含粉煤灰或石英粉的復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展規(guī)律
摘要：用細度基本相同的粉煤灰和石英粉作為活性和惰性礦物摻和料，研究了在不同水膠比、不同養(yǎng)護溫度條件下，礦物摻和料的種類和摻量對于復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展特性的影響。在水化初期，顆粒形貌等物理因素比反應(yīng)程度等化學因素更能影響含有礦物摻和料的復合膠凝材料的強度發(fā)展特性，活性與惰性礦物摻和料的作用基本相同。熱激發(fā)能明顯促進粉煤灰的火山灰反應(yīng)，有利于含粉煤灰的復合膠凝材料的強度發(fā)展。含大摻量粉煤灰的復合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長時間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：粉煤灰；石英粉；復合膠凝材料：抗壓強度
粉煤灰是目前使用量最大的礦物摻和料，廣泛用于混凝土的配制。沈旦申【1】在1981年提出了“粉煤灰效應(yīng)”假說，比較確切地評價了粉煤灰的品質(zhì)并選擇最佳摻量，達到按指定性能設(shè)計摻粉煤灰混凝土的配合比的目的。人們一般將粉煤灰效應(yīng)歸結(jié)為3個效應(yīng)的綜合：火山灰反應(yīng)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和顆粒形態(tài)效應(yīng)?；鹕交曳磻?yīng)是化學反應(yīng)，其余2種效應(yīng)是物理作用。大量的研究工作[2-3]側(cè)重于探討粉煤灰的化學活性，并探尋化學激發(fā)劑，試圖激發(fā)粉煤灰的化學活性，提高粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度，增強粉煤灰的作用效果。
水化初期，粉煤灰的火山灰反應(yīng)很慢，反應(yīng)程度很低。Wang等[4]測定了復合膠凝材料漿體中Ca（OH）2含量的變化，發(fā)現(xiàn)：在7d時，粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度約6%;1年后，該數(shù)值高于20%.胡曙光等【5】提出：用等效結(jié)合水含量和粉煤灰的水化影響因子來定性和定量分析粉煤灰在水化初期對水泥水化的促進或抑制作用以及作用大小，他們發(fā)現(xiàn)：在28d時，粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度不大于2%.
粉煤灰對復合膠凝材料強度發(fā)展的影響除了火山灰反應(yīng)以外，微集料填充的物理作用也非常重要。Mehta[6]測定了11種摻加粉煤灰的砂漿強度，發(fā)現(xiàn)：低鈣粉煤灰的活性正比于小于10μm顆粒含量；反比于大于45μm顆粒含量。蔣永惠等【7】的研究表明：粉煤灰粉體性能顯著影響粉煤灰水泥的強度。粉煤灰中10~20pm顆粒含量與水泥強度的關(guān)聯(lián)度最大；30μm以下顆粒有較大關(guān)聯(lián)度；大于30μm顆粒與水泥強度負相關(guān)。Payá等[8]研究了在28d時不同摻量下，4種不同細度粉煤灰與原狀灰對于水泥膠砂強度的影響。結(jié)果表明：顆粒粒徑均小于100μm的分選粉煤灰與原狀灰在摻量小于30%時，28d的強度值與純水泥強度相當；摻量為45%和60%時，強度則顯著降低，其中：在任何摻量下，顆粒粒徑均大于50μm的分選粉煤灰試驗組的強度都顯著低于其他組的。摻量為60%時，粉煤灰顆粒平均粒徑與膠砂抗壓強度有很好的線性反比關(guān)系。
為了探討粉煤灰的火山灰反應(yīng)和微集料填充作用對于復合膠凝材料的強度性能的影響，實驗中對比研究了摻加粉煤灰或惰性礦物摻和料石英粉的復合膠凝材料砂漿在不同養(yǎng)護溫度條件下的抗壓強度發(fā)展規(guī)律。
1 實 驗
1.1原材料
實驗用水泥為混凝土外加劑性能檢測專用基準水泥；粉煤灰為內(nèi)蒙古元寶山發(fā)電廠生產(chǎn)的“輝珠牌”一級粉煤灰，需水量比95%;石英粉由純石英砂磨細而得；減水劑為Sika公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑Viscocrete 3301.水泥與粉煤灰的化學組成見表1.
圖1 粉煤灰與石英粉的粒度分布
用BT-9300型激光粒度分析儀對水泥、粉煤灰和石英粉進行粒度分析。粒徑累計百分含量與區(qū)間百分含量如圖l所示。由圖1可以看出：在0.1~15μm.粒徑范圍內(nèi)，石英粉的顆粒含量略高于粉煤灰的；在大于15μm粒徑范圍內(nèi)，石英粉的顆粒含量則略低于粉煤灰的。因此，石英粉的粒度比粉煤灰的稍細，但相差不大。在所用的3種材料中，水泥的顆粒最細。
1.2膠砂強度的測定
參照國家標準GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》測定復合膠凝材料膠砂抗壓強度。采用ISO標準砂，膠砂比為1∶3,水膠比（w/b）分別為0.36、0.43和0.50.試件尺寸為40mmx40mmx160mm.強度測定齡期為1,3,7,28,90d以及180d.膠砂抗壓強度實驗中復合膠凝材料的組成見表2,其中F組為摻加粉煤灰的樣品，Q組為摻加石英粉的樣品。為了調(diào)整砂漿的工作性，w/b=0.36的試驗組添加了高效減水劑，用量為l%膠凝材料質(zhì)量。
采用2種養(yǎng)護條件。除了標準養(yǎng)護條件外，還采用高溫養(yǎng)護條件：成型后的試件在溫度為（20±1）℃，相對濕度大于90%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護24h,脫模。然后，將試件放入65℃的水中養(yǎng)護至14d后取出，再置于20℃的水中養(yǎng)護至規(guī)定齡期：28,90d,180d.[Page]
2 結(jié)果與討論
圖2標準養(yǎng)護條件下各樣品的膠砂抗壓強度發(fā)展
2.1 標準養(yǎng)護條件下各樣品膠砂抗壓強度發(fā)展的規(guī)律
標準養(yǎng)護條件下，各樣品膠砂抗壓強度的測定結(jié)果見圖2.在7d以內(nèi)，摻加粉煤灰與摻加石英粉的樣品，只要摻量和w/b相同，其抗壓強度基本相同。隨水化齡期延長，摻量為25%的樣品，其抗壓強度發(fā)展規(guī)律仍基本相同，難于區(qū)分活性礦物摻和料與惰性礦物摻和料。對于摻量為50%的樣品，F(xiàn)組樣品的抗壓強度持續(xù)發(fā)展，到180d時已接近或超過純水泥樣品的抗壓強度；Q組樣品的抗壓強度發(fā)展逐漸趨于停頓。
有3個因素可影響復合膠凝材料的強度發(fā)展：w/b、礦物摻和料的摻加比例和種類。前2個因素對于強度發(fā)展有明顯影響：隨w/b下降，膠砂抗壓強度隨之增高；礦物摻和料的摻加比例增加，則膠砂抗壓強度下降。無論是粉煤灰或是石英粉，在水化初期都可以看作惰性摻和料，不參與水化反應(yīng)。這相應(yīng)增大了水泥的實際水灰比，這種稀釋效應(yīng)將提高水泥的水化程度。在較高w/b條件下，膠砂內(nèi)部空隙率較高，水泥水化程度的提高增加了水化產(chǎn)物的相對含量，提高了膠砂樣品的密實度，有利于促進膠砂強度發(fā)展。在w/b=0.50時，礦物摻和料摻加比例為25%的樣品F1和樣品Q1與純水泥樣品C相比，其各齡期相對強度都高于75%,即：石英粉也表現(xiàn)出活性摻和料的特征。在較長齡期，水泥的水化反應(yīng)趨于停止，Q組樣品的膠砂內(nèi)部孔隙率不再變化，強度不再增長。但是，F(xiàn)組中的粉煤灰仍可繼續(xù)發(fā)生火山灰反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)進一步密實，所以，F(xiàn)組樣品的抗壓強度在后期持續(xù)增長，含50%粉煤灰的樣品F2,在180d時的抗壓強度可達純水泥的89%;含25%粉煤灰的樣品F1,在180d時的抗壓強度可達純水泥的106%.在較低水膠比條件下，初始的膠砂內(nèi)部密實度就較高，水化產(chǎn)物填充孔隙促使強度增長的作用較小。因此，樣品F1和樣品Ql的抗壓強度一直到180d都基本相同。當?shù)V物摻和料的摻加比例較大（50%）時，體系內(nèi)生成的水化產(chǎn)物量較少，粘結(jié)作用較弱，內(nèi)部孔隙率較高，因而在水泥的水化反應(yīng)基本結(jié)束后，其抗壓強度仍然較低。對于含惰性摻和料的樣品Q2,由于不再生成新的水化產(chǎn)物，其抗壓強度不再發(fā)展。對于含活性摻和料的樣品F2,其所含粉煤灰的持續(xù)火山灰反應(yīng)所生成的新的水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)繼續(xù)密實，導致其抗壓強度在后期仍然明顯增長，在低水膠比條件下，180d的抗壓強度甚至超過純水泥的。隨著齡期延長，逐漸顯現(xiàn)出粉煤灰的火山灰反應(yīng)對于抗壓強度發(fā)展的促進作用，樣品Q2的后期抗壓強度發(fā)展速率逐漸低于樣品F2的，兩者的差異越來越大。
礦物摻和料的種類僅對大摻量礦物摻和料樣品的后期抗壓強度發(fā)展有影響，在摻加比例適當（25%）時，礦物摻和料的種類對于復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展沒有影響。石英粉是惰性的礦物摻和料，不參與水化反應(yīng)，僅通過微集料的物理填充作用影響膠砂的抗壓強度發(fā)展。由于樣品F1和樣品Q1的抗壓強度發(fā)展規(guī)律基本相同，所以，此時粉煤灰的作用也以微集料的物理填充作用為主，即使粉煤灰顆粒表面已開始發(fā)生火山灰反應(yīng)，但它對于抗壓強度的促進作用很小。石英粉顆粒是無規(guī)則外形的多棱狀顆粒，與其它顆粒的嵌鎖功能強于球狀粉煤灰顆粒的（見圖3）。這種形貌效應(yīng)在水化反應(yīng)程度尚低、低水膠比的樣品的早期硬化過程中特別重要，所以，樣品Q1在低水膠比時，其1d的抗壓強度稍高于樣品F1的。
圖3礦物摻和料顆粒形貌
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2.2高溫養(yǎng)護條件下各樣品膠砂抗壓強度發(fā)展的規(guī)律
經(jīng)過高溫（65±2）℃養(yǎng)護14d的樣品膠砂抗壓強度的測定結(jié)果見圖4.由圖4可見：早期的熱養(yǎng)護提高了含有粉煤灰的復合膠凝材料的強度，但是，對于含有石英粉的復合膠凝材料強度發(fā)展的影響很小。F組樣品的強度明顯高于同摻量的Q組樣品的。在熱激發(fā)作用下，粉煤灰的火山灰反應(yīng)提前進行，其反應(yīng)程度也大大提高。相對于僅有微集料填充作用的石英粉，具有火山灰效應(yīng)和微集料填充作用雙重功效的粉煤灰，對于復合膠凝材料強度的促進作用大為加強。在高溫環(huán)境中，雖然膠凝材料的水化反應(yīng)加快，但其漿體的微觀結(jié)構(gòu)卻較為疏松。因此，雖然高溫養(yǎng)護的試件的早期強度提高了，但其后期強度卻不繼續(xù)增長，180d強度甚至稍低于常溫養(yǎng)護試件的。低水膠比條件下，在粉煤灰含量50%的樣品中，水泥的含量降低，但所生成的水化產(chǎn)物仍能產(chǎn)生足夠的膠凝能力，體系中又有大量表面已經(jīng)水化的粉煤灰微粒填充其孔隙，其漿體結(jié)構(gòu)較為理想，從而強度大幅度提高，接近同樣養(yǎng)護溫度條件下純水泥的水平。所以，含有大量粉煤灰的復合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長時間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
圖4高溫養(yǎng)護條件下各樣品的膠砂強度發(fā)展
3 結(jié) 論
在水化初期，粉煤灰主要以物理填充的作用影響復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展性能，其火山灰效應(yīng)只有到水化后期才逐漸顯現(xiàn)。此時，顆粒形貌等物理因素比反應(yīng)程度等化學因素更能影響復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展特性，活性與惰性礦物摻和料的作用基本相同。
熱激發(fā)能明顯促進粉煤灰的火山灰反應(yīng)，有利于含粉煤灰的復合膠凝材料的抗壓強度發(fā)展，但對含惰性礦物摻和料的復合膠凝材料的抗壓強度性能影響很小。大摻量粉煤灰復合膠凝材料特別適合用于內(nèi)部能較長時間維持較高溫度的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。
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