添加外加剂的水泥粉煤灰基层结合料性能研究

李 懿，王连俊，陈明哲，李培君

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044;2.交通部公路科学研究院新桥公司，北京100088;3.徐州空军学院，江苏徐州221000)

水泥粉煤灰土和水泥粉煤灰稳定级配粒料形成的半刚性基层具有整体性好、水稳性好、强度发展持久和投入费用低的特点，是目前我国道路结构中常用的路面基层材料［1-2］。但实践中发现，这类材料早期强度偏低，强度形成缓慢，如果采用的粉煤灰品质不良、活性较低时，强度的形成则需要更长的时间。同时水泥粉煤灰稳定基层容易发生收缩开裂，形成沥青面层的反射缝，影响路面的使用寿命［3-4］。

在水泥粉煤灰基层中掺入一种或几种化学外加剂，使其内部发生一系列化学反应，激发水泥粉煤灰的活性，充分发挥化学外加剂之间和化学外掺剂与水泥粉煤灰之间的叠加效应，有利于促进水泥粉煤灰类基层材料强度的形成和抗裂性能的提高［5］。

笔者以水泥粉煤灰结合料为试验对象，探讨N型激活剂和U型膨胀剂的外掺形式和掺量对水泥粉煤灰结合料性能的影响，得到外加剂的外掺形式和掺量的试验结论。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

1.1.1 水泥

采用陕西省耀县水泥厂生产的秦岭牌P.O.32.5水泥，其3天抗压强度为17.4 MPa，抗折强度为3.6 MPa;初凝时间为2 h 1 min，终凝时间为2 h 36 min，符合 GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》标准，记为C。

1.1.2 粉煤灰

采用甘肃省平凉电厂生产的粉煤灰，外观呈浅灰褐色，松散状，S2O3含量 2.38%，密度 2.347 g/cm3，符合JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》对粉煤灰性质的要求，记为F。其主要化学成分如表1。

1.1.3 膨胀剂

采用西安市红旗混凝土外加剂厂生产的UEA-S高效膨胀剂，记为U。它是由硅铝复盐、氧化铝、硫酸钙等无机化合物特制而成的灰白色粉末，细度小于10%。与其他膨胀剂相比，其碱含量较低(0.4%)，有利于防止碱-骨料反应，提高混凝土的耐久性。其主要化学成分如表1。

表1 原材料的化学组成Tab.1 Chemical constituents of raw materials /%

1.1.4 激活剂

采用产自西安化学试剂厂试验小瓶装500 g专用激活剂，主要成分为无水 Na2CO3，纯度达到99.8%以上，记为N。符合试验用纯度要求。

1.2 试验方法

水泥和粉煤灰掺量一定，改变化学外加剂掺量，依据JTJ 057—94《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的要求［6］，成型 Ф5 cm×5 cm的圆柱试件和5 cm×5 cm×24 cm的小梁试件，养生7、28天，测定水泥粉煤灰结合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度和抗弯拉模量［7］。

1.3 配合比

各外加剂的掺量较小，对混合料干密度影响可以忽略不计。水泥粉煤灰的比例取1∶2，采用轻型击实试验得到水泥粉煤灰结合料的最佳含水量为15.18%，最大干密度为 1.671 g/cm3。

以水泥粉煤灰作为基准试验，水泥粉煤灰的比例为1∶2时，分别对单掺1%和2%N型激活剂，单掺1%，2%，3%U型膨胀剂和双掺不同掺量的N型激活剂与U型膨胀剂进行试验具体试验配合比和试验结果如表2。

表2 掺不同化学外加剂结合料的配比和强度Tab.2 Mixture ratio and strength of binder with different chemical activators

2 试验结果分析

2.1 化学外加剂对水泥粉煤灰结合料无侧限抗压强度的影响

不同化学外加剂的外掺形式及掺量和其水泥粉煤灰结合料的无侧限抗压强度的关系如图1。

图1 掺不同外加剂混合料的无侧限抗压强度曲线Fig.1 Unconfined compressive strength curve of binder with different chemical activators

从图1看出，化学外加剂对水泥粉煤灰结合料的无侧限抗压强度有大幅提高，不同外掺形式的水泥粉煤灰结合料的无侧限抗压强度随着外加剂掺量的增大而增大。7天无侧限抗压强度最大值按由大到小的顺序排列为CFNU1＞CFNU2＞CFU＞CFN。28天无侧限抗压强度最大值按由大到小的顺序排列为CFNU2＞CFNU1＞CFU＞CFN。N型外加剂和U型外加剂的双掺效果优于单掺。复合外掺1%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU1-3的7天无侧限抗压强度较高，比不掺外加剂的水泥粉煤灰结合料提高66%;复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3的28天无侧限抗压强度最高，比不掺外加剂的水泥粉煤灰结合料提高98%。

2.2 化学外加剂对水泥粉煤灰结合料劈裂强度的影响

劈裂强度是材料间接受拉破坏的外加力，所以劈裂强度在一定程度上体现了材料对受拉破坏的抵抗能力，同时半刚性基层的收缩开裂也是由于受到大于等于极限拉应力而破坏，所以劈裂强度也一定程度上体现了半刚性材料抗裂性能［8］。一般而言，材料劈裂强度大，对收缩的抵抗能力强;反之亦然。同时材料劈裂强度随着抗压强度增加而增大，减小而减小。不同化学外加剂的外掺形式及掺量和其水泥粉煤灰结合料的劈裂强度的关系如图2。

图2 掺不同外加剂混合料的劈裂强度曲线Fig.2 Cleavage strength curve of binder with different chemical activators

从图2看出，7天和28天劈裂强度最大值按由大到小的顺序排列为 CFNU2＞CFNU1＞CFU＞CFN。外加剂对水泥粉煤灰结合料的劈裂强度有大幅提高，28天的劈裂强度的提高率大于7天的劈裂强度。N型激活剂和U型膨胀剂的双掺的劈裂强度远大于单掺。与不掺外加剂的水泥粉煤灰结合料的劈裂强度相比，复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3的7天劈裂强度提高2.1倍，28天劈裂强度提高2.8倍;复合外掺1%N型激活剂、2%U型膨胀剂结合料CFNU1-2的7天劈裂强度提高1.7倍，28天劈裂强度提高2倍;单掺3%U型膨胀剂结合料CFU3的7天劈裂强度提高86%，28天劈裂强度提高1.4倍;单掺2%N型激活剂结合料CFN2的7天劈裂强度提高43%，28天劈裂强度提高90%。

2.3 化学外加剂对水泥粉煤灰结合料抗弯拉强度的影响

不同化学外加剂的外掺形式及掺量和其水泥粉煤灰结合料的抗弯拉强度的关系如图3。

图3 掺不同外加剂混合料的抗弯拉强度曲线Fig.3 Flexural tensile strength curve of binder with different chemical activators

从图3看出，外加剂对水泥粉煤灰结合料的抗弯拉强度随着外加剂掺量的增大而增大，水泥粉煤灰结合料CFNU2的7天抗弯拉强度远大于其他3种，水泥粉煤灰结合料CFN的28天抗弯拉强度远小于其他3种。与不掺外加剂的水泥粉煤灰结合料的抗弯拉强度相比，复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3的7天抗弯拉强度提高28.4%，复合外掺1%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU1-3、单掺3%U型膨胀剂结合料CFU3和单掺2%N型激活剂结合料CFN2的7天抗弯拉强度分别提高10.6%、11.3%和8.5%;单掺2%N型激活剂结合料CFN2的28天抗弯拉强度仅提高8%，复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3、复合外掺1%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU1-3和单掺3%U型膨胀剂结合料CFU3的28天抗弯拉强度提高20%左右。

2.4 化学外加剂对水泥粉煤灰结合料弯拉模量的影响

不同化学外加剂的外掺形式及掺量和其水泥粉煤灰结合料的弯拉模量的关系如图4。

图4 掺不同外加剂混合料的弯拉模量曲线Fig.4 Flexural tensile modulus curve of binder with different chemical activators

从图4看出，外加剂对水泥粉煤灰结合料的弯拉模量大幅减小，7天弯拉模量的降低率大于28天的弯拉模量。外加剂对水泥粉煤灰结合料的7天弯拉模量随着外加剂掺量的增大有先减小稍增大的趋势，28天弯拉模量随着外加剂掺量的增大而减小。7天和28天弯拉模量最小值按由小到大的顺序排列为CFNU2＜CFU＜CFNU1＜CFN。单掺1%N型激活剂结合料CFN1的7天弯拉模量减小6.3%，复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3、复合外掺1%N型激活剂、2%U型膨胀剂结合料CFNU1-2和单掺2%U型膨胀剂结合料CFU2的7天抗弯拉强度分别降低19%，16.8%，18.6%;复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3的28天弯拉模量减小12%，单掺2%N型激活剂结合料CFN2的28天弯拉模量减小5.7%。

3 微观形貌特征及分析

在力学性能分析的基础上，选取各化学外加剂单掺和双掺的最佳剂量制备水泥粉煤灰试件(单掺2%N型激活剂的结合料CFN2、单掺3%U型膨胀剂的结合料CFU3和复合外掺2%N型激活剂、3%U型膨胀剂结合料CFNU2-3)，并与基准的水泥粉煤灰试件(CF)比较，采用SEM观察水泥粉煤灰的水化产物、结构和形貌如图5。

图5 各种水泥粉煤灰试件的SEM图Fig.5 SEM images of cement and fly ash specimens

由图5(a)、图5(b)可看出，水泥粉煤灰水化后生成大量的絮状水化硅酸钙凝胶、细长的钙矾石晶体、还有层状的CH Ca(OH)2晶体，水化产物之间存在很大的孔隙。7天时有明显的CH和一定的水化C-S-H凝胶，并且还有少量的AFt生成;28天时C-S-H凝胶和AFt增多，CH有一些增长。综观整个水化产物区域，很少发现纤维状或者长针状凝胶产物。

由图5(c)、图5(d)可以看出，加入N型激活剂后，为材料提供有利的碱性环境，水化产物明显多于基准结合料，包括密集的细长钙矾石晶体，扫帚状C-S-H凝胶，板块柱状的CH晶体，同时加速了CH的碳化反应。随龄期的增长纤维状晶体联结成整体附着在未水化粉煤灰颗粒表面，生成大量的C-S-H凝胶和AFt。有一些孔隙。

由图5(e)、图5(f)可以看到，加入U型膨胀剂后，生成大量膨胀性的结晶水化产物——水化硫铝酸钙，即钙矾石。钙矾石自身通过针状晶体间的相互交联，将许多颗粒黏连在一起，以较大的板块柱状CH晶体为依托，不断发展填充周围孔隙，使结构的整体性增强，抗裂性好。

由图5(g)、图5(h)可以看到，加入2种外加剂后纤维状钙矾石晶体大量产生，明显多于其他结合料。钙矾石晶体和板块柱状CH晶体胶结在一起，起到膨胀性和增密的作用，矿物外加剂颗粒紧密地排列着，混合料的孔隙率降低，孔结构得到了改善［9］。

4 掺化学外加剂水泥粉煤灰的水化机理

N型激活剂碳酸钠是碱性较强的化学外加剂，它的作用原理是在水中电离形成CO2-3离子，一方面能有效地强化与Ca(OH)2之间的碳酸化反应，生成水稳性很好的碳酸钙方解石结构，同时又能和水继续反应水解出大量OH-，提高水泥粉煤灰结合料内部的碱性环境，促使高聚合态粉煤灰向低聚合态转变，在较短的时间里溶解出更多的SiO2和Al2O3参与火山灰反应，促进水泥粉煤灰结构的形成。这种作用过程可用化学方程式表示。

1)碳酸钠水中电离

2)碳酸化反应

3)电离后进一步水解

4)促进粉煤灰解聚

5)火山灰反应

U型膨胀剂在水泥粉煤灰水化过程中生成大量的膨胀性结晶水化物钙钒石，填充到水泥粉煤灰的孔隙中，堵塞并切断连通的毛细孔道，加强水泥粉煤灰稳定基层的结合性和致密性;同时产生适度膨胀，抵消水泥粉煤灰的收缩，从而减少水泥粉煤灰因收缩而导致开裂的可能性。其化学反应大致如下:

5 结论

单掺N型激活剂、单掺U型膨胀剂和双掺N型激活剂与U型膨胀剂3种化学外加剂与水泥粉煤灰结合料有较好的复合叠加效应，对水泥粉煤灰结合料的力学性能有显著的改善，可得到以下结论:

1)与基准水泥粉煤灰结合料相比，单掺N型激活剂、单掺U型膨胀剂和双掺N型激活剂与U型膨胀剂3种水泥粉煤灰结合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度和弯拉模量都有大幅提高，其中双掺效果优于单掺。

2)化学外加剂的外掺形式和掺量对水泥粉煤灰结合料的性能有重要影响，综合比较各性能指标，单掺N型激活剂的最佳剂量为2%，单掺U型膨胀剂的最佳剂量为3%，双掺时N型激活剂的最佳掺量是2%U型膨胀剂的最佳剂量为3%。在各指标中，水泥粉煤灰劈裂强度的提高最大，无侧限抗压强度次。

3)水泥粉煤灰比例为1∶2，外掺N型激活剂为2%，U型膨胀剂为3%的水泥粉煤灰基层结合料能较好的发挥作用，实现了高强度和低模量，具有较强的抵抗开裂能力。

4)通过SEM测试可知，N型激活剂为火山灰反应提供了有利的碱性环境，有利于水化产物的生成;U型膨胀剂直接参与反应，使材料致密化;外掺N型激活剂和U型膨胀剂可以减少大孔，增多小孔、微孔，明显的降低了多害孔和有害孔的含量，同时生成大量的膨胀性结晶水化物钙钒石，不断发展填充周围孔隙，增强整体性和抗裂性。

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