超細(xì)粉煤灰對襯砌混凝土強(qiáng)度與變形性能的影響

梅楊

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，河南 鄭州 450064

襯砌混凝土材料的強(qiáng)度和變形性能是確保渠道襯砌結(jié)構(gòu)物安全的關(guān)鍵因素之一，如何有效提高襯砌混凝土的力學(xué)性能是工程界長期關(guān)注的問題[1]。目前，提高混凝土力學(xué)性能的采用的常用方法包括：選擇承載性能良好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的粗骨料制備砂漿；在砂漿中加入活性外加劑和外摻料以改善砂漿的微觀結(jié)構(gòu)特征；在混凝土砂漿中摻入鋼纖維、化學(xué)纖維等材料以提高混凝土抵抗裂縫擴(kuò)展的能力。

前人研究表明，粉煤灰具有礦物成分穩(wěn)定性好、潛在活性高、粒徑小和毒害物質(zhì)少的特點(diǎn)，作為一種優(yōu)質(zhì)的外摻料被廣泛用于混凝土砂漿材料的設(shè)計(jì)研發(fā)。目前，廢棄粉煤灰的回收利用是發(fā)電廠廢料處理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者對于在混凝土材料中摻入粉煤灰已開展了大量研究。例如：何小兵等[2]為了提高混凝土強(qiáng)度性能，采用超細(xì)粉煤灰作為膠凝材料進(jìn)行混凝土砂漿設(shè)計(jì)和強(qiáng)度試驗(yàn)；Mastali等[3]采用粉煤灰和石灰材料組成聚合劑以改良普通路用混凝土的力學(xué)性能；Nabassé[4]通過對一定摻入超細(xì)粉煤灰的交接混凝土試樣開展直剪試驗(yàn)，給出了膠結(jié)混凝土剪切強(qiáng)度指標(biāo)。陳濤等[5]采用粉煤灰材料改良了噴射混凝土的強(qiáng)度與抗裂性能?？傮w上，在漿料中利用粉煤灰是有效提高混凝土材料在水利工程中適用性的重要手段，但其改良效果與粉煤灰的摻合量有重要聯(lián)系[6-10]。本文系統(tǒng)研究了不同摻量下粉煤灰改善混凝土材料在強(qiáng)度性質(zhì)和抵抗變形能力上的不足，以期為水利工程的襯砌建設(shè)提供性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的外加材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用碎石與細(xì)砂作為膠結(jié)混凝土的粗骨料，最大粒度＜30 mm，經(jīng)破碎與篩分與細(xì)砂配成粒徑為0～2.5 mm 的細(xì)骨料和2.5～20 mm 的粗骨料。凝膠材料選用復(fù)合硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥，漿料中不摻加其它外加速凝材料。采用江蘇省徐州市火電廠生產(chǎn)的I 級超細(xì)粉煤灰作為外摻料，超細(xì)粉煤灰的圖片（圖1），粉煤灰的顆粒粒徑分布如表1 所示，可以看出超細(xì)粉煤灰的顆粒非常小，超細(xì)粉煤灰的粒徑一般小于50 μm 左右[11]。超細(xì)粉煤灰材料和硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成份如表2 所示。

圖1 試驗(yàn)用的超細(xì)粉煤灰Fig.1 The ultra-fine fly ash in the test

表1 超細(xì)粉煤灰的顆粒粒徑分布情況Table 1 The distribution of particle diameters of ultra-fine fly ash

表2 粉煤灰和水泥的礦物成分Table 2 Mineral components of fly ash and concrete

本試驗(yàn)根據(jù)材料的具體情況設(shè)計(jì)了5 種超細(xì)粉煤灰摻量的膠結(jié)混凝土材料樣品。試樣利用超細(xì)粉煤灰等質(zhì)量比例替代普通硅酸鹽水泥，各物料的摻量如表3 所示。

表3 試樣組別及其物料摻量Table 3 Groups and dosages in the sample

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 試樣的制備 將試驗(yàn)用的碎石骨料、細(xì)砂、硅酸鹽水泥、超細(xì)粉煤灰和水按一定比例，在實(shí)驗(yàn)室的常溫常濕條件下充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥蓾{料，設(shè)計(jì)水固體比為0.3。采用水泥漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，在試驗(yàn)中充分?jǐn)嚢铦{料以使?jié){料盡量在不損失強(qiáng)度前提下保留較好的流動性。最后，將拌合好的水泥漿注入相應(yīng)的立方體模具中，試樣品在相對濕度為95%和溫度為(25 ℃的室溫條件下進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間持續(xù)28 d。

1.2.2 強(qiáng)度試驗(yàn) 進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)采用的儀器為MST-005 型伺服式萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)通過試驗(yàn)機(jī)對混凝土施加單軸壓力，測試其單軸抗壓強(qiáng)度。測試過程中嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，（GB/T17671-2003）進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行抗壓試驗(yàn)混凝土樣品為尺寸150×150×150 mm3的立方體。加載時，采用計(jì)算機(jī)控制加載時間和速率。試驗(yàn)結(jié)果表明在襯砌混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)時加載速率控制保持0.05～0.15 MPa/s 最合理[12，13]。為保證試件出現(xiàn)急劇變形接近破壞時有充裕的時間調(diào)整加載裝置和記錄試驗(yàn)讀數(shù)，試驗(yàn)中控制抗壓強(qiáng)度加載速度為取0.1 MPa/s。立方體抗壓強(qiáng)度公式:

式中，fcc是混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa)；F為試件破壞時的荷載(N)；A為試件的承壓面積(mm2)。

2 結(jié)果與分析

對不同齡期的混凝土材料試件開展單軸壓縮強(qiáng)度測試，實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)度值可以精確到0.1 MPa。在試驗(yàn)中考慮養(yǎng)護(hù)時間對強(qiáng)度的影響，分別對經(jīng)歷4 d、14 d 和28 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間的試件進(jìn)行壓縮直至試件破壞，記錄破壞后的試件狀態(tài)。襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的另一個重要試驗(yàn)參數(shù)是在壓縮結(jié)束后，試樣完全破壞時的最終應(yīng)變εult。最終應(yīng)變εult反映的是試件的最終變形量，反映了材料抵抗變形的能力[14]。表4 所示的是不同摻量和養(yǎng)護(hù)時間下的峰值荷載和最終應(yīng)變的結(jié)果。在摻入不同含量的超細(xì)粉煤灰后，襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度開始上升，隨著粉煤灰含量增加到15%后強(qiáng)度下降。例如：在養(yǎng)護(hù)28 d 后，抗壓強(qiáng)度σ28d分別為41.8 MPa、46.9 MPa、49.8 MPa、53.1 MPa 和50.7 MPa，說明粉煤灰摻量對于混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度有顯著影響。在一定摻量下對抗壓強(qiáng)度起到正向加強(qiáng)效應(yīng)，超細(xì)粉煤灰超過一定摻量，對強(qiáng)度增長有負(fù)作用。總體上，超細(xì)粉煤灰摻量為10%時對膠結(jié)混凝土的抗壓強(qiáng)度最有利。圖2 的曲線反映了養(yǎng)護(hù)齡期對于試件強(qiáng)度影響，顯然，隨著養(yǎng)護(hù)齡期天數(shù)的增加，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，10%超細(xì)粉煤灰摻量的試件養(yǎng)護(hù)28 d 后抗壓強(qiáng)度達(dá)53.1 MPa。

超細(xì)粉煤灰對于試樣最終應(yīng)變也有顯著影響。從圖3 中可以看出：一方面，隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，試件最終應(yīng)變εult有明顯下降趨勢，例如：為10%摻量的試件養(yǎng)護(hù)28 d 后，最終應(yīng)變εult比養(yǎng)護(hù)14 d和4 d 試件最終應(yīng)變εult分別提高1.47%和2.04%；另一方面，摻入粉煤灰后試件的最終應(yīng)變εult也明顯減小，且在超細(xì)粉煤灰摻量達(dá)到15%后保持相對穩(wěn)定。例如：不同超細(xì)粉煤灰摻量的混凝土試件在養(yǎng)護(hù)28 d后的最終應(yīng)變εult隨摻量從0%增加至20%過程中的增量為-2.31%、-2.84%、0.21%和0.53%。

表4 不同養(yǎng)護(hù)時間的試件的壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of compression tests for different maintenance times

與最終應(yīng)變變化特點(diǎn)相對應(yīng)，襯砌混凝土試件的破壞形式隨粉煤灰摻量增加也有較大差異。養(yǎng)護(hù)28 d 的的襯砌混凝土試件破壞的圖像如圖4 所示。圖4（a）的普通膠結(jié)混凝土試件在壓縮后時，結(jié)構(gòu)發(fā)生了脆性破壞，材料發(fā)生大面積剝落，破壞后的結(jié)構(gòu)完整性被完全破壞；圖4（b）所示的5%含量的超細(xì)粉煤灰混凝土試件發(fā)生破壞時，仍有碎片剝落，但試件完整性沒有遭到完全破壞；圖6（c）～圖6（e）所示的摻10%～20%的3 組粉煤灰試件發(fā)生破壞時，試件未見大量碎片剝落，只在試件表面出現(xiàn)貫通的裂縫；混凝土的結(jié)構(gòu)整體性保持完好。由此可見，摻入一定量粉煤灰后，混凝土試件在破壞后仍能保持較好的整體性，超細(xì)粉煤灰顆粒能夠顯著提高襯砌混凝土試件結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力。

圖4 養(yǎng)護(hù)28 d 試件的破壞圖Fig.4 The broken samples for 28 d maintenance

2.3 微觀形態(tài)分析

為了分析深入分析本文襯砌混凝土材料的改性機(jī)理，分別對普通材料和最優(yōu)配合比改性的材料進(jìn)行了內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的觀測。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣進(jìn)行掃描，得到了普通襯砌混凝土與外摻15%粉煤灰的混凝土的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，圖像的放大倍數(shù)為800 倍。如圖5（a）所示，普通混凝土材料內(nèi)部顆粒呈現(xiàn)的團(tuán)粒和多孔結(jié)構(gòu)，這是影響混凝土材料強(qiáng)度和變形特性的重要原因，發(fā)育的多孔結(jié)構(gòu)不利于充分發(fā)揮混凝土材料在支撐周圍應(yīng)力的功能。摻入15%粉煤灰的混凝土材料掃描電子顯微圖片如圖5（b）所示，可以看出材料內(nèi)部的水泥水化物表面上附有絮凝狀晶體，形成了粘結(jié)強(qiáng)度，不規(guī)則超細(xì)粉煤灰顆粒將水化物緊密地交叉粘結(jié)在一起，使得膠結(jié)混凝土的整體聯(lián)結(jié)性大大增加，從而增強(qiáng)了襯砌混凝土材料的強(qiáng)度性能和抵抗變形的性能。

圖5 混凝土試樣的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 The microstructures of concrete samples

綜上所述，超細(xì)粉煤灰對膠結(jié)混凝土材料的改性機(jī)理主要是粉煤灰細(xì)顆粒對混凝土內(nèi)部孔隙的填充效應(yīng)。本試驗(yàn)采用的骨料為碎石與細(xì)砂，骨料粒徑主要分布在0.5～10.0 mm 范圍內(nèi)，骨料粒徑較大，顆粒之間的孔隙也相對較大。而超細(xì)粉煤灰的顆粒較細(xì)小，其粒徑一般在0.0005～0.005 mm左右，普通粉煤灰的粒徑一般在0.01～0.1 mm 左右，而普通硅酸鹽水泥顆粒的粒徑一般不小于0.1 mm[15]。相比水泥顆粒，粉煤灰的細(xì)小顆粒更易進(jìn)入骨料與漿料的小裂隙，使得顆粒之間的黏結(jié)力提升，顆粒間的摩擦力增大，骨料之間的聯(lián)結(jié)整體強(qiáng)度提高。同時，由于超細(xì)粉煤灰的顆粒微觀形態(tài)與球體接近，在一定程度上對漿料起到潤滑作用，對骨料與水泥水化物之間小孔隙的填充效果也優(yōu)于水泥，因此摻入一定量超細(xì)粉煤灰后，試件的整體密實(shí)度提高。但隨著粉煤灰比例繼續(xù)增加，水泥含量相對減少，導(dǎo)致骨料沒有得到足夠漿料的包裹，骨料之間的粘結(jié)性減弱，對混凝土試件的抗壓強(qiáng)度起到反作用[8]。同時，超細(xì)粉煤灰對骨料間孔隙的填充效應(yīng)也意味著混凝土內(nèi)部連通裂隙的減少，從而對混凝土整體抵抗變形的能力有利，孔隙結(jié)構(gòu)的改變是混凝土材料變形性能改善的根本原因。

3 結(jié)論

（1）襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)粉煤灰摻量增加呈先增后減的趨勢，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間為正相關(guān)的關(guān)系，超細(xì)粉煤灰摻量為15%時試件的強(qiáng)度性能達(dá)到最佳效果；

（2）在砂漿中摻入一定量超細(xì)粉煤灰后，混凝土立方體破壞的最終應(yīng)變εult大幅下降，粉煤灰摻量為10～20%時，混凝土破壞時的結(jié)構(gòu)整體性較好；

（3）由電子顯微鏡掃描SEM 圖像發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)變化是襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度和變形性能提高的根本原因，但粉煤灰摻量過多對骨料的粘結(jié)效果不利。