粉煤灰对水泥土强度及固化过程的影响

陈三姗，陈 峰

(1.福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心，福建 福州 350108；2.福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108)

国内外众多研究表明[1-10]，水泥土中掺加适合的粉煤灰可以改善水泥土的特性，提高水泥土的强度。黄丽娟[11]利用正交试验方法分析研究了水泥掺量、水灰比和粉煤灰三因素三水平对水泥土抗压强度的影响规律。赵百超[12]等研究了水泥、膨润土和粉煤灰等三因数对水泥复合土抗剪强度的影响。蒙强[13]等研究发现随着龄期的增长和粉煤灰掺量的增加，固化土的应力应变关系由塑性破坏转变成脆性破坏。当粉煤灰掺量过高时，水泥土中易发生耦合反应，影响固化效果。王嵛[14]开展了不同粉煤灰掺量水泥土试件的无侧限抗压强度、含水率以及中心部位土样溶液pH值的测定试验，建议洞庭湖区水泥土中粉煤灰掺量在20%左右为宜。陈峰等[15]研究了不同粉煤灰掺量下的水泥土变形特性。

当前研究对于粉煤灰的适量掺加可以提高水泥土强度基本已达成共识，但绝大部分局限于宏观方面，且研究角度均为水泥土整体强度的提高。如文献[1]是通过试验分析高钙粉煤灰水泥土早期强度，文献[2]研究粉煤灰对高含水量水泥土无侧限抗压强度的影响，文献[3]-[9]均是研究不同条件下粉煤灰对水泥土的强度的影响，文献[6]研究的是不同侵蚀环境下粉煤灰对水泥土强度的影响。在微观方面，粉煤灰的提高机理尚待进一步研究。另外，土体作为固液气三相综合体，土质特性在不同地区差别极大，如文献[7]取自武汉地区的膨润土，文献[9]取自青海的湿陷性黄土，文献[14]取自洞庭湖区粘土等，所研究的粉煤灰最佳掺量并不一致。为此，本研究首先从粉煤灰-水泥、粉煤灰-淤泥质土的相互作用两个方面入手，通过开展粉煤灰水泥石无侧限抗压强度试验及X射线衍射(即XRD)试验，研究粉煤灰对水泥的影响；通过粉煤灰-淤泥质粘土混合土的含水率试验和固结不排水试验，研究粉煤灰对福州地区淤泥质土特性的影响，最后通过扫描电镜(即SEM)试验观察粉煤灰水泥土微结构的形成过程，研究粉煤灰、水泥、土三者间的作用机理。

1 材料与实验

1.1 材料性能及参数

粉煤灰的化学成分含量如表1所示，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标如表2所示，水灰比0.45。土样取自福州市某基坑淤泥质粘土，内聚力为9 kPa，摩擦角为6.5°，其余物理力学参数如表3所示。

表1 粉煤灰化学成分及含量Tab.1 Chemical composition and content of fly ash

表2 42.5硅酸盐水泥化学成分及性能指标Tab.2 Chemical composition and performance indicators of 42.5 Portland cement

表3 淤泥质粘土的物理力学性质指标Tab.3 Physical-mechanical properties index of silty clay used for the tests

1.2 试样制备与试验过程

为了研究粉煤灰对水泥石强度的影响，着重从粉煤灰掺量与龄期两个影响因素进行考察。粉煤灰掺量(粉煤灰质量/水泥质量×100%)分别为0%、40%、53%、67%。将水泥倒入搅拌锅内，加水，低速搅拌至均匀，再加入粉煤灰搅拌直至均匀，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件进行养护，养护龄期分别为7、28、60、90 d。养护龄期完成后开展粉煤灰水泥石的无侧限抗压强度试验。每个配比制作3个试样，取平均值作为该配比强度值。强度试验完成后，选取养护龄期为7 d和28 d的各配比试样，敲开水泥石，从内部取出若干小块，放入烘箱(设置温度105 ℃)中烘干8 h，取出水泥石小块用研钵研碎成粉末，过0.075 mm筛，并将粉末试样放到X射线衍射仪进行分析，设备运行参数为6 kV/30 mA，衍射角度5°～70°，速度为8°/min。

为了研究粉煤灰-淤泥质粘土的相互作用，首先进行煤灰-淤泥质粘土混合土的含水率试验。将试验土样烘干，捣碎过0.5 mm筛，粉煤灰掺量(粉煤灰质量/湿土质量×100%)分别为0%、6%、8%、10%，称取相应掺量的粉煤灰、干土、0.545×干土质量的水倒入搅拌锅内并搅拌均匀，在三瓣模中制备圆柱型试样并采用塑料袋密封试样，养护至7 d和28 d时再测定混合土的含水率。

混合土的固结不排水试验与含水率试验的配比与材料相同，将土样烘干，捣碎，过0.1 mm筛，称取相应质量的粉煤灰、干土和水搅拌均匀并装入试模，用重300 g的击锤击实，养护至7 d和28 d，每个试样分别用TSZ30-2.0应变控制式三轴仪在围压25、50、75 kPa下固结，然后维持围压不变，进行固结不排水试验。剪切速率为0.06 mm/min，轴向应变速率为0.075 %/min，轴向应变达到20%终止加荷。

SEM试验中，将掺量为0%和8%(粉煤灰质量/水泥土质量×100%)的粉煤灰分别掺入相同的水泥土中制备试样，养护龄期到后取试样约1 cm×1 cm×1 cm，经电吹风低温吹干，表面镀金处理后在扫描电镜下观察，扫描电镜设备为德国蔡司扫描电镜EVO 10。

2 实验结果分析

2.1 粉煤灰水泥石强度试验

图1为不同粉煤灰掺量与水泥石的无侧限抗压强度关系图。可以发现，7 d龄期时水泥石的强度随着粉煤灰掺量的增加而减小，粉煤灰掺量越大，水泥石强度越低。龄期在28、60、90 d时，水泥石强度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小，在0%、40%、53%，67% 4个粉煤灰掺量条件下，最佳粉煤灰掺量为53%。图2为不同龄期与水泥石强度的关系图，可以发现，7 d龄期时，粉煤灰掺量为0的水泥石强度最大，其余龄期时，水泥石的强度均随着龄期的增长而增长，增长速率随着龄期的增长而逐渐变缓。

图1 粉煤灰掺量与水泥石强度关系Fig.1 Relationship between fly ash content and cement stone strength

图2 龄期与水泥石强度关系Fig.2 Relationship between age and cement strength

2.2 粉煤灰水泥石的XRD试验

水泥的水化主要是水泥中熟料矿物的水化以及少量CaSO4的水化，这是水泥土强度增长的主要过程。普通硅酸盐水泥熟料矿物组成主要有硅酸三钙3CaO·SiO2(简称C3S)、硅酸二钙2CaO·SiO2(简称C2S)、铝酸三钙3CaO·Al2O3(简称C3A)、铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3(简称C4AF)。在水泥水化完全的环境中，C-S-H为硅酸钙凝胶，是C2S和C3S的水化产物，约占70%，对水泥土强度起决定性作用；Ca(OH)2约占20%；水化硫铝酸钙约占7%；3%为其他水化产物，如水化产物钙矾石AFt。AFt结晶的形成有利于提高水泥石早期凝结速率。

通过XRD试验可得不同粉煤灰掺量下7 d和28 d的水泥石粉末试样的衍射图谱，限于篇幅，仅列粉煤灰掺量为53%的衍射图谱如图3所示。其中C-S-H由于化学成分不稳定，结晶度低，同时其化学成分各异，不能明显区分，所以试验中的衍射图谱并未检测出C-S-H。Ca(OH)2一般结晶程度高，所有XRD衍射图谱中均存在较明显的Ca(OH)2衍射峰。粉煤灰掺量与衍射峰强度制作成相应的曲线如图4所示。

图3 粉煤灰掺量53%时衍射图谱Fig.3 Diffraction patternof cement stone with 53% fly ash content

由图4可见，粉煤灰掺量为0时，Ca(OH)2的衍射峰强度最高，且28 d龄期比7 d龄期明显更大，这说明Ca(OH)2结晶程度随着龄期增长变得更高，晶体结构趋于完整。掺入粉煤灰后，7 d龄期时随着粉煤灰掺量的增大，Ca(OH)2的衍射峰强度逐渐降低，但不明显，28 d龄期时降低程度较大，28 d龄期与7 d龄期相比Ca(OH)2的结晶更加不完善。可以推测这是因为粉煤灰中富含活性SiO2和Al2O3，会与水泥水化生成物Ca(OH)2进行反应，化学反应见公式(1)和公式(2)。Ca(OH)2含量减少，促使水泥发生“二次水化”，粉煤灰活性效应的发挥消耗了大量的Ca(OH)2晶体。而7 d龄期粉煤灰的活性效应基本不发挥，所以7 d龄期时粉煤灰的掺加对Ca(OH)2的衍射峰强度影响较小。

图4 粉煤灰掺量与Ca(OH)2衍射峰强度关系曲线Fig.4 Relationship between the content of fly ash and the intensity of the diffraction peak of Ca(OH)2

mCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→mCaSiO2nH2O

(1)

mCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→mCaAl2O3nH2O

(2)

试验数据通过Jade软件分析及谢乐公式的推导可得Ca(OH)2晶粒尺寸。图5是粉煤灰掺量与Ca(OH)2晶粒尺寸的变化关系图。由图5可知，7 d龄期时，随着粉煤灰掺量的增加，Ca(OH)2晶粒尺寸逐渐减小，不过减小程度低；28 d龄期时，因粉煤灰的掺加Ca(OH)2晶粒尺寸大幅度减小，并且在粉煤灰掺量为53%时减小的程度最大。说明粉煤灰的掺加对Ca(OH)2晶粒有细化作用，能够使Ca(OH)2晶粒尺寸减小，并且在最佳粉煤灰掺量时粉煤灰的细化效果最显著。

图5 粉煤灰掺量与Ca(OH)2晶粒尺寸关系Fig.5 Relationship between fly ash content and grain size

2.3 粉煤灰-淤泥质粘土的含水率试验

含水率试验在一定程度上可以反映混合土的物理性质。图6给出了不同粉煤灰掺量下混合土含水率的变化值，无论7 d还是28 d，粉煤灰的掺加均会降低混合土的含水率。粉煤灰在7d龄期时其活性基本没有发挥，说明7 d龄期时，粉煤灰使混合土含水率降低的原因不是粉煤灰活性成分SiO2和Al2O3与土中水或土颗粒发生化学反应，而是粉煤灰与土之间的物理作用使得混合土含水率降低，硬度变大。

图6 不同粉煤灰掺入比混合土含水率Fig.6 Moisture content of mixed soil with different fly ash content ratio

2.4 粉煤灰-淤泥质粘土的固结不排水试验

对于混合土的力学性能主要通过固结不排水试验来研究，试样在不同围压σ3下竖向加载，可分别得到不同配比混合土剪切破坏的最大主应力σ1，以(σ1+σ3)/2为圆心，(σ1-σ3)/2为半径，可绘出每个配比的应力圆和抗剪强度包线。

根据包线可得不同龄期不同配比的混合土黏聚力和内摩擦角，绘制粉煤灰掺入比与粘聚力和摩擦角的关系曲线分别如图7和图8所示。由图7可见，混合土黏聚力均随着粉煤灰掺入比的增加而增大，并且28 d的增大程度明显大于7 d龄期。由图8可见，粉煤灰的掺入能够提高混合土的内摩擦角，并且随着龄期的增长效果越明显。这是因为一方面完全重塑土静置长时间之后自身的固结作用使结构趋于密实，另一方面是粉煤灰活性效应的发挥。

图7 粉煤灰掺入比与混合土黏聚力关系Fig.7 Relationship between fly ash content ratio and cohesive force of the mixed soil

图8 粉煤灰掺入比与混合土内摩擦角关系Fig.8 Relationship between fly ash content ratio and friction angle in the mixed soil

3 粉煤灰水泥土固化机理的微观试验分析

使用德国蔡司扫描电镜EVO 10，观察不同倍数下粉煤灰掺入比分别为0%及8%时的电镜扫描图片，如图9及图10所示。图9中(a)(b)和(c)(d)不同龄期相同倍数图片对比可见，7 d龄期时，主要有板片状、凝絮状水化产物及一定量的短棒状水化产物。板片状的晶体为Ca(OH)2，凝絮状为C-S-H凝胶，短棒状水化产物为AFt晶体。该龄期时粉煤灰、土颗粒棱角分明，水化产物部分附着在孔隙或土颗粒表面，C-S-H凝胶含量较少。28 d龄期时，凝絮状水化产物C-S-H明显较7 d龄期时多，短棒状的水化产物相互交错搭接，大部分的颗粒表面已经被水化产物覆盖而不易观察，但整体上看形成的结构更为密实，且此时水泥水化生成碱环境使粉煤灰也开始发生“火山灰效应”。这说明随着龄期的增长，水泥土颗粒结构越来越密实，孔隙不断被C-S-H凝胶物质填充，土颗粒胶结越来越强，水泥土的强度越来越高。

图9 粉煤灰掺入比为0%时扫描电镜照片Fig.9 SEM photos when fly ash content ratio is 0%

比较图9和图10的相应图片，掺加了粉煤灰的孔隙明显较未掺加粉煤灰的少，粉煤灰的掺加使得水泥土的孔隙更少结构更完整。粉煤灰的掺加能够使水泥土产生大量呈纤维状的水化产物，这些水化产物相互胶结，使结构更加稳定。结合上述所有试验成果可知，粉煤灰水泥土作为水泥、粉煤灰与土三种物质组成的整体，其强度的形成是水泥-粉煤灰-土三者之间相互作用的结果。

4 结论

1)粉煤灰水泥石强度试验表明粉煤灰的掺加使水泥石7 d龄期强度降低，不利于水泥石早期强度发展，但能使其28 d龄期及以后的强度提高。

2)XRD试验结果表明，掺加粉煤灰后Ca(OH)2的结晶程度随龄期变低，粉煤灰能使Ca(OH)2晶粒尺寸减小，细化Ca(OH)2晶粒。

3)掺加粉煤灰的淤泥质粘土含水率试验表明粉煤灰使淤泥质粘土的含水率降低，硬度变大。

4)粉煤灰-淤泥质土的三轴固结不排水试验结果表明粉煤灰的掺加能提高混合土的抗剪强度，且龄期越长粉煤灰增强土体抗剪强度的效果越明显。

5)SEM试验表明粉煤灰的掺加明显改善了水泥土的微结构特征，使结构更加紧密。粉煤灰水泥土强度的形成是粉煤灰、水泥、土三者相互作用的结果。