粉煤灰對(duì)硬化水泥漿泛霜的抑制作用

賀素仁， 詹炳根， 周 安， 周萬(wàn)良

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

泛霜是在混凝土和水泥砂漿制品的表面形成的一種白色毛絮狀物質(zhì)。泛霜對(duì)建筑物的使用和外觀影響很大，嚴(yán)重的泛霜還會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性［1－2］。研究表明，粉煤灰對(duì)泛霜有較好的抑制作用。文獻(xiàn)［3］發(fā)現(xiàn)CaCO3是泛霜的最典型相；文獻(xiàn)［4］在對(duì)硫酸鹽的風(fēng)化研究中認(rèn)為粉煤灰能夠抑制硫酸鹽引起的泛霜是由于孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，但沒(méi)有分析具體原因；文獻(xiàn)［5］認(rèn)為粉煤灰與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)形成凝膠，凝膠吸附了大量的Na＋，從而抑制硫酸鈉和碳酸鈉的析出。

本文通過(guò)給定的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度條件，模擬泛霜發(fā)生的過(guò)程，對(duì)泛霜組分、數(shù)量及硬化水泥漿孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究粉煤灰對(duì)泛霜的抑制效果及作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

選用銅陵水泥廠產(chǎn)的525＃純硅酸鹽水泥，其化學(xué)組分、礦物組成見(jiàn)表1和表2所列；南京華能Ⅰ級(jí)超細(xì)粉煤灰（FA），其化學(xué)成分見(jiàn)表1所列； 拌合水為去離子水。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 水泥礦物組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試件制備

成型水泥漿，水膠比0.45，內(nèi)摻不同量的粉煤灰替代水泥。粉煤灰摻量以及試件標(biāo)號(hào)分別為：0（粉煤灰摻量為0）、FA1（粉煤灰摻量為10%）、FA2（粉煤灰摻量為20%）、FA3（粉煤灰摻量為30%）。

在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（50±5）%的環(huán)境下，成型水泥漿試件。試件尺寸為40mm×40mm×40mm。按照文獻(xiàn)［6］進(jìn)行攪拌、裝模。試件成型后24h脫模，置于溫度20℃，相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)。7d后進(jìn)行泛霜試驗(yàn)。

1.2.2 泛霜試驗(yàn)

將試樣頂面或有孔洞的面朝上分別置于淺盤中，往淺盤中注入蒸餾水，水面高度與試件上表面平行。用透明材料覆蓋在淺盤上，并將試樣暴露在外面，記錄時(shí)間。試樣浸在盤中的時(shí)間為7d，開始2d內(nèi)經(jīng)常加水以保持盤內(nèi)水面高度，以后則保持浸在水中即可。7d后取出試樣，在同樣的環(huán)境條件下放置4d，然后在（105士5）℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒量取出冷卻至常溫。記錄干燥后的泛霜程度。7d后開始記錄泛霜情況，每天1次。

1.2.3 泛霜分析

參照文獻(xiàn)［7］對(duì)試件泛霜情況進(jìn)行拍照，采用圖像分析軟件Image－ProPlus6.0對(duì)試件表面泛霜的面積進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算泛霜面積占總面積的百分比，評(píng)價(jià)試件表面泛霜程度。

刮取試件上的泛霜，采用D／MAX2500VL／PC型X射線衍射儀（X－Ray diffractometer）進(jìn)行XRD分析，確定具體組分。

采用美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特SA3100比表面和孔徑分析儀進(jìn)行氮吸附試驗(yàn)，測(cè)定孔徑分布。將經(jīng)過(guò)泛霜的試件從養(yǎng)護(hù)環(huán)境中取出，浸入無(wú)水酒精中終止水化。取出試塊，放入烘箱內(nèi)，在60℃下烘24h，取出試塊，去除試件表面雜質(zhì)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件泛霜XRD分析

試件泛霜的XRD分析如圖1所示，從圖1可以看出，試件表面泛霜的成分主要為CaCO3、Ca（OH）2，還有 Na2SO4、K2SO4等一些鹽類物質(zhì)。Ca（OH）2是水泥水化產(chǎn)物，CaCO3由Ca（OH）2和空氣中CO2反應(yīng)生成。水泥中的Na2O、K2O通過(guò)水化作用分離出來(lái)形成強(qiáng)堿NaOH和KOH，對(duì)CaCO3的形成起重要作用［3］。另外，水泥中含有Na2SO4、K2SO4等堿鹽，這些水溶性鹽類隨水分遷移至表面，蒸發(fā)后在試件表面形成泛霜。

圖1 試件泛霜的XRD分析

2.2 試件表面泛霜數(shù)量以及試件強(qiáng)度

試件表面泛霜數(shù)量及試件抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3所列。

表3 試件泛霜數(shù)量以及試件抗壓強(qiáng)度

由表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度小幅提高，泛霜趨勢(shì)得到了有效的抑制。粉煤灰摻量為0%～10%時(shí)，泛霜數(shù)量緩慢降低；在10%～20%時(shí)，泛霜變化最為明顯；直到20%～30%，泛霜數(shù)量的趨勢(shì)又變得較為緩和。在加入30%的粉煤灰試件中，泛霜數(shù)量?jī)H為22.9%，比0號(hào)試件降低了近70%，抑制效果明顯。在摻量較低的情況下，粉煤灰對(duì)泛霜的抑制作用是有限的。摻量提高雖然可以抑制泛霜，卻不能完全消除。

結(jié)合泛霜數(shù)量以及泛霜成分分析，可以認(rèn)為粉煤灰抑制泛霜主要是減少了Ca（OH）2的析出以及相應(yīng)地降低CaCO3的生成。粉煤灰具有很強(qiáng)的火山灰效應(yīng)，與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)生成大量的低Ca／Si凝膠，而且在水化過(guò)程中一部分鋁固溶到 C－S－H 凝膠中形成 C－A－S－H凝膠［8］，消耗了水化產(chǎn)物 Ca（OH）2。同時(shí)，低Ca／Si凝膠吸收孔溶液中的Na＋、K＋離子，降低了孔溶液的堿度，CO2溶到水中與Ca2＋發(fā)生反應(yīng)形成CaCO3的過(guò)程受到抑制。

2.3 試件孔結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)氮吸附法得出不同粉煤灰摻量試件氮吸附－脫附等溫線如圖2所示。

從圖2中可以看出，試件0、FA1、FA2、FA3的氮吸附－脫附等溫線均存在毛細(xì)孔凝結(jié)引起的“磁滯回線”現(xiàn)象，表明4個(gè)試件中均有連通中孔或窄縫孔存在。在所有的相對(duì)壓力范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的吸附量明顯減少，同時(shí)“磁滯回線”也越來(lái)越不明顯，由此可以看出，4個(gè)試件的孔結(jié)構(gòu)存在很大差異。粉煤灰的摻入，明顯地改變了硬化水泥漿的孔結(jié)構(gòu)。高摻量粉煤灰硬化水泥漿體具有更細(xì)小和均勻的孔結(jié)構(gòu)。

圖2 試件氮吸附－脫附等溫線

根據(jù)孔徑（d）把孔隙劃分為4個(gè)等級(jí)［9］，d＜20nm為無(wú)害孔；d＝20～50nm為少害孔；d＝50～100nm為有害孔；d＞100nm為多害孔。

依據(jù)Mehta對(duì)孔徑的分布，不同粉煤灰摻量試件的孔徑分布見(jiàn)表4所列。

表4 試件孔徑分布

從表4可以看出，粉煤灰的摻入顯著地改善了硬化后水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，大孔減少微孔增加。這與文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)果相一致。隨著粉煤灰摻量的增加，試件的平均孔徑不斷減小。粉煤灰摻量為10%，試件的平均孔徑為16nm，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%時(shí)，平均孔徑直線下降，只有10.9nm。粉煤灰摻量為30%時(shí)，平均孔徑由原來(lái)的17.3nm減小到6.7nm，這正好與試件泛霜數(shù)量相對(duì)應(yīng)。

同時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，小于20nm的無(wú)害孔明顯增多，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，小于20nm的孔約占73%，而大于100nm的有害孔僅為3.4%。

結(jié)合摻有粉煤灰試件的泛霜情況和孔結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，影響試件泛霜的主要孔徑為2～50nm。試件孔徑分布的比例與泛霜數(shù)量之間存在著一定的關(guān)系。小于50nm的孔的比例越大，試件泛霜數(shù)量越小。粉煤灰由于其微集料效應(yīng)，大量細(xì)小的粉煤灰顆粒填充在熟料礦物的水化產(chǎn)物孔隙中，將原來(lái)的大孔分割為很多細(xì)小且互不連通的小孔，提高了硬化水泥漿體的密實(shí)度［5］，從而阻斷了鹽堿的析出，抑制了泛霜。

3 結(jié)束語(yǔ)

粉煤灰對(duì)泛霜有很好的抑制效果。低摻量抑制作用較小，隨著粉煤灰摻量的增加，抑制效果變得明顯，但不能完全消除泛霜。粉煤灰的火山灰效應(yīng)以及微集料效應(yīng)，降低了孔溶液的堿度，細(xì)化了結(jié)構(gòu)孔徑，有效地抑制了泛霜。

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