不同养护条件下粉煤灰粒度分布对砂浆力学性能的影响

田 悦

(沈阳城市建设学院 沈阳市 110167)

粉煤灰作为矿物掺和料代替部分水泥的施工方法在全世界广泛应用[1]，粉煤灰用于水泥砂浆可以改善水泥砂浆的力学性能，主要是因为粉煤灰具有形态效应、微集料效应以及化学活性效应，可以影响水化后水泥的矿物质组成和水泥石的结构，而粉煤灰呈球形且表面光滑，改善了骨料与水泥浆体、骨料与骨料之间的摩擦作用，改善了水泥浆体的和易性，提高了水泥石的强度[2-3]。

我国寒区面积非常广阔，随着我国工程建设规模增大，冬季施工比重随之增大，由于水泥水化硬化需要一定的温度和湿度，在施工过程中如果环境温度较低会影响到水泥水化进而影响到混凝土凝结硬化，混凝土内部产生裂缝使性能降低，这种“冻伤”是不可恢复的[4]。

经研究，改变粉煤灰颗粒的粒径分布时，可以影响到粉煤灰的物理性质，也会影响水泥砂浆的部分性能。将原状的粉煤灰采用标准筛筛分为若干粒度区间，测量各个区间的质量占总体粉煤灰的质量百分率，调整各粒度区间的含量使其满足正态分布，采用标准养护以及恒负温养护两种养护方法[5]，研究粉煤灰粒度分布对水泥砂浆力学性能的影响，进一步探究粉煤灰作为矿物掺和料的最优粒度分布，达到保护环境、改善生态环境以及降低生产成本的目的。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥为沈阳市冀东水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥；水为普通自来水；细集料为经过清洗干净的河砂，属中砂，细度模数约为2.67；减水剂为萘系高效减水剂，减水率为18%～25%，细度为0.135mm<10%；防冻剂为亚硝酸钠，分子式为NaNO2，为白色或浅黄色结晶，易溶于水；酒精为工业酒精，纯度为95%，无色透明、易燃易挥发液体。

1.2 粉煤灰的制备

采用紧密堆积理论与颗粒分布技术将微细颗粒填充于胶凝材料浆体孔隙中，减小水泥浆体的初始孔隙率，以便达到改善水泥基材料宏观性能的目的[6]，选用工程数学中最常用的正态分布，研究粉煤灰的粒度分布对水泥砂浆力学性能的影响，优化粉煤灰的粒径分布。

颗粒呈正态分布时，应符合如下方程：

式中：σ2为遵循正态分布的随机变量的方差；μ为此随机变量的均值。

粉煤灰经过标准筛筛分，筛选出11种不同粒度区间的粉煤灰，分别为0～5μm、5～10μm、10～15μm、15～20μm、20～26μm、26～30.8μm、30.8～38.5μm、38.5～43μm、43～80μm。再调整各粒度区间的含量，使其正态分布。

表1 粉煤灰正态分布时各粒度区间的质量百分比(%)

1.3 配合比设计

胶砂比为1∶3，水胶比为0.4，减水剂为1%，防冻剂为3%，粉煤灰等质量取代硅酸盐水泥(取代量为20%)。

1.4 养护条件与试验方法

(1)养护条件

①标准养护：温度为(20±2)℃，相对湿度为90%以上，24h之后拆模，放入标准养护室养护，养护龄期为3d、7d、14d、28d。

②恒负温养护：常温条件下养护6h，放入(-10±1)°C的冰箱中，拆模时间为24h，养护3d后将试块由负温养护转为标准养护，养护龄期为3d、7d、14d、28d。

(2)抗压和抗折强度测定[7]

抗折强度及抗压强度测定按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70)。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰粒度分布对水泥砂浆抗折强度的影响

(1)标准养护条件下粉煤灰粒度分布对水泥砂浆抗折强度的影响

将不同粒度范围的粉煤灰按一定比例混合，使其满足正态分布，粉煤灰以20%的质量取代率替代水泥制成水泥砂浆试件，标准养护至指定龄期后测试其抗折强度，测试结果见图1。

图1 标准养护下对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗折强度

如图1所示，标准养护下，对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗折强度随着养护时间的增加而增大。粉煤灰不同粒径分布对水泥砂浆抗折强度有所影响，早期粉煤灰粒度呈正态分布水泥砂浆试件的抗折强度总体高于对照组的抗折强度，但28d龄期，粉煤灰粒度呈正态分布的抗折强度总体略低于对照组的抗折强度；其中粉煤灰粒度呈正态分布(μ=12.5)的水泥砂浆早期抗折强度最好；粉煤灰粒度呈正态分布(μ=6.5)和(μ=12.5)的水泥砂浆的早期强度增长较快；粉煤灰粒度呈正态分布(μ=22.5)的后期(28d)抗折强度增长迅速。

由此可见，使粉煤灰粒度呈正态分布时，适量提高10～15μm范围内的粉煤灰掺量，有助于提高水泥砂浆早期的抗折强度，主要因为此区间的粉煤灰比表面积较大，火山灰效应较好，有利于快速参与水化反应，降低有害孔数量，说明掺入粒度呈正态分布的粉煤灰有利于提高水泥砂浆的早期抗折强度。

(2)恒负温养护条件下粉煤灰粒度分布对水泥砂浆抗折强度的影响

恒负温养护条件下养护至指定龄期后测试其抗折强度，测试结果见图2。

图2 负温养护下对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗折强度

如图2所示，恒负温养护条件下，对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗折强度随着养护时间的增加而增加；粉煤灰粒度呈正态分布的抗折强度总体明显高于对照组的抗折强度；粉煤灰粒度呈正态分布(μ=12.5)的水泥砂浆早期抗折强度最好；粉煤灰粒度呈正态分布(μ=6.5)的水泥砂浆的抗折强度整体性最好；在-3+14d时，各组水泥砂浆的抗折强度差距增大，正态分布(μ=6.5)的水泥砂浆强度最高。

由此可见，在低温养护下，适量掺加0～10μm的细颗粒粉煤灰对水泥砂浆的抗折强度存在一定的有利影响。这是由于在恒负温养护条件下，水化反应几乎不发生，细小颗粒发挥微集料效应，增强结构密实度，提高了早期强度；水泥砂浆经历早期冻害后，标准养护条件下，随着养护龄期的增长，其细小颗粒的比表面积大，其水泥砂浆的后期增长较快；说明掺入粒度呈正态分布的粉煤灰有利于提高水泥砂浆的抗折强度。

2.2 粒度正态分布的粉煤灰对水泥砂浆抗压强度的影响

(1)标准养护条件下粉煤灰粒度分布对水泥砂浆抗压强度的影响

标准养护条件下粉煤灰粒度分布对水泥砂浆的抗压强度影响见图3。

图3 标准养护下对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗压强度

如图3所示，标准养护下，对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗压强度随着养护龄期的增加而增加。图中粉煤灰粒度呈正态分布的抗压强度略低于对照组的抗压强度，且增长缓慢，只有3d时，粉煤灰粒度呈正态分布的抗压强度高于对照组；其中粉煤灰粒度呈正态分布的水泥砂浆早期(3d)抗压强度较好。

由此可见，掺入粒度呈正态分布的粉煤灰有利于提高水泥砂浆的早期抗压强度，而不利于其后期抗压强度的提高。

(2)恒负温养护条件下粉煤灰粒度分布对水泥砂浆抗压强度的影响

图4 -10℃养护下对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗压强度

如图4所示，恒负温养护条件下，对照组及粉煤灰粒度正态分布的砂浆抗压强度随着养护龄期的增加而增加；图中粉煤灰粒度呈正态分布的后期抗压强度高于对照组的抗压强度，只有-3+3d时，粉煤灰粒度呈正态分布的抗压强度都低于对照组的抗压强度；其中粉煤灰粒度呈正态分布(μ=12.5)的水泥砂浆抗压强度是最好的一组，其后期增长最快，强度最高。

由此说明，在负温养护条件下，粒度呈正态分布(μ=12.5)中掺加适量的10～15μm的粉煤灰对水泥砂浆的抗压强度也存在一定的有利影响，此范围的粉煤灰更有利于其火山灰效应的发挥，从而更有利于水泥砂浆后期强度的提高；掺入粒度呈正态分布的粉煤灰有利于提高水泥砂浆的后期抗压强度。

2.3 不同养护条件下水泥砂浆的SEM微观分析

扫描电镜微观形貌测试能够较为直观形象地观察到水泥砂浆中各物质的形貌状态，可以进一步解释说明粉煤灰的粒度分布对水泥砂浆的强度影响。

在标准养护条件下养护7d以及在恒负温养护-3+7d龄期下粉煤灰粒度正态分布(u=12.5)的水泥砂浆的典型SEM微观图像如图5和图6所示。

图5 标准养护条件

图6 恒负温养护条件

从图5中可以看到，7d龄期时，大多数分布中的粉煤灰表面光滑，附着在表面的水化产物较少，可以发现粉煤灰主要起到微集料效应，可以观察到小部分粉煤灰颗粒表面附着水化产物，说明这部分粉煤灰与水泥中碱性物质发生反应，10～15um的粉煤灰掺量增加，减少大颗粒的粉煤灰掺量，使早期具有很好的微集料效应，粉煤灰均匀分布在水泥颗粒之间，可以促进水泥水化，且小颗粒的粉煤灰比表面积大易促进二次水化，降低了水泥的碱含量抑制碱集料反应，而水化反应主要在孔隙进行，有效降低水泥砂浆孔隙率，提高了结构密实度，促进强度的增长。

从图6分析可知，-3+7d龄期下的水泥砂浆先在恒负温条件下养护3d，使其水化速度减慢，生成少量水化产物结构，随后标准养护7d，使其生成的水化产物结构变得松散并产生微裂纹，虽然养护温度的提高会使水化速度明显提高，但仍会导致水泥砂浆的力学性能降低，可以观察到少量水化产物附着在粉煤灰颗粒表面，发生了较少火山灰效应，而粉煤灰与水泥浆体之间存在明显的细微裂纹，说明其密实性一般。

3 结论

(1)在标准养护条件下，粉煤灰粒度分布对水泥砂浆强度起改善作用，早期呈粉煤灰粒度正态分布水泥砂浆试件的强度总体高于对照组强度，粉煤灰粒度呈正态分布(μ=12.5)的水泥砂浆早期强度最好，适量提高10～15μm范围内的粉煤灰掺量，有助于提高水泥砂浆的早期强度。

(2)恒负温养护条件下，粉煤灰粒度分布对水泥砂浆强度起一定改善作用，粉煤灰粒度呈正态分布的后期抗压强度高于对照组的强度。

(3)在早期，在恒负温养护条件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂浆抗折强度几乎高于标准养护下的水泥砂浆抗折强度；而在恒负温养护条件下不同粒度分布的粉煤灰水泥砂浆抗压强度几乎都低于标准养护下的水泥砂浆抗压强度，且随着养护龄期的增长，抗压强度增长较为平缓。