曹 琛,鄭山鎖,李雪青

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)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(shè)計研究有限公司,陜西 西安 710024)

近幾十年來,中國經(jīng)濟發(fā)展迅速,建筑材料需求日益增大,同時由建筑材料生產(chǎn)所引起的環(huán)境問題又是當(dāng)前經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)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(huán)保、資源可重復(fù)利用等優(yōu)點而受到關(guān)注。陳軍超等[1]的研究結(jié)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(jié)構(gòu)和力學(xué)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(xué)性能;龐敏等[4]利用微觀XRD測試技術(shù)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(jié)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(rèn)為當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)要求,再次驗證了粉煤灰砂漿的優(yōu)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(xué)性能的變化,并未涉及到環(huán)境的影響。考慮到環(huán)境侵蝕作用,一些學(xué)者也展開了腐蝕環(huán)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(huán)境下?lián)椒勖夯宜嗌皾{的抗蝕性能進行了研究;譚業(yè)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(huán)境下5種不同粉煤灰摻量的水泥砂漿的力學(xué)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(guān)的實驗研究。上述研究主要探討了氯鹽環(huán)境和酸雨環(huán)境下粉煤灰砂漿耐久性和各項力學(xué)性能的劣化影響,而凍融環(huán)境下粉煤灰砂漿的力學(xué)性能有何劣化規(guī)律尚且未知。因此,進行凍融循環(huán)作用下粉煤灰砂漿的力學(xué)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(yán)格經(jīng)過4.75 mm篩網(wǎng)篩選的中砂,細度模數(shù)滿足規(guī)范要求,陜西灞橋砂場;粉煤灰： Ⅰ級,主要化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)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(jīng)攪拌機配制后放入模具,按規(guī)范要求進行振搗、拆模,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d。砂漿配合比見表1,水泥砂漿水膠質(zhì)量比為0.35,粉煤灰砂漿水膠質(zhì)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(huán)次數(shù)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(huán)實驗

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

凍融循環(huán)實驗要嚴(yán)格控制環(huán)境的溫度、濕度、光照、冷風(fēng)和淋水等因素。具體凍融循環(huán)步驟如下。(1)浸泡。將經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)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(jié)。將實驗室溫度調(diào)至-20 ℃,對試塊進行凍結(jié),一次凍結(jié)時間為4 h;(3)融化。一次凍結(jié)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(jié)束后,將實驗室降溫至10 ℃,并對試塊進行噴淋,持續(xù)20 min,保證試塊充分保水,噴淋完畢即為一次循環(huán)。

1.2.3 砂漿試塊軸心抗壓實驗

試塊受凍融循環(huán)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(yīng)與實驗機下壓板中心對準(zhǔn),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(tài),當(dāng)試塊破壞時,記錄破壞荷載。

圖1 試塊抗壓實驗

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿試塊破壞狀態(tài)

砂漿試塊的受壓破壞過程可簡單描述為內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生、裂縫發(fā)展與貫通、破壞錐面形成并最終破壞。砂漿試塊經(jīng)過凍融循環(huán)作用后,在受壓之前其內(nèi)部本身已存在微裂縫,當(dāng)試塊受壓后,隨著荷載的增加,新的內(nèi)部微裂縫不斷產(chǎn)生,同時原有裂縫緩慢、持續(xù)發(fā)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(xiàn)裂縫,并沿約45°向試塊中部發(fā)展;繼續(xù)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(tài)見圖2。

圖2 試塊破壞狀態(tài)

2.2 凍融循環(huán)作用下不同粉煤灰摻量對砂漿試塊質(zhì)量的影響

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

(1)

式中：質(zhì)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(zhì)量,g。

試塊經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用下其質(zhì)量和質(zhì)量損失率見圖3和圖4。

凍融循環(huán)次數(shù)圖3 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質(zhì)量

凍融循環(huán)次數(shù)圖4 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊質(zhì)量損失率

由圖3和圖4可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試塊質(zhì)量逐漸降低;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,FAM1較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量略有降低;FAM2較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量又有略微增加;FAM3較未摻加粉煤灰的水泥砂漿,其質(zhì)量損失最多。經(jīng)120次凍融循環(huán)作用后,FAM3質(zhì)量損失已大于5%,而FAM2、FAM1質(zhì)量損失均低于5%。表明粉煤灰砂漿試塊在凍融循環(huán)作用下質(zhì)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(dāng)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(jié)構(gòu)分布不佳,導(dǎo)致其在宏觀方面表現(xiàn)為質(zhì)量損失過大。

2.3 凍融循環(huán)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(shù)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(huán)次數(shù)圖5 凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)的增加,砂漿試塊的動彈性模量逐漸降低;不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(huán)次數(shù)下,粉煤灰摻量越多,試塊的動彈性模量下降越快。與未經(jīng)受凍融作用的試塊相比,120次凍融循環(huán)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(huán)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(huán)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(jīng)砂漿試塊軸心抗壓實驗,測試不同凍融循環(huán)次數(shù)下,不同粉煤灰摻量的砂漿抗壓強度,實驗結(jié)果見圖6。

凍融循環(huán)次數(shù)圖6 凍融循環(huán)下不同粉煤灰摻量的砂漿試塊抗壓強度

凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)圖7 凍融循環(huán)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(huán)作用次數(shù)的增加而呈降低的趨勢,且粉煤灰摻量對凍融循環(huán)作用下砂漿試塊抗壓強度影響較為顯著。與未經(jīng)凍融作用的砂漿試塊相比,120次凍融循環(huán)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(jié)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(dāng)粉煤灰摻量超過30%,砂漿抗壓強度則有明顯的下降。

3 結(jié) 論

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

(1) 不同粉煤灰摻量的砂漿試塊,在凍融循環(huán)作用下,試塊質(zhì)量呈逐漸減小的趨勢。其中粉煤灰摻量為40%的試塊質(zhì)量損失率最大,為5.65%,且各試塊質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)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(huán)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(huán)次數(shù)的增加而降低,但粉煤灰摻量小于30%,120次凍融循環(huán)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。