沙漠砂-水泥基材的收缩特性

王 丹,车佳玲,3,舒宏博,刘海峰,3,张艺馨

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021;2.宁夏建筑科学研究院股份有限公司,宁夏银川 750021;3.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心,宁夏银川 750021)

1 前 言

近年来,基于地方多元固废制备的高性能水泥基材备受关注[1-5],其中以大掺量粉煤灰替代水泥制备高性能水泥基材研究最广[6-11]。由于粉煤灰的使用,高性能水泥基材收缩变形及性能发展明显区别于普通基材[12-15],深入研究其收缩机理对合理控制基材收缩变形、避免结构过早开裂具有重要意义。此外,为缓解河砂不足的压力,沙漠砂作为工程细骨料被运用于高性能水泥基材料的制备[16-19]。然而,沙漠砂是否会加剧基材收缩变形以及普通减缩手段（添加纤维、减缩剂等）能否将其控制在合理范围有待深入研究。

自干燥及失水干燥是诱导水泥基材收缩变形的主要原因,其中原材料类型、性能差异与基材收缩密切相关。例如矿物掺合料、骨料类型和粒径等因素会影响水泥基体密实、水化程度,进而间接引起不同程度的自干燥、失水干燥[20-22]。已有的研究表明[6,9-10,16-19]:粉煤灰表观圆滑、具有明显的玻璃微珠效应,其微集料填充作用有利于细化基体结构并改善拌合物工作性；粉煤灰火山灰活性可提高基体水化程度并伴随较低的水化热。此外,沙漠砂小粒径占比较大,同样可起到细化基体孔隙并改善其密实程度的作用；精细沙漠砂颗粒潜在的火山灰活性可明显促进基体水化程度[16,23]。综上可知,沙漠砂理化特性明显区别于河砂,其对基体微观结构的改善可能会诱导基材产生更高的收缩风险。因此,基于大掺量粉煤灰制备的沙漠砂-水泥基材（DSC）收缩变形必须区别于普通河砂-水泥基体。目前,DS-C相关研究以力学性能、耐久性能为主,并未涉及基材收缩特性,沙漠砂对基材收缩的影响规律有待深入研究。因此,深入揭示其收缩机理,并经过合理的配合比优化和减缩手段（掺入适量减缩剂或纤维）制备兼具强度和低收缩性能的DS-C具有实际工程价值。

综上,考虑以大掺量粉煤灰、沙漠砂及混凝土减缩剂（占胶凝材料总质量的2%）为主要材料制备水泥基材,通过总收缩、自收缩、抗压/折强度试验以及扫描电子显微镜（SEM）微观观察,研究不同因素对基材90 d龄期内收缩变形及28 d强度的影响规律,以期实现高性能低收缩DS-C 的制备。此外,对比分析纤维掺量对基材收缩性能的影响,进一步揭示沙漠砂制备高延性水泥基材料的可行性。

2 实验材料与方法

2.1 原材料

实验原材料有宁夏当地普通硅酸盐水泥（P.O 42.5 R）；灵武热电厂I级粉煤灰（FA）；镇北堡过筛水洗河砂（呈灰褐色、堆积密度为1640 kg/m3、表观密度为2700 kg/m3）及毛乌素沙漠砂（呈红褐色、堆积密度为1580 kg/m3、表观密度为2646 kg/m3）；国产PVA纤维；减水率为30%的聚羧酸高效减水剂（SP）；江苏苏博特聚醚类SBT ®-SRA（Ⅰ）混凝土减缩剂（SRA,减缩率＞30%）；自来水。其中,河砂粒径不超过1180μm,约为沙漠砂最大粒径（约450μm）的2.5倍；河砂、沙漠砂的中值粒径分别为235.6 和130.11μm；沙漠砂细度模数为0.52。原材料化学组成及纤维性能参数分别如表1,表2所示。河砂、沙漠砂表观形态及粒径分布如图1,图2所示。

图1 （a）河砂和（b）沙漠砂的表观形态照片Fig.1 Appearance of different sand （a）river sand and（b）desert sand

图2 过筛河砂（a）和沙漠砂（b）的粒径分布图Fig.2 Particle distribution of sand （a）sieved river sand and（b）desert sand

表1 原材料组成Table 1 Composition of raw materials

表2 PVA纤维性能参数Table 2 Performance parameters of PVA fiber

2.2 配合比和测试方法

设计了14组单因素试验,研究了不同龄期水胶比（W/B）、粉煤灰替代率（FARR）、砂胶比（S/B）、沙漠砂替代率（DSRR）对基材总收缩特性的影响及S/B、DSRR对基材自收缩特性的影响,并进行了28 d DS-C抗折、立方体抗压强度测试。为了将DS-C 成功运用于高延性材料的制备,进一步研究了纤维掺量对基材总收缩值的影响。配合比设计如表3 所示。其中,SP、SRA 分别恒定为胶凝材料总质量的2%和0.1%。

表3 DS-C配合比Table 3 Mixtures of DS-C

参照JGJ/T 70－2009[24]中普通水泥砂浆制备及收缩测试方法进行DS-C 试件制备、自收缩及总收缩特性测试。每组浇筑6个40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件（总收缩特性测试及强度测试各3个）,其中,DS-C4、DS-C5、DS-C6、DS-C9、DS-C10和DS-C11每组多浇筑3个试件用于自收缩特性测试。为了避免干燥失水作用导致的DS-C 自收缩测试误差,对所有自收缩测试试件进行防水铝箔密封。采用BC156-300型新标准水泥比长仪记录试件收缩值变化；养护4 h测初长,随后分别记录1 d、3 d、7 d、28 d、56 d、90 d试件收缩值。参照GB/T 50081－2002[25]进行28 d DSC强度测试。采用SEM 进行不同基材（DS-C11和RS-C9）微观结构观察。

3 结果与分析

3.1 不同因素对DS-C收缩特性的影响

从图3可知,随着龄期的增长,不同因素作用下DS-C收缩变化规律相似,但90 d总收缩值略有差异。水化反应初期基材收缩率最大但随着龄期增加逐渐降低,28 d总收缩值可达90 d总收缩值的70%～80%,56 d后基材收缩趋于平缓,90 d的收缩值基本稳定为－800×10－6。

图3 不同因素对DS-C收缩特性的影响 （a）W/B；（b）FA；（c）S/B；（d）DSRR；（e）纤维（T:总收缩；A:自收缩）Fig.3 Effect of different factors on shrinkage properties of DS-C （a）W/B；（b）FA；（c）S/B；（d）DSRR；（e）Fiber（T:total shrinkage,A:autogenous shrinkage）

3.1.1 水胶比、粉煤灰替代率、砂胶比 由图3（a）,（b）可知,随着W/B、FARR 提高,DS-C 90 d总收缩值呈降低趋势。当W/B 由0.28 提高到0.36时,基材90 d 总收缩值由－799×10－6减小到－700×10－6,降低约12.4%；当FARR 由50%提高到70%时,基材90 d总收缩值由－850×10－6减少到－759×10－6左右,降低约10.67%；FARR 高于60%时,对基材的收缩抑制作用显著。W/B 与粉煤灰的减缩机理存在明显差异:较高的W/B可有效增加DS-C相对湿度并减缓其毛细孔收缩,进而达到减缩作用。大掺量粉煤灰主要通过降低DS-C 水化反应速率,减少硬化基体结构中毛细孔数量和毛细孔收缩应力来控制收缩变形。此外,粉煤灰的稀释效应可增加基体内有效W/B,实现与高W/B同样的减缩作用。

由图3（c）可知,提高S/B 可增加DS-C 收缩开裂风险。随着S/B提高,不同龄期DS-C自收缩值、总收缩值均出现不同程度增加。当S/B 由0.26 提高到0.46时,基材90 d自收缩值、总收缩值分别由－497×10－6、－620×10－6提高到－610×10－6、－702×10－6,增加约21.85%和13.76%。虽然不同配合比DS-C 90d收缩值存在差异,但其对应自收缩值普遍可达总收缩值的70%～80%。这一现象间接揭示自收缩是引起基材宏观收缩的主要因素。

3.1.2 沙漠砂替代率 由图3（d）可知,较相同工况普通河砂-水泥基体,沙漠砂替代河砂会进一步增加水泥基体收缩变形。随着DSRR 的增加,不同龄期DS-C自收缩值、总收缩值均出现不同程度的增加。当DSRR 由0%提高至40%和70%时,基材90 d自收缩值分别提高约4.85%和4.88%,总收缩值分别提高约12.62%和和8.15%。特别当沙漠砂全替代河砂时,基材90 d 自收缩值、总收缩值可达－630×10－6和－725×10－6,较河砂-水泥基材提高约16.5% 和13.04%。小粒径沙漠砂颗粒诱导增加的基体毛细孔收缩应力是DS-C产生较高收缩变形的主要原因。首先,沙漠砂小粒径占比较多（图2（b））,运用于水泥基材制备时可有效填充基体孔隙并促进更多毛细中孔产生；随着水化过程的推进,毛细中孔逐渐细化形成毛细微孔,增加基材收缩风险。其次,极小沙漠砂颗粒潜在火山灰活性,可诱导水泥基体充分水化[16,23]；随着龄期增加,基体内部水化产物增多并进一步填充、细化孔隙结构,基体内部毛细孔增多并引起更大的收缩应力。另外,诱导增加的水化反应将消耗大量氢氧化钙晶体并削弱基体骨架支撑作用。因此,收缩应力产生时基材抵抗变形的能力变差。沙漠砂替代河砂增加基材收缩变形,但经适量减缩剂优化仍可将基材收缩变形控制在结构允许范围内。

3.1.3 纤维掺量 由图3（e）可知,PVA 纤维对DS-C早期收缩抑制作用明显；当纤维掺量分别提高为1%、2%和3%时,基材7 d 总收缩值分别降低约12.89%、21.61%和18.71%；当纤维掺量超过2%时,纤维结团明显,从而对基材收缩抑制作用减弱。随着龄期增加,纤维的收缩抑制作用减小。纤维抑制早期收缩的主要原因为:（1）均匀分散的纤维通常会有效附着于胶凝颗粒或骨料表面,增加其表面粗糙程度；收缩应力产生时,基体各相之间机械咬合作用增强并有效提高其抗收缩性能。（2）纤维表面常常会形成微米级水膜并诱导氢氧化钙晶体自由增长,收缩应力下纤维对基体的桥接作用增强。（3）PVA 纤维与水泥基质具有良好的化学相容性,纤维分子结构中亲水—C—OH键易与水泥水化产物—OH 键结合形成较强的氢桥,纤维与基体界面粘结特性有效改善[26]。

3.2 DS-C强度发展

28 d龄期DS-C 立方体抗压/折强度变化规律如图4所示。纤维掺入会诱导增加基体孔隙率并引起基材强度小幅降低[27],此处不再研究纤维的影响。由图可知:（1）随着W/B或FARR 提高,基材抗压、抗折强度明显降低。（2）随着S/B 增加,基材抗折强度变化不大但抗压强度逐渐增加；当S/B 由0.36 提高到0.46时,基材抗压强度出现大幅增加。这一结论明显区别于普通河砂-水泥基材[28-29],可能是由于较高的S/B优化了具有火山灰效应的极小沙漠砂颗粒占比,水泥基体中形成了强度较高的新矿物相[16,23],从而提高了DS-C抗压强度。（3）当砂胶比为0.36时,DSRR对基材强度影响不大。DSRR为100%时,基材抗压、抗折强度分别约为43.7和3.6 MPa,略低于普通河砂-水泥基体。（4）除较高W/B（0.36）外,不同配合比DS-C立方体抗压强度均高于30 MPa,可以满足一般工程要求；其对应的28 d抗折强度略低,约2.5～6.4 MPa,这可能与液体减缩剂的引气作用及减缩剂与高性能减水剂之间略差的相容性有关[30]。通过以上分析可知,沙漠砂替代河砂有效可行,基于大掺量粉煤灰及沙漠砂制备的DS-C可同时满足强度和低收缩性能要求。

图4 DS-C抗压/折强度变化趋势Fig.4 Compression and flexural strength development of DS-C （a）W/B；（b）FA；（c）S/B；（d）DSRR

3.3 微观分析

对比分析沙漠砂-水泥基体（DS-C11）、河砂-水泥基体（RS-C9）的SEM 微观结构可知:①沙漠砂小粒径颗粒占比较大,可填充、细化基体孔隙结构并改善其密实程度（图5（a））,诱导更多毛细孔产生并引起一定程度收缩应力；此外,疏松多孔状的C-S-H 同样起到填充、细化基体结构的作用并诱导毛细孔收缩应力产生（图5（b））。②DS-C 抗拉性能较差,收缩应力产生时基体局部出现明显的收缩裂缝（图5（c））；受法向收缩应力的影响,沙漠砂/基体界面过渡区（ITZ）出现垂直收缩裂缝（图5（d））。③河砂-水泥基体与DS-C 基体水化程度相当,但前者密实程度略差。较大的河砂粒径可导致薄弱的基体界面过渡区,收缩应力作用下基体开裂明显（图5（e）,5（f））。④减缩剂在水泥基体中引入适量空气并诱导孔隙率微增,普通水泥基体或经沙漠砂细化的基体中均可见大孔隙。

图5 水泥基材微观结构照片 （a）DS-C11基体结构；（b）DS-C11水化程度；（c）DS-C11基体收缩裂缝；（d）DS-C11界面收缩裂缝；（e）RS-C9基体收缩裂缝；（f）RS-C9 界面收缩裂缝Fig.5 Microstructure of cementitious materials （a）matrix of DS-C11；（b）hydration degree of DS-C11；（c）shrinkage cracks in matrix of DS-C11；（d）shrinkage cracks in ITZ of DS-C11；（e）shrinkage cracks in matrix of RS-C9；（f）shrinkage cracks in ITZ of RS-C9

4 结 论

通过单因素收缩、强度试验以及微观分析,深入研究了不同因素对掺入适量减缩剂的DS-C 90 d龄期内自收缩、总收缩特性及28 d DS-C 强度发展的影响规律,主要结论如下:

1.经适量减缩剂优化后,基于大掺量粉煤灰、沙漠砂（部分或全替代河砂）可以制备同时满足低收缩和强度要求的DS-C。不同基材90 d总收缩值约为－700×10－6至－800×10－6,对应28 d立方体抗压强度及抗折强度分别可达30 和2.5 MPa以上。

2.随着龄期的增加,基材收缩变化趋势相似,但90 d总收缩值存在差异。提高W/B、FARR 有利于降低基材收缩变形,但影响其强度发展。当W/B 由0.28提高为0.36或FARR 由50%提高为70%时,基材90 d总收缩值分别降低约12.4%和10.67%,对应28 d强度降低约20%～40%。提高S/B 可增加基材收缩变形,当S/B 由0.26提高为0.46时,基材90 d自收缩值、总收缩值分别增加约21.85%和13.76%,但对应28 d强度变化不大。通常,DS-C 90 d自收缩值可达相应总收缩值的70%～80%。此外,纤维可有效抑制基材早期收缩变形,但对90 d总收缩值影响不大。

3.沙漠砂替代河砂可增加水泥基体收缩开裂风险,但对强度影响不大。当DSRR 由0%提高为40%和70%时,DS-C 90 d自收缩值分别提高约4.85%和4.88%,90 d总收缩值分别提高约12.62%和8.15%。沙漠砂全替代河砂时,DS-C 90 d自收缩值、总收缩值分别可达－630×10－6和－725×10－6,较普通基材提高约16.5%和13.04%,但对应的28 d抗压、抗折强度略低于后者。

4.基体微观分析发现,DS-C 基体与河砂-水泥基体水化程度相当,但小粒径沙漠砂可细化、密实基体结构并诱导更多毛细孔产生,进而增加基体收缩应力。减缩剂具有适量引气作用,普通基体或经沙漠砂细化的DS-C基体中均可见微增的大孔隙。