粉煤灰-硅粉-聚丙烯纤维配制砂浆抗冻性能试验研究

2021-01-22方张平葛进进张阳阳

湖南城市学院学报（自然科学版） 2021年1期

黄伟，方张平，葛进进，张阳阳

(1. 淮南联合大学建筑与艺术学院，安徽淮南 232038；2. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

混凝土和砂浆的耐久性一直以来都是业内广泛关注的问题，无论是对冻融理论的探索，还是冻融条件下的试验方案设计，都有学者进行了大量研究，并建立了相关的冻融损伤模型[1-4].硅粉和粉煤灰因其具有火山灰效应和填充效应，可以改善水泥基材料的微观结构，提高其耐久性，被广泛地应用于高性能水泥基复合材料中.很多学者利用粉煤灰和硅灰单掺以及双掺配制多元水泥基复合材料，研究了养护环境、水胶比等因素改变对水泥基复合材料的影响，得出两者复掺配制的三元胶凝体系性能最佳[5-8]；刘元珍等[9]、吕丹丹等[10]对冻融环境下玻化微珠保温砂浆抗压强度、拉伸黏结强度与冻融次数之间的关系进行了研究；商怀帅[11]、秦晓川等[12]研究了冻融方式、试件尺寸、粉煤灰掺量和混凝土组分材料的改变对冻融环境中混凝土细观和微观形态的影响；候云芬等[13]对冻融条件下的砂浆温度和变形进行了试验研究.孔凌宇等[14]、葛文杰等[15]通过添加石粉、ECC 材料即高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)对水泥砂浆材料的抗冻性能进行试验，分析石粉掺量和ECC 材料对水泥基材料抗冻性能影响.

本文结合文献[5]的研究结论，选定硅粉掺量为5%，聚丙烯纤维掺量为1.2 kg/m3，粉煤灰掺量为0%，10%，20%和30%，试验研究多元素配制砂浆的工作性能和冻融性能，以此来分析砂浆的抗压强度、相对动弹性模量和质量损失率3 个评价指标，并分析3 个指标与砂浆抗冻性能的相关性；同时结合电镜扫描(SEM)，分析在冻融作用下的砂浆冻融损伤机理，可为多元复合材料配制砂浆的耐久性提供参考.

1 试验材料和试验方法

1.1 试验原材料

水泥采用淮南舜岳水泥厂生产的八公山牌P.O 42.5 硅酸盐水泥；细骨料采用ISO 标准砂；采用当地自来水搅拌.粉煤灰物理性能指标见表1；硅粉外观为灰白色粉末，其烧失量1.04%，密度2 500 kg/m3，比表面积22 000 m2/kg，硅粉与水泥的化学成分见表 2；聚丙烯纤维物理力学性能指标见表3.

表1 粉煤灰物理性能指标

表2 水泥和硅粉化学成分 wt%

表3 聚丙烯纤维物理力学指标

1.2 试验配合比及方法

为了分析粉煤灰、硅粉和聚丙烯纤维对砂浆抗冻性能的影响，根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)[16]设计砂浆配合比，见表4.

试验步骤：首先，将胶凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰)和标准砂称量加入搅拌机中干拌60 s，在搅拌时添加聚丙烯纤维使其均匀分散；然后，缓慢加入水，湿拌60 s 后测试砂浆稠度并制作砂浆试块，据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[17]中的抗冻性能试验中的快冻法，采用KDR-2型混凝土快速自动冻融试验机进行试验，为测定砂浆抗压强度制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试块；采用DT-20W动弹性模量测定仪测试砂浆的相对动弹性模量，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm；每间隔20次冻融循环取出试样，测试砂浆的抗压强度、纵向基频以及试块质量，根据《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)[18]中的公式计算相对动弹性模量和质量损失率.微观结构试验采用浙江大学的QUANTA 650型电子显微镜进行测试.

表4 砂浆配合比

2 试验结果与讨论

2.1 砂浆抗压强度

图1 为不同配合比砂浆抗压强度与冻融次数之间的变化关系曲线.

图1 砂浆冻融次数与抗压强度变化曲线

从图1 中可以明显看出，未受冻时，粉煤灰掺量大小对砂浆抗压强度影响较大，两者呈现相反的变化规律，粉煤灰掺量为10%，20%和30%时，砂浆的抗压强度降幅分别为4.8%，16.4%和27.9%，表明掺入粉煤灰超过一定比例后，砂浆抗压强度降幅增速.主要原因是粉煤灰掺量30%时，因其等量取代部分水泥后，砂浆中水泥的水化反应较缓，而粉煤灰中的活性物质与水泥水化后的产物氢氧化钙相互作用，减少了水泥熟料矿物反应液相碱性离子的集聚浓度，促进水泥熟料的水化反应，生成物附着在粉煤灰颗粒表面，但随着水泥掺量的减少从而影响水化产物氢氧化钙生成量，降低了粉煤灰的二次水化反应速度，导致砂浆强度不断降低.

随冻融次数的增加，砂浆抗压强度同样出现衰减变化规律.在冻融初期，砂浆抗压强度下降平缓；冻融60次后，砂浆抗压强度损失加剧，此时M1，M2，M3和M4砂浆抗压强度分别下降27.9%，27.3%，26.6%和24.7%，可以看出粉煤灰掺量对冻融环境下砂浆抗压强度的衰减有一定的改善作用.从图2砂浆微观结构可以看出水泥水化产生大量的CH(氢氧化钙)、CSH(水化硅酸钙)凝胶体和AFt(钙矾石)产物.

图2 砂浆微观结构

图2(a)中孔隙较大且分布不均匀；图2(b)孔隙密而小呈现均匀分布；图2(c)和图2(d)比较密实且有大量游离态粉煤灰颗粒.从整个砂浆SEM图可知，随粉煤灰掺量的增加，砂浆内部变得越密实；粉煤灰掺量为10%时和硅粉双掺后会形成超叠加效应，此时粉煤灰和硅粉微颗粒的水化产物正好填充了水泥浆体中的空隙，细化了砂浆内部孔径，降低了气泡间距系数[16]，阻断了内部毛细孔通道，缓解了砂浆内部的冻胀压力，从而增强了砂浆的抗冻性能.

2.2 砂浆相对动弹性模量

图3 为砂浆相对动弹性模量与冻融次数之间的变化关系曲线.从图3 可知，随着冻融次数的增加，砂浆的相对动弹性模量逐渐降低.经过60次冻融循环后，4 种配比砂浆的相对动弹性模量值大小依次是 M2＞M1＞M3＞M4，M2 砂浆相对动弹性模量降低至 82.3%，降低幅度最小，主要是粉煤灰掺量为10%时，抗压强度降幅最小，且保持较高的抗压强度造成的；当粉煤灰掺量为30%时，砂浆相对动弹性模量降低最为明显.冻融80次时，相对动弹性模量达到50.1%；冻融100 次时，砂浆试件端部出现冻融破坏以至无法测试.

图3 砂浆相对动弹性模量曲线

2.3 砂浆表观特征与质量损失率

图4 和图5 分别为典型砂浆的冻融破坏特征和质量损失率变化曲线.

图4 典型砂浆冻融破坏特征

图5 砂浆质量损失率曲线

从图4 可知，冻融初期，砂浆试件整体性保持完好；冻融20 次时，砂浆表面出现部分麻面；随着冻融次数的不断增加，砂浆试件光滑表面逐渐被侵蚀，出现了片状脱落、孔洞；当冻融次数达到60 次时，砂浆表面基本被侵蚀；100 次时，砂浆试件整体出现大块脱落，结构疏松，基本没有强度，冻融破坏严重.试验中4 种配比的砂浆试件呈现冻融破坏的表观特征基本类似.

从图5 可知，M1，M2 和M3 砂浆质量损失率变化相比M4 略微缓慢.冻融次数为60 次时，M1 砂浆试件的质量损失率达到 5.7%，超过了M2 和M3 砂浆试件；冻融次数为100 次时，M4砂浆试件破坏最为严重，质量损失率达 20.1%.这表明掺入适量的粉煤灰可以减缓砂浆的冻融破坏，当粉煤灰掺量增加至30%后，因砂浆抗压强度显著降低，造成砂浆的抗冻性能指标急剧劣化.

2.4 砂浆微观结构分析

图6 为砂浆未冻融时的微观结构.

图6 未冻融时聚丙烯纤维与水泥基SEM

从图6 可看出，聚丙烯纤维紧紧被水泥浆体包裹着，硅粉和粉煤灰的掺入可以改善水泥浆与纤维之间的界面黏结强度，砂浆内部呈现交错连接的空间网状形态，整体密实度较高，充分展现出硅粉和粉煤灰的填充效应.两者及水化产物与CSH 凝胶体接触紧密，当水泥水化产物CH 达到一定量时，氢氧根离子激发粉煤灰的活性，促进粉煤灰发生二次水化作用，同时粉煤灰颗粒分布在水泥石基体中起到“次中心质”的作用，在纤维和骨料的界面上，因粉煤灰与氢氧化钙发生二次水化反应，所生成大量的凝胶产物附着其周边并交织成致密网状结构体，强化了纤维和细骨料界面过渡区，表现出相对完整的组织结构.从图6(b)和图6(c)可看出砂浆的水化产物较丰富，聚丙烯纤维与周边凝胶体粘结密实；图6(d)中聚丙烯纤维周边仍有未完全发生反应的球状粉煤灰颗粒.

图7 冻融80 次时聚丙烯纤维与水泥基SEM

图7 为冻融80 次时4 种不同配比砂浆的微观结构.从图7 可以看出，冻融循环作用对砂浆的微观结构有显著的影响.从砂浆的微观结构形貌可以看到较多微裂缝和微孔隙，尤其是在聚丙烯纤维周边，裂缝清晰可见，其结构组成形貌呈现颗粒化的趋势.主要原因是在冻胀压力作用下，砂浆冻融破坏由表及里，类似疲劳裂纹的扩展方式，慢慢造成宏观水泥浆体的侵蚀和剥落.从图7(a)和图7(d)中可以看出，砂浆冻融破坏比较严重，纤维周边裂缝宽又深，尤其是图 7(d)中仍然存在大量游离态的粉煤灰颗粒；图 7(b)和图 7(c)中砂浆冻融产生的裂缝相对窄而浅，CSH 凝胶体与纤维黏结仍然较紧密，这是由于适量的粉煤灰中的硅酸盐玻璃体正好与水化产物CH 发生化学反应，生成的水化硅酸钙凝胶体，能有效地堵塞和填充毛细孔隙，使砂浆内部结构更加密实.

对比图6和图7中聚丙烯纤维表观状态可知，冻融初期聚丙烯纤维与水泥浆体咬合紧密，对限制砂浆变形有一定促进作用；随着冻融次数增加，纤维与水化产物之间黏结力逐渐减小，两者之间产生分离剥落，纤维表面变得光滑干净(仅有少量的水化产物附着其上).这进一步验证了冻融循环60 次后砂浆抗压强度快速劣化的机理.