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含粉煤灰或石英粉的复合胶凝材料的抗压强度发展规律
2010/01/12 00:00
来源：阎培渝 张庆欢
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摘要：用细度基本相同的粉煤灰和石英粉作为活性和惰性矿物掺和料，研究了在不同水胶比、不同养护温度条件下，矿物掺和料的种类和掺量对于复合胶凝材料的抗压强度发展特性的影响。在水化初期，颗粒形貌等物理因素比反应程度等化学因素更能影响含有矿物掺和料的复合胶凝材料的强度发展特性，活性与惰性矿物掺和料的作用基本相同。热激发能明显促进粉煤灰的火山灰反应，有利于含粉煤灰的复合胶凝材料的强度发展。含大掺量粉煤灰的复合胶凝材料特别适合用于内部能较长时间维持较高温度的大体积混凝土结构。
关键词：粉煤灰；石英粉；复合胶凝材料：抗压强度
粉煤灰是目前使用量最大的矿物掺和料，广泛用于混凝土的配制。沈旦申【1】在1981年提出了“粉煤灰效应”假说，比较确切地评价了粉煤灰的品质并选择最佳掺量，达到按指定性能设计掺粉煤灰混凝土的配合比的目的。人们一般将粉煤灰效应归结为3个效应的综合：火山灰反应效应、微集料效应和颗粒形态效应。火山灰反应是化学反应，其余2种效应是物理作用。大量的研究工作[2-3]侧重于探讨粉煤灰的化学活性，并探寻化学激发剂，试图激发粉煤灰的化学活性，提高粉煤灰的火山灰反应程度，增强粉煤灰的作用效果。
水化初期，粉煤灰的火山灰反应很慢，反应程度很低。Wang等[4]测定了复合胶凝材料浆体中Ca（OH）2含量的变化，发现：在7d时，粉煤灰的火山灰反应程度约6%;1年后，该数值高于20%.胡曙光等【5】提出：用等效结合水含量和粉煤灰的水化影响因子来定性和定量分析粉煤灰在水化初期对水泥水化的促进或抑制作用以及作用大小，他们发现：在28d时，粉煤灰的火山灰反应程度不大于2%.
粉煤灰对复合胶凝材料强度发展的影响除了火山灰反应以外，微集料填充的物理作用也非常重要。Mehta[6]测定了11种掺加粉煤灰的砂浆强度，发现：低钙粉煤灰的活性正比于小于10μm颗粒含量；反比于大于45μm颗粒含量。蒋永惠等【7】的研究表明：粉煤灰粉体性能显著影响粉煤灰水泥的强度。粉煤灰中10~20pm颗粒含量与水泥强度的关联度最大；30μm以下颗粒有较大关联度；大于30μm颗粒与水泥强度负相关。Payá等[8]研究了在28d时不同掺量下，4种不同细度粉煤灰与原状灰对于水泥胶砂强度的影响。结果表明：颗粒粒径均小于100μm的分选粉煤灰与原状灰在掺量小于30%时，28d的强度值与纯水泥强度相当；掺量为45%和60%时，强度则显著降低，其中：在任何掺量下，颗粒粒径均大于50μm的分选粉煤灰试验组的强度都显著低于其他组的。掺量为60%时，粉煤灰颗粒平均粒径与胶砂抗压强度有很好的线性反比关系。
为了探讨粉煤灰的火山灰反应和微集料填充作用对于复合胶凝材料的强度性能的影响，实验中对比研究了掺加粉煤灰或惰性矿物掺和料石英粉的复合胶凝材料砂浆在不同养护温度条件下的抗压强度发展规律。
1 实 验
1.1原材料
实验用水泥为混凝土外加剂性能检测专用基准水泥；粉煤灰为内蒙古元宝山发电厂生产的“辉珠牌”一级粉煤灰，需水量比95%;石英粉由纯石英砂磨细而得；减水剂为Sika公司生产的聚羧酸高效减水剂Viscocrete 3301.水泥与粉煤灰的化学组成见表1.
图1 粉煤灰与石英粉的粒度分布
用BT-9300型激光粒度分析仪对水泥、粉煤灰和石英粉进行粒度分析。粒径累计百分含量与区间百分含量如图l所示。由图1可以看出：在0.1~15μm.粒径范围内，石英粉的颗粒含量略高于粉煤灰的；在大于15μm粒径范围内，石英粉的颗粒含量则略低于粉煤灰的。因此，石英粉的粒度比粉煤灰的稍细，但相差不大。在所用的3种材料中，水泥的颗粒最细。
1.2胶砂强度的测定
参照国家标准GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测定复合胶凝材料胶砂抗压强度。采用ISO标准砂，胶砂比为1∶3,水胶比（w/b）分别为0.36、0.43和0.50.试件尺寸为40mmx40mmx160mm.强度测定龄期为1,3,7,28,90d以及180d.胶砂抗压强度实验中复合胶凝材料的组成见表2,其中F组为掺加粉煤灰的样品，Q组为掺加石英粉的样品。为了调整砂浆的工作性，w/b=0.36的试验组添加了高效减水剂，用量为l%胶凝材料质量。
采用2种养护条件。除了标准养护条件外，还采用高温养护条件：成型后的试件在温度为（20±1）℃，相对湿度大于90%的标准养护室中养护24h,脱模。然后，将试件放入65℃的水中养护至14d后取出，再置于20℃的水中养护至规定龄期：28,90d,180d.[Page]
2 结果与讨论
图2标准养护条件下各样品的胶砂抗压强度发展
2.1 标准养护条件下各样品胶砂抗压强度发展的规律
标准养护条件下，各样品胶砂抗压强度的测定结果见图2.在7d以内，掺加粉煤灰与掺加石英粉的样品，只要掺量和w/b相同，其抗压强度基本相同。随水化龄期延长，掺量为25%的样品，其抗压强度发展规律仍基本相同，难于区分活性矿物掺和料与惰性矿物掺和料。对于掺量为50%的样品，F组样品的抗压强度持续发展，到180d时已接近或超过纯水泥样品的抗压强度；Q组样品的抗压强度发展逐渐趋于停顿。
有3个因素可影响复合胶凝材料的强度发展：w/b、矿物掺和料的掺加比例和种类。前2个因素对于强度发展有明显影响：随w/b下降，胶砂抗压强度随之增高；矿物掺和料的掺加比例增加，则胶砂抗压强度下降。无论是粉煤灰或是石英粉，在水化初期都可以看作惰性掺和料，不参与水化反应。这相应增大了水泥的实际水灰比，这种稀释效应将提高水泥的水化程度。在较高w/b条件下，胶砂内部空隙率较高，水泥水化程度的提高增加了水化产物的相对含量，提高了胶砂样品的密实度，有利于促进胶砂强度发展。在w/b=0.50时，矿物掺和料掺加比例为25%的样品F1和样品Q1与纯水泥样品C相比，其各龄期相对强度都高于75%,即：石英粉也表现出活性掺和料的特征。在较长龄期，水泥的水化反应趋于停止，Q组样品的胶砂内部孔隙率不再变化，强度不再增长。但是，F组中的粉煤灰仍可继续发生火山灰反应，使结构进一步密实，所以，F组样品的抗压强度在后期持续增长，含50%粉煤灰的样品F2,在180d时的抗压强度可达纯水泥的89%;含25%粉煤灰的样品F1,在180d时的抗压强度可达纯水泥的106%.在较低水胶比条件下，初始的胶砂内部密实度就较高，水化产物填充孔隙促使强度增长的作用较小。因此，样品F1和样品Ql的抗压强度一直到180d都基本相同。当矿物掺和料的掺加比例较大（50%）时，体系内生成的水化产物量较少，粘结作用较弱，内部孔隙率较高，因而在水泥的水化反应基本结束后，其抗压强度仍然较低。对于含惰性掺和料的样品Q2,由于不再生成新的水化产物，其抗压强度不再发展。对于含活性掺和料的样品F2,其所含粉煤灰的持续火山灰反应所生成的新的水化产物使结构继续密实，导致其抗压强度在后期仍然明显增长，在低水胶比条件下，180d的抗压强度甚至超过纯水泥的。随着龄期延长，逐渐显现出粉煤灰的火山灰反应对于抗压强度发展的促进作用，样品Q2的后期抗压强度发展速率逐渐低于样品F2的，两者的差异越来越大。
矿物掺和料的种类仅对大掺量矿物掺和料样品的后期抗压强度发展有影响，在掺加比例适当（25%）时，矿物掺和料的种类对于复合胶凝材料的抗压强度发展没有影响。石英粉是惰性的矿物掺和料，不参与水化反应，仅通过微集料的物理填充作用影响胶砂的抗压强度发展。由于样品F1和样品Q1的抗压强度发展规律基本相同，所以，此时粉煤灰的作用也以微集料的物理填充作用为主，即使粉煤灰颗粒表面已开始发生火山灰反应，但它对于抗压强度的促进作用很小。石英粉颗粒是无规则外形的多棱状颗粒，与其它颗粒的嵌锁功能强于球状粉煤灰颗粒的（见图3）。这种形貌效应在水化反应程度尚低、低水胶比的样品的早期硬化过程中特别重要，所以，样品Q1在低水胶比时，其1d的抗压强度稍高于样品F1的。
图3矿物掺和料颗粒形貌
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2.2高温养护条件下各样品胶砂抗压强度发展的规律
经过高温（65±2）℃养护14d的样品胶砂抗压强度的测定结果见图4.由图4可见：早期的热养护提高了含有粉煤灰的复合胶凝材料的强度，但是，对于含有石英粉的复合胶凝材料强度发展的影响很小。F组样品的强度明显高于同掺量的Q组样品的。在热激发作用下，粉煤灰的火山灰反应提前进行，其反应程度也大大提高。相对于仅有微集料填充作用的石英粉，具有火山灰效应和微集料填充作用双重功效的粉煤灰，对于复合胶凝材料强度的促进作用大为加强。在高温环境中，虽然胶凝材料的水化反应加快，但其浆体的微观结构却较为疏松。因此，虽然高温养护的试件的早期强度提高了，但其后期强度却不继续增长，180d强度甚至稍低于常温养护试件的。低水胶比条件下，在粉煤灰含量50%的样品中，水泥的含量降低，但所生成的水化产物仍能产生足够的胶凝能力，体系中又有大量表面已经水化的粉煤灰微粒填充其孔隙，其浆体结构较为理想，从而强度大幅度提高，接近同样养护温度条件下纯水泥的水平。所以，含有大量粉煤灰的复合胶凝材料特别适合用于内部能较长时间维持较高温度的大体积混凝土结构。
图4高温养护条件下各样品的胶砂强度发展
3 结 论
在水化初期，粉煤灰主要以物理填充的作用影响复合胶凝材料的抗压强度发展性能，其火山灰效应只有到水化后期才逐渐显现。此时，颗粒形貌等物理因素比反应程度等化学因素更能影响复合胶凝材料的抗压强度发展特性，活性与惰性矿物掺和料的作用基本相同。
热激发能明显促进粉煤灰的火山灰反应，有利于含粉煤灰的复合胶凝材料的抗压强度发展，但对含惰性矿物掺和料的复合胶凝材料的抗压强度性能影响很小。大掺量粉煤灰复合胶凝材料特别适合用于内部能较长时间维持较高温度的大体积混凝土结构。
参考文献：
1.沈旦申。粉煤灰混凝土[M].北京：铁道出版社，1989.149-153.
2.龙广成，谢友均，王培铭。粉煤灰强度效应的研究[J].铁道科学与工程学报，2005,2（1）：19-24.
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