的抗壓強(qiáng)度，可達(dá)到75MPa 以上。當(dāng)摻量高于20%的粉煤灰代替水泥反而會(huì)降低砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度。只考慮抗壓強(qiáng)度的情況下，粉煤灰水泥的最佳替代水平在10%，超細(xì)粉煤灰比細(xì)粉煤灰能獲得更高的力學(xué)強(qiáng)度。

2.3 混凝土和易性

粉煤灰混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 混凝土坍落度

硅酸鹽水泥和礦渣水泥的混凝土混合物均使用1.2kg/m3的恒劑量高效減水劑。當(dāng)粉煤灰取代水泥比例增加時(shí)，坍落度也隨之增加，混凝土拌合物具有更高的流動(dòng)性。此外，用超細(xì)粉煤灰替代20%水泥的混凝土的坍落度值大于相同取代水平且為細(xì)粉煤灰10%+超細(xì)粉煤灰10%組合的混凝土。這表明使用具有更高細(xì)度的超細(xì)粉煤灰可使混凝土拌合物具有更好的和易性。分析其原因，粉煤灰在混凝土早期水化階段的作用主要是物理填充作用，因?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)相對(duì)較低，所以采用物理激發(fā)法制備超細(xì)粉煤灰比化學(xué)激發(fā)法更方便，比表面積可達(dá)到600m2/kg~700m2/kg，比普通粉煤灰高約2 倍。盡管超細(xì)粉煤灰的化學(xué)組成與普通粉煤灰相同，但超細(xì)粉煤灰的粒徑、結(jié)構(gòu)和微觀形貌與粉煤灰相比發(fā)生了很大變化，超細(xì)粉煤灰在水泥水化過程中的物理、化學(xué)作用也發(fā)生了很大變化，可使超細(xì)粉煤灰在水泥水化中發(fā)揮更積極的作用[2]。

2.4 混凝土力學(xué)性能

對(duì)各組粉煤灰混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同摻量的細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響?；炷亮W(xué)強(qiáng)度如圖4 所示。

圖4 混凝土力學(xué)強(qiáng)度

在7d 和28d 齡期，未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到53.5MPa。摻入20%超細(xì)粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度接近未摻粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度值，高于摻10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰的混凝土的抗壓強(qiáng)度。由此可見，粉煤灰細(xì)度越細(xì)，混凝土力學(xué)強(qiáng)度越高。分析其原因，粉煤灰的活性取決于許多參數(shù)，如細(xì)度、化學(xué)成分和礦物成分、未燃燒碳含量和燃燒損失等。考慮礦渣水泥中波特蘭水泥熟料較少，產(chǎn)生的Ca（OH）2產(chǎn)物用于粉煤灰的火山灰反應(yīng)，與硅酸鹽水泥粉煤灰混凝土相比，礦渣水泥粉煤灰的力學(xué)強(qiáng)度結(jié)果較低。摻10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰的礦渣水泥粉煤灰混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度最低，為44.2MPa。超細(xì)粉煤灰比細(xì)粉煤灰具有更好的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，且超細(xì)粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)也更致密。

分析其原因，在粉煤灰和水泥復(fù)合材料的水化過程中，水泥與水反應(yīng)生成C-S-H、Ca（OH）2。然后Ca（OH）2與粉煤灰、水反應(yīng)生成C-S-H 和C-A-H。從長(zhǎng)期水化的角度來看，粉煤灰的成核作用在一定程度上促進(jìn)了水泥的水化，這是因?yàn)榉勖夯姨峁┝舜罅康某珊宋稽c(diǎn)，促進(jìn)了水泥的結(jié)晶。粉煤灰的成核作用有助于C-S-H 凝膠的形成和Ca（OH）2的結(jié)晶。在水化后期，隨著粉煤灰水化程度的增加，粉煤灰與越來越多的Ca（OH）2反應(yīng)，對(duì)改善混凝土的力學(xué)性能和水化機(jī)理具有積極作用[3]?？傮w而言，超細(xì)粉煤灰的火山灰效應(yīng)好于普通粉煤灰，超細(xì)粉煤灰水泥復(fù)合材料對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用優(yōu)于普通粉煤灰。

2.5 混凝土抗碳化性能

混凝土與大氣環(huán)境中的CO2產(chǎn)生碳化反應(yīng)會(huì)降低混凝土內(nèi)部的pH 值，并可能會(huì)引起鋼筋腐蝕。已有學(xué)者證明，混凝土的碳化程度與混凝土摻合料種類、水灰比、混凝土固化條件以及暴露于CO2時(shí)的齡期有關(guān)。該文對(duì)各組粉煤灰混凝土進(jìn)行了耐久性能分析，并進(jìn)行了加速碳化試驗(yàn)，以研究不同摻量的細(xì)粉煤灰和超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土耐久性能的影響?；炷撂蓟疃热鐖D5 所示。

圖5 混凝土碳化深度

由圖5 可知，未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土和礦渣水泥混凝土7d 齡期的碳化深度分別為2.2mm 和6.6mm，28d 齡期的碳化深度分別為2.6mm 和8.4mm。隨著粉煤灰的摻入，粉煤灰混凝土的碳化深度比未摻粉煤灰的混凝土碳化深度大。在7d 和28d 齡期的硅酸鹽水泥混凝土中，摻入20%超細(xì)粉煤灰的混凝土比摻入10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。在7d 和28d 齡期的礦渣水泥混凝土中，摻入20%超細(xì)粉煤灰的混凝土比摻入10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰混凝土的碳化深度反而低10.2%和3.3%。在不同齡期的混凝土試樣中，碳化深度隨著齡期的增加而增加。通過加速碳化試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，摻入20%超細(xì)粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土和摻入10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰混凝土的碳化程度較高。

3 結(jié)論

該文研究了超細(xì)粉煤灰和細(xì)粉煤灰在不同摻量條件下對(duì)水泥砂漿和混凝土和易性、力學(xué)性能和抗碳化性能的影響，得出如下結(jié)論。1）更細(xì)的粉煤灰有助于提高粉煤灰復(fù)合水泥砂漿和混凝土混合物的和易性。當(dāng)超細(xì)粉煤灰替代率為10%時(shí)，硅酸鹽水泥砂漿的坍落度增加了33.3%，礦渣水泥砂漿的坍落度增加了23.8%。2）對(duì)普通硅酸鹽水泥來說，使用20%水泥替代率的超細(xì)粉煤灰混凝土的28d 齡期抗壓強(qiáng)度較接近于未摻粉煤灰的普通混凝土抗壓強(qiáng)度，高于摻10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度。粉煤灰細(xì)度越細(xì)，混凝土力學(xué)強(qiáng)度越高。3）在耐久性方面，用超細(xì)粉煤灰替代水泥對(duì)抗碳化性能有負(fù)面影響，在7d 和28d 齡期的硅酸鹽水泥混凝土中，摻入20%超細(xì)粉煤灰的混凝土比摻入10%細(xì)粉煤灰+10%超細(xì)粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。