冻融循环作用下粉煤灰砂浆的力学性能*

2023-05-10郑山锁李雪青

化工科技 2023年1期

曹琛,郑山锁,李雪青

(1.商洛学院城乡规划与建筑工程学院,陕西商洛 726000;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055;3.中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安 710024;4.陕西江河水利水电土木勘测设计研究有限公司,陕西西安 710024)

近几十年来,中国经济发展迅速,建筑材料需求日益增大,同时由建筑材料生产所引起的环境问题又是当前经济可持续发展的一大瓶颈。粉煤灰砂浆作为一种新型砌筑砂浆,因其良好的工作性能和耐久性、绿色环保、资源可重复利用等优点而受到关注。陈军超等[1]的研究结果表明砂浆中加入粉煤灰,既可改善砂浆的施工、保温性能,又可降低砂浆成本。吴福飞等[2]研究了不同种类及掺量粉煤灰砂浆的微观孔结构和力学性能;丰曙霞等[3]分析了不同粒径粉煤灰特征下水泥砂浆的物理力学性能;庞敏等[4]利用微观XRD测试技术对3种粉煤灰掺量分别为50%、70%、90%砂浆的溶蚀性进行了研究,结果表明,一定掺量的粉煤灰可提高砂浆抗溶蚀性。金瑞灵等[5]研究了粉煤灰掺量对建筑砂浆性能的影响,认为当高粉煤灰掺量(80%)的建筑砂浆各项性能(稠度、抗压轻度、弹性模量等)依然满足国家标准要求,再次验证了粉煤灰砂浆的优点。上述研究均以粉煤灰掺量为研究对象,探讨了不同掺量下砂浆的各项物理力学性能的变化,并未涉及到环境的影响。考虑到环境侵蚀作用,一些学者也展开了腐蚀环境下粉煤灰砂浆的抗侵蚀性能研究。李勇[6]对不同水胶比及粉煤灰掺量的混凝土耐久性进行了研究;陈烽等[7]对模拟酸雨环境下掺粉煤灰水泥砂浆的抗蚀性能进行了研究;谭业文等[8]利用3种实验方法分别对5种不同掺量粉煤灰的混凝土进行了抗氯盐侵蚀研究;许刚刚[9]研究了硫酸盐环境下5种不同粉煤灰掺量的水泥砂浆的力学性能;宋洋等[10]针对粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀也进行了相关的实验研究。上述研究主要探讨了氯盐环境和酸雨环境下粉煤灰砂浆耐久性和各项力学性能的劣化影响,而冻融环境下粉煤灰砂浆的力学性能有何劣化规律尚且未知。因此,进行冻融循环作用下粉煤灰砂浆的力学性能研究非常有必要。

1 实验部分

1.1 原料

水泥：秦岭牌P.O32.5级普通硅酸盐水泥,陕西秦岭水泥股份有限公司;砂子：含泥量少且严格经过4.75 mm筛网筛选的中砂,细度模数满足规范要求,陕西灞桥砂场;粉煤灰： Ⅰ级,主要化学成分为w(SiO2)=53.4%,w(Al2O3)=23.4%,w(Fe2O3)=5.6%,w(CaO)=7.2%,w(SO3)=0.49%,w(MgO)=3.25%,烧失量约为1.15～3.23,满足标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)中对粉煤灰的各项指标要求,陕西某电厂。

1.2 试件制作及实验过程

1.2.1 试件制作

砂浆经搅拌机配制后放入模具,按规范要求进行振捣、拆模,质量标准养护28 d。砂浆配合比见表1,水泥砂浆水胶质量比为0.35,粉煤灰砂浆水胶质量比为0.375,其粉煤灰掺量有3种。砂浆试块尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,考虑到粉煤灰掺量及冻融循环次数等因素,实验每种砂浆试块分为7组,每组3个,共制作砂浆试块84个。

表1 实验砂浆配合比 ρ/(kg·m-3)

1.2.2 冻融循环实验

由于实际冻融实验周期较长且受环境影响较大,为缩短实验时间并能真实地模拟冻融环境作用,采用室内加速冻融的方法,冻融循环方案参考美国标准ASTM：C666及中国《建筑砂浆基本性能实验方法标准》(JGJ/T 70—2009)制定并实施,以冻融循环次数表示砂浆试块的抗冻性能,将冻融循环次数分别定为0、20、40、60、80、100及120次。

冻融循环实验要严格控制环境的温度、湿度、光照、冷风和淋水等因素。具体冻融循环步骤如下。(1)浸泡。将经标准养护的砂浆试块放入10～20 ℃的水中浸泡2 d,取出擦干、编号并放入气候模拟实验室;(2)冻结。将实验室温度调至-20 ℃,对试块进行冻结,一次冻结时间为4 h;(3)融化。一次冻结完成后,将实验室温度逐渐升高,温度控制在20～45 ℃,使试块融化,一次融化时间为2 h;(4)喷淋。融化过程结束后,将实验室降温至10 ℃,并对试块进行喷淋,持续20 min,保证试块充分保水,喷淋完毕即为一次循环。

1.2.3 砂浆试块轴心抗压实验

试块受冻融循环作用后,对其再进行轴心抗压实验,见图1。将砂浆试块安放在实验机的下压板上,试件中心应与实验机下压板中心对准,加载时速度控制为1.5 kN/s,加载过程中仔细观察试块破坏过程及其状态,当试块破坏时,记录破坏荷载。

图1 试块抗压实验

2 结果与讨论

2.1 砂浆试块破坏状态

砂浆试块的受压破坏过程可简单描述为内部微裂缝的产生、裂缝发展与贯通、破坏锥面形成并最终破坏。砂浆试块经过冻融循环作用后,在受压之前其内部本身已存在微裂缝,当试块受压后,随着荷载的增加,新的内部微裂缝不断产生,同时原有裂缝缓慢、持续发展。在加载过程中,砂浆试块上部两端距离外边缘约1 cm处首先出现裂缝,并沿约45°向试块中部发展;继续加载,裂缝逐渐贯通,砂浆试块表面剥落形成锥状破坏,破坏形态见图2。

图2 试块破坏状态

2.2 冻融循环作用下不同粉煤灰掺量对砂浆试块质量的影响

试块经冻融循环作用后,其质量均遭受不同程度的损失,试块质量损失可用质量损失率见公式(1)。

(1)

式中：质量损失率取3组试块平均值计算;m0、mn分别为冻融前、n次冻融后砂浆试块质量,g。

试块经历不同冻融循环作用下其质量和质量损失率见图3和图4。

冻融循环次数图3 冻融循环下不同粉煤灰掺量的砂浆试块质量

冻融循环次数图4 冻融循环下不同粉煤灰掺量的砂浆试块质量损失率

由图3和图4可知,随着冻融循环次数的增加,试块质量逐渐降低;相同冻融循环次数下,FAM1较未掺加粉煤灰的水泥砂浆,其质量略有降低;FAM2较未掺加粉煤灰的水泥砂浆,其质量又有略微增加;FAM3较未掺加粉煤灰的水泥砂浆,其质量损失最多。经120次冻融循环作用后,FAM3质量损失已大于5%,而FAM2、FAM1质量损失均低于5%。表明粉煤灰砂浆试块在冻融循环作用下质量损失随粉煤灰掺量的增加而增大;适量的粉煤灰对砂浆抗冻性能有益,但当掺量超过30%,砂浆的抗冻性能反而会下降。其原因是粉煤灰掺量过大,砂浆的孔隙率和孔结构分布不佳,导致其在宏观方面表现为质量损失过大。

2.3 冻融循环作用下不同粉煤灰掺量对砂浆动弹性模量的影响

利用超声波测量技术获得砂浆试块的动弹性模量,测得各试块动弹性模量见图5。

冻融循环次数图5 冻融循环下不同粉煤灰掺量的砂浆试块动弹性模量

由图5可知,随着冻融循环次数的增加,砂浆试块的动弹性模量逐渐降低;不同质量分数的粉煤灰掺量对砂浆的动弹性模量影响较明显,随着粉煤灰掺量的增加,砂浆试块的动弹性模量下降的愈加明显;且在相同冻融循环次数下,粉煤灰掺量越多,试块的动弹性模量下降越快。与未经受冻融作用的试块相比,120次冻融循环作用后,试块CM、FAM1、FAM2和FAM3的动弹性模量降幅分别为8.8%、12.10%、18.00%和24.8%。

2.4 冻融循环作用下不同粉煤灰掺量对砂浆抗压强度的影响

砂浆试块抗压强度损失率见公式(2)。

(2)

式中：Qn为n次冻融循环后试块抗压强度损失率,取3组试块的平均值;Fc,0、Fc,n分别为冻融前、n次冻融后试块抗压强度,MPa。

经砂浆试块轴心抗压实验,测试不同冻融循环次数下,不同粉煤灰掺量的砂浆抗压强度,实验结果见图6。

冻融循环次数图6 冻融循环下不同粉煤灰掺量的砂浆试块抗压强度

冻融循环下不同粉煤灰掺量的粉煤灰砂浆试块抗压强度损失率见图7。

冻融循环次数图7 冻融循环下不同粉煤灰掺量的砂浆试块抗压强度损失率

由图6和图7可知,砂浆试块抗压强度均随冻融循环作用次数的增加而呈降低的趋势,且粉煤灰掺量对冻融循环作用下砂浆试块抗压强度影响较为显著。与未经冻融作用的砂浆试块相比,120次冻融循环作用后,砂浆试块CM、FAM1、FAM2及FAM3的抗压强度分别下降26%、20.7%、25.2%及37.6%。结果表明,水泥中掺入适量粉煤灰(不超过30%)有益于砂浆的抗冻性,当粉煤灰掺量超过30%,砂浆抗压强度则有明显的下降。