凍融循環作用下粉煤灰砂漿的力學性能*

曹 琛,鄭山鎖,李雪青

(1.商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院,陜西 商洛 726000;2.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055;3.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024;4.陜西江河水利水電土木勘測設計研究有限公司,陜西 西安 710024)

近幾十年來,中國經濟發展迅速,建筑材料需求日益增大,同時由建筑材料生產所引起的環境問題又是當前經濟可持續發展的一大瓶頸。粉煤灰砂漿作為一種新型砌筑砂漿,因其良好的工作性能和耐久性、綠色環保、資源可重復利用等優點而受到關注。陳軍超等[1]的研究結果表明砂漿中加入粉煤灰,既可改善砂漿的施工、保溫性能,又可降低砂漿成本。吳福飛等[2]研究了不同種類及摻量粉煤灰砂漿的微觀孔結構和力學性能;豐曙霞等[3]分析了不同粒徑粉煤灰特征下水泥砂漿的物理力學性能;龐敏等[4]利用微觀XRD測試技術對3種粉煤灰摻量分別為50%、70%、90%砂漿的溶蝕性進行了研究,結果表明,一定摻量的粉煤灰可提高砂漿抗溶蝕性。金瑞靈等[5]研究了粉煤灰摻量對建筑砂漿性能的影響,認為當高粉煤灰摻量(80%)的建筑砂漿各項性能(稠度、抗壓輕度、彈性模量等)依然滿足國家標準要求,再次驗證了粉煤灰砂漿的優點。上述研究均以粉煤灰摻量為研究對象,探討了不同摻量下砂漿的各項物理力學性能的變化,并未涉及到環境的影響。考慮到環境侵蝕作用,一些學者也展開了腐蝕環境下粉煤灰砂漿的抗侵蝕性能研究。李勇[6]對不同水膠比及粉煤灰摻量的混凝土耐久性進行了研究;陳烽等[7]對模擬酸雨環境下摻粉煤灰水泥砂漿的抗蝕性能進行了研究;譚業文等[8]利用3種實驗方法分別對5種不同摻量粉煤灰的混凝土進行了抗氯鹽侵蝕研究;許剛剛[9]研究了硫酸鹽環境下5種不同粉煤灰摻量的水泥砂漿的力學性能;宋洋等[10]針對粉煤灰混凝土抗硫酸鹽侵蝕也進行了相關的實驗研究。上述研究主要探討了氯鹽環境和酸雨環境下粉煤灰砂漿耐久性和各項力學性能的劣化影響,而凍融環境下粉煤灰砂漿的力學性能有何劣化規律尚且未知。因此,進行凍融循環作用下粉煤灰砂漿的力學性能研究非常有必要。

1 實驗部分

1.1 原料

水泥：秦嶺牌P.O32.5級普通硅酸鹽水泥,陜西秦嶺水泥股份有限公司;砂子：含泥量少且嚴格經過4.75 mm篩網篩選的中砂,細度模數滿足規范要求,陜西灞橋砂場;粉煤灰： Ⅰ級,主要化學成分為w(SiO2)=53.4%,w(Al2O3)=23.4%,w(Fe2O3)=5.6%,w(CaO)=7.2%,w(SO3)=0.49%,w(MgO)=3.25%,燒失量約為1.15～3.23,滿足標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中對粉煤灰的各項指標要求,陜西某電廠。

1.2 試件制作及實驗過程

1.2.1 試件制作

砂漿經攪拌機配制后放入模具,按規范要求進行振搗、拆模,質量標準養護28 d。砂漿配合比見表1,水泥砂漿水膠質量比為0.35,粉煤灰砂漿水膠質量比為0.375,其粉煤灰摻量有3種。砂漿試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,考慮到粉煤灰摻量及凍融循環次數等因素,實驗每種砂漿試塊分為7組,每組3個,共制作砂漿試塊84個。

表1 實驗砂漿配合比 ρ/(kg·m-3)

1.2.2 凍融循環實驗

由于實際凍融實驗周期較長且受環境影響較大,為縮短實驗時間并能真實地模擬凍融環境作用,采用室內加速凍融的方法,凍融循環方案參考美國標準ASTM：C666及中國《建筑砂漿基本性能實驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)制定并實施,以凍融循環次數表示砂漿試塊的抗凍性能,將凍融循環次數分別定為0、20、40、60、80、100及120次。

凍融循環實驗要嚴格控制環境的溫度、濕度、光照、冷風和淋水等因素。具體凍融循環步驟如下。(1)浸泡。將經標準養護的砂漿試塊放入10～20 ℃的水中浸泡2 d,取出擦干、編號并放入氣候模擬實驗室;(2)凍結。將實驗室溫度調至-20 ℃,對試塊進行凍結,一次凍結時間為4 h;(3)融化。一次凍結完成后,將實驗室溫度逐漸升高,溫度控制在20～45 ℃,使試塊融化,一次融化時間為2 h;(4)噴淋。融化過程結束后,將實驗室降溫至10 ℃,并對試塊進行噴淋,持續20 min,保證試塊充分保水,噴淋完畢即為一次循環。

1.2.3 砂漿試塊軸心抗壓實驗

試塊受凍融循環作用后,對其再進行軸心抗壓實驗,見圖1。將砂漿試塊安放在實驗機的下壓板上,試件中心應與實驗機下壓板中心對準,加載時速度控制為1.5 kN/s,加載過程中仔細觀察試塊破壞過程及其狀態,當試塊破壞時,記錄破壞荷載。

圖1 試塊抗壓實驗

2 結果與討論

2.1 砂漿試塊破壞狀態

砂漿試塊的受壓破壞過程可簡單描述為內部微裂縫的產生、裂縫發展與貫通、破壞錐面形成并最終破壞。砂漿試塊經過凍融循環作用后,在受壓之前其內部本身已存在微裂縫,當試塊受壓后,隨著荷載的增加,新的內部微裂縫不斷產生,同時原有裂縫緩慢、持續發展。在加載過程中,砂漿試塊上部兩端距離外邊緣約1 cm處首先出現裂縫,并沿約45°向試塊中部發展;繼續加載,裂縫逐漸貫通,砂漿試塊表面剝落形成錐狀破壞,破壞形態見圖2。

圖2 試塊破壞狀態

2.2 凍融循環作用下不同粉煤灰摻量對砂漿試塊質量的影響

試塊經凍融循環作用后,其質量均遭受不同程度的損失,試塊質量損失可用質量損失率見公式(1)。

(1)

式中：質量損失率取3組試塊平均值計算;m0、mn分別為凍融前、n次凍融后砂漿試塊質量,g。

試塊經歷不同凍融循環作用下其質量和質量損失率見圖3和圖4。

凍融循環次數圖3 凍融循環下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質量

凍融循環次數圖4 凍融循環下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質量損失率

由圖3和圖4可知,隨著凍融循環次數的增加,試塊質量逐漸降低;相同凍融循環次數下,FAM1較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質量略有降低;FAM2較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質量又有略微增加;FAM3較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質量損失最多。經120次凍融循環作用后,FAM3質量損失已大于5%,而FAM2、FAM1質量損失均低于5%。表明粉煤灰砂漿試塊在凍融循環作用下質量損失隨粉煤灰摻量的增加而增大;適量的粉煤灰對砂漿抗凍性能有益,但當摻量超過30%,砂漿的抗凍性能反而會下降。其原因是粉煤灰摻量過大,砂漿的孔隙率和孔結構分布不佳,導致其在宏觀方面表現為質量損失過大。

2.3 凍融循環作用下不同粉煤灰摻量對砂漿動彈性模量的影響

利用超聲波測量技術獲得砂漿試塊的動彈性模量,測得各試塊動彈性模量見圖5。

凍融循環次數圖5 凍融循環下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊動彈性模量

由圖5可知,隨著凍融循環次數的增加,砂漿試塊的動彈性模量逐漸降低;不同質量分數的粉煤灰摻量對砂漿的動彈性模量影響較明顯,隨著粉煤灰摻量的增加,砂漿試塊的動彈性模量下降的愈加明顯;且在相同凍融循環次數下,粉煤灰摻量越多,試塊的動彈性模量下降越快。與未經受凍融作用的試塊相比,120次凍融循環作用后,試塊CM、FAM1、FAM2和FAM3的動彈性模量降幅分別為8.8%、12.10%、18.00%和24.8%。

2.4 凍融循環作用下不同粉煤灰摻量對砂漿抗壓強度的影響

砂漿試塊抗壓強度損失率見公式(2)。

(2)

式中：Qn為n次凍融循環后試塊抗壓強度損失率,取3組試塊的平均值;Fc,0、Fc,n分別為凍融前、n次凍融后試塊抗壓強度,MPa。

經砂漿試塊軸心抗壓實驗,測試不同凍融循環次數下,不同粉煤灰摻量的砂漿抗壓強度,實驗結果見圖6。

凍融循環次數圖6 凍融循環下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊抗壓強度

凍融循環下不同粉煤灰摻量的粉煤灰砂漿試塊抗壓強度損失率見圖7。

凍融循環次數圖7 凍融循環下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊抗壓強度損失率

由圖6和圖7可知,砂漿試塊抗壓強度均隨凍融循環作用次數的增加而呈降低的趨勢,且粉煤灰摻量對凍融循環作用下砂漿試塊抗壓強度影響較為顯著。與未經凍融作用的砂漿試塊相比,120次凍融循環作用后,砂漿試塊CM、FAM1、FAM2及FAM3的抗壓強度分別下降26%、20.7%、25.2%及37.6%。結果表明,水泥中摻入適量粉煤灰(不超過30%)有益于砂漿的抗凍性,當粉煤灰摻量超過30%,砂漿抗壓強度則有明顯的下降。

3 結 論

不同凍融循環次數作用下,改變粉煤灰摻量,研究粉煤灰砂漿試塊的質量損失率、動彈性模量及抗壓強度等指標的變化,得出主要結論如下。

(1) 不同粉煤灰摻量的砂漿試塊,在凍融循環作用下,試塊質量呈逐漸減小的趨勢。其中粉煤灰摻量為40%的試塊質量損失率最大,為5.65%,且各試塊質量隨凍融循環次數的增加而逐漸降低。

(2)不同粉煤灰摻量對砂漿動彈性模量的影響較為明顯。凍融循環次數未到40次,粉煤灰摻量為20%的試塊,其動彈性模量大于未摻加粉煤灰試塊的動彈性模量;凍融循環40次之后,砂漿試塊的動彈性模量不斷減小,且隨著粉煤灰摻量的增加,其動彈性模量降低的愈明顯。

(3)各砂漿試塊的抗壓強度均隨凍融循環次數的增加而降低,但粉煤灰摻量小于30%,120次凍融循環作用下砂漿抗壓強度較未摻入粉煤灰的砂漿下降少,表明摻入適量粉煤灰有益于砂漿的抗凍性能。因此,合理的粉煤灰摻量對砂漿的抗凍性能非常重要。