固廢復(fù)合材料灌漿料復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)分析

張會(huì)芳,龔琳洋,任婭娜,黃建國,寇 斌,顏政偉,張占超,劉偉杰,魏文博

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,張家口 075051;2.河北省裝配式建筑與地下工程技術(shù)創(chuàng)新中心,張家口 075051;3.張家口建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司,張家口 075000;4.張家口建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,張家口 075000;5.張家口市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,張家口 075001)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快和人們生活水平的提高,我國出現(xiàn)了越來越多的固體廢棄物,不僅占用土地資源,還對(duì)環(huán)境造成污染,因此如何高效、高質(zhì)量處理固體廢棄物亟待研究[1]。由于天然骨料是短期內(nèi)不可再生資源,隨著建筑行業(yè)的發(fā)展,許多地區(qū)出現(xiàn)了天然骨料資源短缺的情況,鐵尾礦砂和機(jī)制砂代替天然骨料制備混凝土已成為建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

粉煤灰和礦渣是中國當(dāng)前排量巨大且最普遍的固體廢棄物,眾多學(xué)者已將粉煤灰和礦渣應(yīng)用于建材行業(yè)。Srinivasamurthy等[2]研究了灰渣比和Na2O含量對(duì)粉煤灰/礦渣基堿激發(fā)材料浸出行為的影響,發(fā)現(xiàn)礦渣會(huì)導(dǎo)致水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)和水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)凝膠的含量升高,堿激發(fā)材料力學(xué)性能增強(qiáng),孔隙率降低。Lyu等[3]對(duì)堿激發(fā)粉煤灰-礦渣復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明礦渣含量是影響膠凝材料抗壓強(qiáng)度的主要因素,摻入礦渣能提高水化反應(yīng)速率,細(xì)化結(jié)構(gòu)的孔徑分布,降低孔隙率。劉沛等[4]對(duì)礦物摻合料透水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)摻或三摻粉煤灰、礦渣和偏高嶺土?xí)r,混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于單摻。戴成宗[5]研究了復(fù)摻粉煤灰和超細(xì)礦渣對(duì)水工膜袋混凝土抗凍性能的試驗(yàn),結(jié)果表明復(fù)摻粉煤灰和超細(xì)礦渣可以有效提升膜袋混凝土的抗凍性能。劉進(jìn)等[6]研究了粉煤灰和礦渣對(duì)磷酸鎂水泥水化進(jìn)程的影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰和礦渣對(duì)磷酸鎂水泥的水化具有較強(qiáng)的延緩作用,且礦渣的延緩效果更強(qiáng)。另外還有部分學(xué)者[7]對(duì)利用固廢礦化封存二氧化碳進(jìn)行了研究。張亞朋等[8]比較研究了工業(yè)固體廢棄物-電石渣、鋼渣和粉煤灰3種固廢的CO2封存能力,發(fā)現(xiàn)固廢濕法固碳性能一般優(yōu)于干法,CO2封存量分別可達(dá)613.4、191.9和8.4 g·kg-1。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)機(jī)制砂和鐵尾礦砂的應(yīng)用進(jìn)行了探討和研究。Tan等[9]分析了聚丙烯纖維對(duì)機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度和抗碳化性能的影響,發(fā)現(xiàn)不同含量和長度的聚丙烯纖維能不同程度地提高機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度,同時(shí)降低碳化深度,提高碳化動(dòng)態(tài)彈性模量。何世欽等[10]研究了加載齡期對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土徐變性能的影響,發(fā)現(xiàn)增大加載齡期會(huì)減小機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的徐變,且機(jī)制砂的摻量控制在10%(文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))以內(nèi)效果較好。王新等[11]對(duì)混雜纖維機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明隨著機(jī)制砂取代率的增加,纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的增強(qiáng)作用減弱,裂縫擴(kuò)展時(shí)機(jī)制砂混凝土的彈性應(yīng)變能釋放率和耗散能轉(zhuǎn)換率均小于天然砂混凝土。

目前,針對(duì)粉煤灰、礦渣和鐵尾礦砂等固廢材料的復(fù)配試驗(yàn)已取得了一些進(jìn)展,但在復(fù)摻水泥和固廢材料混合三元砂的設(shè)計(jì)方面仍然存在研究不足的問題。本試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的復(fù)摻試驗(yàn)、石英砂-鐵尾礦砂-機(jī)制砂的三元復(fù)合體系復(fù)配試驗(yàn)和正交試驗(yàn)等方式,對(duì)水泥基灌漿料試件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,該研究有益于提高灌漿料的性能,提高工業(yè)廢棄物、鐵尾礦砂和機(jī)制砂的利用率,降低灌漿料的成本,并為多元復(fù)合材料的綜合利用方向提供新思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 膠凝材料

1.1.1 普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥

本試驗(yàn)采用的是普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥兩種,普通硅酸鹽水泥采用金隅牌P·O 42.5水泥,硫鋁酸鹽水泥采用千凌韻微膨脹水泥,水泥性能良好,普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥性能指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 普通硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of ordinary Portland cement

表2 硫鋁酸鹽水泥的性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of sulphate aluminate cement

1.1.2 粉煤灰、礦渣

本試驗(yàn)采用Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95礦渣粉,粉煤灰的性能指標(biāo)如表3所示,水泥、粉煤灰和礦渣的主要化學(xué)組成如表4所示。

表3 粉煤灰的性能指標(biāo)Table 3 Performance indicators of fly ash

表4 水泥、粉煤灰及礦渣的主要化學(xué)組成Table 4 Main chemical composition of cement, fly ash and slag

1.2 細(xì)骨料

本試驗(yàn)細(xì)骨料采用石英砂、鐵尾礦砂和機(jī)制砂,選用張家口宣化鐵礦廠堆積排放的鐵尾礦砂,鐵尾礦砂的性能指標(biāo)如表5所示。石英砂、機(jī)制砂和鐵尾礦砂經(jīng)過篩分后進(jìn)行顆粒級(jí)配,細(xì)骨料顆粒級(jí)配如圖1所示。

圖1 細(xì)骨料顆粒級(jí)配Fig.1 Fine aggregate particle gradation

表5 鐵尾礦砂的性能指標(biāo)Table 5 Performance indicators of iron tailings sand

1.3 外加劑

本試驗(yàn)采用的外加劑包括聚羧酸減水劑、聚乙二醇消泡劑和UEA型膨脹劑。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 復(fù)配水泥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過調(diào)整普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的質(zhì)量比,提高灌漿料試件早期強(qiáng)度。試驗(yàn)使用的細(xì)骨料為標(biāo)準(zhǔn)砂,不添加外加劑。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥取代量為水泥質(zhì)量的0%、15%、20%、25%、30%、35%、100%時(shí),測定灌漿料試件性能,復(fù)配水泥試驗(yàn)組編號(hào)為SN-0～SN-6,配合比設(shè)計(jì)如表6所示。

表6 普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)配試驗(yàn)配合比Table 6 Mix ratio of ordinary Portland cement and sulphate aluminate cement in composite test

按照表6所示配合比將原材料混合均勻,制備40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試塊,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,將成型的試件放入水箱中養(yǎng)護(hù)至齡期7和28 d后,分別進(jìn)行力學(xué)性能檢測。

1.4.2 復(fù)配砂試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的細(xì)骨料采用的是石英砂-鐵尾礦砂-石灰石機(jī)制砂三元復(fù)合體系,為了達(dá)到高強(qiáng)度,細(xì)骨料主要使用石英砂,且為了保證強(qiáng)度,石英砂的占比控制在70%。膠凝材料按照復(fù)配水泥試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)比例摻入并進(jìn)行復(fù)配砂試驗(yàn),該試驗(yàn)主要通過調(diào)整鐵尾礦砂和石灰石機(jī)制砂的質(zhì)量比,設(shè)計(jì)三元砂復(fù)配試驗(yàn),試驗(yàn)組編號(hào)為SY-0～SY-6,具體配合比如表7所示。

表7 石英砂-鐵尾礦砂-機(jī)制砂復(fù)配試驗(yàn)配合比Table 7 Mix ratio of quartz sand-iron tailings sand-manufactured sand in composite test

1.4.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在復(fù)配水泥試驗(yàn)和復(fù)配砂試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量和礦渣摻量四個(gè)因素,每個(gè)因素取四個(gè)水平,選用L16(44)正交表進(jìn)行16組試驗(yàn),具體如表8所示。

表8 正交試驗(yàn)因素及水平Table 8 Orthogonal test factors and levels

1.5 試驗(yàn)方法

按照《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(GB/T 50448—2015)[12]和《水泥基灌漿材料》(JC/T 986—2018)[13]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行攪拌,制備40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊并進(jìn)行養(yǎng)護(hù),按照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T17671—2021)[14]進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,繼續(xù)通過水養(yǎng)護(hù)至測試齡期。采用X射線衍射儀(X-ray diffractometer, XRD)對(duì)灌漿料試件進(jìn)行物相分析,掃描起始角度為5°,終止角度為80°,每步間隔0.02°,每步停留0.5 s[15]。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察灌漿料試件的微觀形貌,本試驗(yàn)的掃描電子顯微鏡使用SE2探測器,加速電壓為3 kV,工作距離為7.9～8.9 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配水泥試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表6中復(fù)配水泥的試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到復(fù)配水泥的抗折、抗壓強(qiáng)度,圖2、圖3分別為普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)配試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)配試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength of ordinary Portland cement and sulphate aluminate cement in composite test

圖3 普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)配試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of ordinary Portland cement and sulphate aluminate cement in composite test

從圖2中可以看出,硫鋁酸鹽水泥的摻入使灌漿料試件7和28 d抗折強(qiáng)度都得到了一定程度的提升,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,其28 d抗折強(qiáng)度逐漸升高,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量達(dá)30%時(shí),抗折強(qiáng)度達(dá)到最高。從圖3中可以看出,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,抗壓強(qiáng)度先降低后升高再降低,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量增加至20%時(shí),灌漿料試件7和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值。隨著硫鋁酸鹽水泥熟料的增加,水泥中的硅酸二鈣(C2S)含量有所提高,但由于無水硫鋁酸鈣(C4A3S)迅速水化,水泥內(nèi)部部分C2S反應(yīng)生成硅酸三鈣(C3S),并且隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,AFt和凝膠形成量增大,水化反應(yīng)速度加快。雖然SN-2的抗壓強(qiáng)度略低于純普通硅酸鹽水泥灌漿料試件的強(qiáng)度,但綜合抗折強(qiáng)度、早期抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)SN-2的力學(xué)性能較好,故選擇該組的比例(普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的比例為4∶1)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 復(fù)配細(xì)骨料試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4、圖5分別為石英砂-鐵尾礦砂-機(jī)制砂復(fù)配試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖4中可以看出:石英砂、機(jī)制砂和鐵尾礦砂三種砂復(fù)摻能提高灌漿料試件的抗折強(qiáng)度,石英砂單摻機(jī)制砂或單摻鐵尾礦砂會(huì)降低灌漿料試件的抗折強(qiáng)度;隨著鐵尾礦砂摻量的增加,抗折強(qiáng)度逐漸升高,其中SY-5的抗折強(qiáng)度最高。從圖5看出,隨著鐵尾礦砂摻量增加,抗壓強(qiáng)度先升高后降低,其中SY-2的抗壓強(qiáng)度最高,即鐵尾礦砂摻量為10%、機(jī)制砂摻量為20%時(shí),試件28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。由于機(jī)制砂和鐵尾礦砂棱角分明,顆粒表面相對(duì)粗糙,能提供更好的黏合度,隨著機(jī)制砂和鐵尾礦砂摻量的增加,試件的抗壓能力更強(qiáng)。但機(jī)制砂的堅(jiān)固性較差,且砂中含有石粉,拌合黏滯阻力增大,會(huì)降低試件的強(qiáng)度和流動(dòng)度,故需把機(jī)制砂和鐵尾礦砂的摻量控制在合理范圍內(nèi)。綜合抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,細(xì)骨料選擇石英砂、鐵尾礦砂和機(jī)制砂的質(zhì)量比為7∶1∶2。

圖4 石英砂-鐵尾礦砂-機(jī)制砂復(fù)配試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度Fig.4 Flexural strength of quartz sand-iron tailings sand-manufactured sand in composite test

圖5 石英砂-鐵尾礦砂-機(jī)制砂復(fù)配試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of quartz sand-iron tailings sand-manufactured sand in composite test

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合復(fù)配水泥試驗(yàn)、復(fù)配砂試驗(yàn)和表8的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到正交試驗(yàn)結(jié)果,如表9所示,正交試驗(yàn)流動(dòng)度測試結(jié)果和膨脹度測定結(jié)果,如圖6、圖7所示。

圖6 正交試驗(yàn)流動(dòng)度測試結(jié)果Fig.6 Orthogonal test results of fluidity

圖7 正交試驗(yàn)膨脹度測定結(jié)果Fig.7 Orthogonal test results of degree of expansion

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Orthogonal test results

從圖6中可以看出,正交試驗(yàn)中16個(gè)試驗(yàn)組的流動(dòng)度均滿足不小于260 mm的要求。隨著試件中水分的增加,水分在試件中起到一定填充作用,減少水泥顆粒之間的摩擦,提高漿體的流動(dòng)度,試件的流動(dòng)度隨水膠比的增大而提高;但是小部分水在漿體中替代了部分水泥顆粒并起到填充作用,能降低試件的抗折、抗壓強(qiáng)度,隨著水膠比的增大試件的強(qiáng)度逐漸降低,16個(gè)試驗(yàn)組的膨脹率都滿足大于0.1%的要求。隨著膨脹率的增大,試件內(nèi)部空隙增大、裂縫增加,直接導(dǎo)致灌漿料試件強(qiáng)度降低。灌漿料試件的膨脹系數(shù)越小,內(nèi)部縫隙越小,結(jié)構(gòu)也更密實(shí)。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析,正交試驗(yàn)的性能指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度值,如表10所示。

表10 正交試驗(yàn)極差分析Table 10 Orthogonal experiment range analysis

正交試驗(yàn)極差指標(biāo)越大,表示該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越大。從表10極差一欄可以看出:對(duì)1 d抗壓強(qiáng)度影響程度從大到小依次為水膠比、粉煤灰摻量、礦渣摻量和膠砂比;對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度影響程度從大到小依次為水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量和礦渣摻量;對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響程度從大到小依次為水膠比、粉煤灰摻量、膠砂比和礦渣摻量。

根據(jù)28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)比表中每個(gè)因素下K1/4～K4/4的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):水膠比的K1/4數(shù)值最大,即水膠比為0.33時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度最好;膠砂比的K3/4數(shù)值最大,即膠砂比為1.0∶1.2時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度最好;粉煤灰摻量的K2/4數(shù)值最大,即粉煤灰摻量為6%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度最好;礦渣摻量的K4/4的數(shù)值最大,即礦渣摻量為10%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度最好,即正交試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合為A1B3C2D4。

水泥和水接觸產(chǎn)生水化反應(yīng),水泥顆粒開始分解并釋放熟料中的化合物。當(dāng)化合物溶解到一定程度時(shí)開始發(fā)生膠凝化反應(yīng),漿體逐漸硬化形成水泥石。在水化反應(yīng)初期,鈣礬石(AFt)的生成速度非常快,生成的AFt包裹在未反應(yīng)的C2S等物質(zhì)的表面,導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。圖8為正交試驗(yàn)的1 d抗壓強(qiáng)度極差分析。結(jié)合表10和圖8可以看出:隨著水膠比增大,試件1 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低;膠砂比、粉煤灰摻量和礦渣摻量對(duì)1 d抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)相同,即隨著比例或摻量增加,強(qiáng)度先升高后降低。圖8中每個(gè)因素的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為該因素下最優(yōu)水平,1 d抗壓強(qiáng)度最佳因素水平組合為A1B3C3D3,即水膠比為0.33、膠砂比為1.0∶1.2、粉煤灰摻量為8%、礦渣摻量為8%時(shí)試件1 d抗壓強(qiáng)度最高。

圖8 正交試驗(yàn)的1 d抗壓強(qiáng)度極差分析Fig.8 Range analysis of 1 d compressive strength in orthogonal test

圖9為正交試驗(yàn)3 d抗壓強(qiáng)度極差分析。從圖9中可以看出:隨著水膠比增大,試件3 d抗壓強(qiáng)度先降低后升高再降低;隨著水膠比增大,抗壓強(qiáng)度先升高后降低;隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強(qiáng)度先升高后降低,由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)速度比較緩慢,灌漿料試件的收縮變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)降低;由于水化反應(yīng)的加速進(jìn)行,試件的早期強(qiáng)度發(fā)展速率增加,抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量的增加逐漸增大。最佳因素水平組合為A1B3C2D4,即水膠比為0.33、膠砂比為1.0∶1.2、粉煤灰摻量為6%、礦渣摻量為10%時(shí),試件3 d抗壓強(qiáng)度最高。

圖9 正交試驗(yàn)3 d抗壓強(qiáng)度極差分析Fig.9 Range analysis of 3 d compressive strength in orthogonal test

在灌漿料試件水化反應(yīng)過程中,C2S和C3S生成C-S-H凝膠和氫氧化鈣(CH),CH濃度達(dá)到飽和并析出;水化反應(yīng)形成的C-S-H凝膠不溶于水,以膠體微粒狀態(tài)析出;水化鋁酸鈣(C-A-H)和CH反應(yīng)生成C-S-H凝膠;水泥中的石膏和C-A-H反應(yīng)生成AFt。圖10為正交試驗(yàn)28 d抗壓強(qiáng)度極差分析。從圖10中可以看出,隨著水膠比增大,試件中的自由水含量增加,在試件內(nèi)部取代水泥顆粒起到一定支撐作用,導(dǎo)致試件28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。隨著膠砂比逐漸增大,抗壓強(qiáng)度先降低后升高再降低,隨著膠砂比的增大,膠凝材料的相對(duì)含量逐漸升高,為水化反應(yīng)提供的反應(yīng)物質(zhì)濃度升高,增加水化反應(yīng)速率,水化產(chǎn)物增多,一定程度上能提高試件的強(qiáng)度;但隨著膠砂比的增大,砂含量降低,當(dāng)細(xì)骨料含量下降過多時(shí),試件內(nèi)部起支撐作用的砂量不足,直接導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低,故要對(duì)膠砂比進(jìn)行控制。隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強(qiáng)度先升高后降低;隨著礦渣摻量的增加,抗壓強(qiáng)度逐漸上升。粉煤灰和礦渣的加入能消耗部分自由水,降低試件的流動(dòng)度,且粉煤灰和礦渣的加入能降低水化熱。綜上所述,最佳因素水平組合為A1B3C2D4,即水膠比為0.33、膠砂比為1.0∶1.2、粉煤灰摻量和礦渣摻量分別為6%和10%時(shí),試件的28 d抗壓強(qiáng)度最高。

圖10 正交試驗(yàn)28 d抗壓強(qiáng)度極差分析Fig.10 Range analysis of 28 d compressive strength in orthogonal test

2.4 微觀分析

2.4.1 X射線衍射分析

圖11為正交試驗(yàn)16個(gè)試驗(yàn)組水化反應(yīng)28 d的XRD譜。從圖11可以看出,正交試驗(yàn)16個(gè)試驗(yàn)組的XRD譜大致相同。水化反應(yīng)主要的水化產(chǎn)物包括C-A-H凝膠、石英(SiO2)、AFt、C2S、C3S、C4A3S和CH等,CH主要是由C2S和C3S的水化反應(yīng)生成的。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,C4A3S被逐漸消耗。試件在25°～35°出現(xiàn)寬峰,即在水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠和N-A-S-H凝膠等物質(zhì),這些凝膠的產(chǎn)生能使試件的抗折、抗壓強(qiáng)度得到提升。

圖11 正交試驗(yàn)中16個(gè)試驗(yàn)組水化28 d 的XRD譜Fig.11 XRD patterns of 16 experimental groups after hydration 28 d in orthogonal test

2.4.2 掃描電子顯微鏡分析

圖12～圖18為正交試驗(yàn)部分試驗(yàn)組28 d試件的SEM照片。圖12和圖13分別為正交試驗(yàn)1組和2組灌漿料試件的微觀結(jié)構(gòu)。從圖12和圖13中可以看出,正交試驗(yàn)中1、2組的水化反應(yīng)都生成了較多C-S-H凝膠,C-S-H凝膠占漿體體積的50%～60%,故其為決定漿體性能的主要成分,因此兩組試件的實(shí)際抗壓強(qiáng)度都偏高。試驗(yàn)1組中反應(yīng)生成的C-S-H凝膠孔隙較大,而試驗(yàn)2組中反應(yīng)生成的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)更密實(shí)且試件中存在部分C4A3S,兩者共同作用使試驗(yàn)2組的抗壓強(qiáng)度略高于試驗(yàn)1組的強(qiáng)度。

圖12 1組SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM image of 1 group

圖13 2組SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM image of 2 group

圖14 8組SEM照片F(xiàn)ig.14 SEM image of 8 group

圖15 16組SEM照片F(xiàn)ig.15 SEM image of 16 group

從圖14和圖15中可以看出,試驗(yàn)8組和試驗(yàn)16組的微觀結(jié)構(gòu)中存在兩種形態(tài)的AFt,這是由于試驗(yàn)8組和試驗(yàn)16組的水膠比存在差異,水膠比對(duì)AFt的生長存在顯著影響。試驗(yàn)16組的水膠比較大,水泥石結(jié)構(gòu)更加松散,AFt存在生存空間;試驗(yàn)8組的水膠比較小,水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí),孔隙較小,其中生成AFt的空間更小,晶體反應(yīng)生成時(shí)會(huì)產(chǎn)生各向異性生長,從而呈現(xiàn)針狀。結(jié)合表11中正交試驗(yàn)28 d抗壓強(qiáng)度能看出,兩組的AFt對(duì)灌漿料試件強(qiáng)度的影響差別較大,產(chǎn)生該強(qiáng)度差異的主要原因是水膠比較大的一組會(huì)為AFt的生長提供更多空間,但由于試驗(yàn)測試的齡期為28 d,存在試件內(nèi)部水化反應(yīng)不完全的問題,且水泥石中CH的產(chǎn)生會(huì)降低漿體中Ca2+的含量,從而影響灌漿料試件的強(qiáng)度。

結(jié)合表11中正交試驗(yàn)3 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)16組的早期強(qiáng)度高于試驗(yàn)8組的抗壓強(qiáng)度。這是由于AFt存在溶解度小、強(qiáng)度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn),可以提高試件的早期強(qiáng)度,且水化反應(yīng)生成的水化硫鋁酸鈣能使混凝土的體積產(chǎn)生一定程度的膨脹,可以抵消掉一部分混凝土的干縮以及化學(xué)縮減產(chǎn)生的拉應(yīng)力,能夠起到補(bǔ)償體積收縮的效果。

圖16、圖17分別為正交試驗(yàn)6組和10組灌漿料試件的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)合表11中試驗(yàn)6組和試驗(yàn)10組中28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),相同條件下這兩組試件的強(qiáng)度偏低。從圖16中可以看出,導(dǎo)致試驗(yàn)6組強(qiáng)度偏低的主要原因是水化反應(yīng)不完全,存在體積較大及未完全反應(yīng)的粉煤灰。

圖16 6組SEM照片F(xiàn)ig.16 SEM image of 6 group

圖17 10組SEM照片F(xiàn)ig.17 SEM image of 10 group

導(dǎo)致試驗(yàn)10組強(qiáng)度偏低的原因是試件中存在較多的CH。在水泥水化反應(yīng)的過程中,試件在釋放熱量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的CH,且CH的生成會(huì)消耗漿體中游離狀態(tài)的Ca2+,直接影響C-S-H凝膠的生成,從而導(dǎo)致灌漿料試件強(qiáng)度降低,性能達(dá)不到理想要求。CH微溶于水,試件表面遇水時(shí)會(huì)導(dǎo)致一小部分CH會(huì)移至試件表層,導(dǎo)致表面泛堿發(fā)白。

圖18分別為正交試驗(yàn)15組灌漿料試件的微觀結(jié)構(gòu)。從圖18中可以看出,該試件存在較多六水鋁酸三鈣(C3AH6),C3AH6對(duì)灌漿料試件的凝結(jié)起主要作用,對(duì)灌漿料試件早期的強(qiáng)度影響較大,但水化產(chǎn)物強(qiáng)度較低。

圖18 15組SEM照片F(xiàn)ig.18 SEM image of 15 group

3 結(jié) 論

1)通過復(fù)配水泥試驗(yàn),硫鋁酸鹽水泥的加入能提高灌漿料試件的抗折強(qiáng)度和早期抗壓強(qiáng)度,綜合灌漿料試件7和28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),當(dāng)普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的質(zhì)量比為4∶1時(shí),灌漿料試件的早強(qiáng)和抗壓強(qiáng)度的效果最好。

2)通過復(fù)配砂試驗(yàn),設(shè)計(jì)了細(xì)骨料為石英砂、鐵尾礦砂和機(jī)制砂的三元復(fù)合體系,發(fā)現(xiàn)三元砂復(fù)合體系能提高灌漿料試件的抗折強(qiáng)度,當(dāng)石英砂、鐵尾礦砂、機(jī)制砂的質(zhì)量比為7∶1∶2時(shí),灌漿料試件28 d抗壓強(qiáng)度最高,效果最好。

3)通過正交試驗(yàn),設(shè)計(jì)水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量和礦渣摻量四個(gè)因素,對(duì)抗壓強(qiáng)度影響程度由大到小為水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、礦渣摻量,通過極差分析得到最佳因素水平組合為A1B3C2D4,即水膠比為0.33、膠砂比為1.0∶1.2、粉煤灰摻量為6%、礦渣摻量為10%時(shí),試件28 d抗壓強(qiáng)度最高。

4)通過XRD和SEM檢測發(fā)現(xiàn)C-S-H凝膠的密實(shí)程度會(huì)影響灌漿料試件的強(qiáng)度;水膠比的大小對(duì)AFt物相有影響,當(dāng)水膠比較大時(shí),AFt生長空間大,多表現(xiàn)為柱狀,當(dāng)水膠比較小時(shí),AFt生長空間小,多表現(xiàn)為針狀;AFt和C3AH6能提高試件的早期強(qiáng)度。