董雙快，吳福飛，王 丹，陳 聰，郭 爽，陳亮亮，葉鴻宏

(1.貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽 550025；2.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160；3.中建西部建設(shè)貴州有限公司，貴州 貴陽 550004)

1 研究背景

粉煤灰是電廠煤炭燃燒的主要產(chǎn)物(約占60%)，在我國每年產(chǎn)量多達(dá)(5～6)×108t[1-2]。目前，粉煤灰主要用于墻體材料及水泥和混凝土中[3-4]，尤其在水泥和混凝土行業(yè)的研究和應(yīng)用居多。吳耀鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量越大，低水膠比混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度越小，但摻量為30%時(shí)，高溫后的抗壓強(qiáng)度損失較小。董玉萍等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥土中復(fù)摻高鈣粉煤灰與激發(fā)劑可顯著提高水泥土材料的早期力學(xué)性能。傅柏權(quán)等[7]以高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料為研究對象，摻入大摻量粉煤灰后，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和極限抗彎荷載降低，韌性提高，其破壞形式屬于延性破壞。趙志方等[8]在混凝土中摻入80%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)混凝土的自生收縮發(fā)展比對照組混凝土小。王雪蓮[9]將粉煤灰制備成粉煤灰微珠，當(dāng)其摻量為30%時(shí)，混凝土的自收縮與干燥收縮在不同程度上得到了抑制。毛明杰等[10]采用粉煤灰替代細(xì)骨料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰作為細(xì)骨料摻入后，混凝土的強(qiáng)度性能優(yōu)于普通混凝土。張俊芝等[11]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過自然潮差環(huán)境作用后，粉煤灰能有效地減少混凝土的孔隙率，細(xì)化孔徑分布，混凝土中孔徑10～100 nm的數(shù)量增加，孔徑100～1 000 nm的數(shù)量降低，且環(huán)境作用時(shí)間越長，混凝土中孔徑為100～1 000 nm和大于1 000 nm的數(shù)量降低幅度越大。王瑜玲等[12]研究了粉煤灰-礦粉-水泥三元體系的水化放熱情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉煤灰和礦粉摻入后，對三元體系的水化有稀釋作用，降低了水泥顆粒之間接觸的機(jī)會，降低了水化產(chǎn)物的形成速率。De Matos等[13]和Elmrabet等[14]的研究也證實(shí)，粉煤灰的摻入會降低水泥基材料的水化熱且早期強(qiáng)度較低。劉永淼等[15]研究了粉煤灰-礦粉-水泥三元體系的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥、粉煤灰和礦粉的組合對混凝土力學(xué)性能有增強(qiáng)作用，粉煤灰和礦粉的協(xié)同效應(yīng)較為明顯。姜春萌等[16]研究了礦物摻合料對凝灰?guī)r堿骨料反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的抑制作用優(yōu)于礦渣，粉煤灰高摻合量對長齡期混凝土堿骨料反應(yīng)的抑制作用效果較好。

貴州電廠較多，如西部六盤水水城縣發(fā)耳電廠、南部都勻火電廠、中部遵義縣鴨溪電廠、西北部大方縣貴州大方發(fā)電有限公司、東部黔東電廠和北部桐梓電廠等。這些電廠產(chǎn)生的粉煤灰以Ⅱ級粉煤灰為主，產(chǎn)量大，應(yīng)用卻相對較少。目前，雖然對于粉煤灰的研究已經(jīng)有較多的成果，但大多數(shù)的研究主要以單種粉煤灰為主，未對比不同電廠粉煤灰的差異性，尤其是長齡期作用下的性能。為此，本文以貴州地區(qū)不同電廠的4種Ⅱ級粉煤灰為研究對象，探索長齡期作用后粉煤灰對砂漿力學(xué)性能、孔隙率、吸水率和微觀形貌的影響，為貴州地區(qū)粉煤灰混凝土的應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，安定性檢測合格，比表面積為376 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度為26.9%；砂采用中級砂；水為實(shí)驗(yàn)室自來水。粉煤灰采用貴州地區(qū)常用的4種Ⅱ級粉煤灰，分別為六盤水水城縣發(fā)耳電廠產(chǎn)生的Ⅱ級粉煤灰(HJFa，如圖1(a))、都勻火電廠產(chǎn)生的Ⅱ級粉煤灰(DHFa，如圖1(b))、遵義縣鴨溪電廠產(chǎn)生的Ⅱ級粉煤灰(YXFa，如圖1(c))和大方縣貴州大方發(fā)電有限公司產(chǎn)生的Ⅱ級粉煤灰(DFFa，如圖1(d))，其比表面積分別為428、423、430和418 m2/kg，需水比分別為101.4%、103.9%、98.5%和102.9%。試驗(yàn)用水泥和4種粉煤灰的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用水泥和4種粉煤灰的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 試驗(yàn)采用的貴州地區(qū)4種粉煤灰

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)混凝土配合比為水泥∶水∶中級砂=450∶225∶1350，以六盤水Ⅱ級粉煤灰(HJFa)、都勻Ⅱ級粉煤灰(DHFa)、鴨溪Ⅱ級粉煤灰(YXFa)和大方Ⅱ級粉煤灰(DFFa)等質(zhì)量替代水泥制成試件，其替代率分別為0、20%、30%、40%、50%，分別記為CK，HJFa1，HJFa2、HJFa3、HJFa4，…，DFFa1，DFFa2，DFFa3，DFFa4，如圖2所示。試件采用三聯(lián)模(尺寸為40 mm×40 mm×160 mm)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度為20±2℃，濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)后參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2018)進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。吸水率和孔隙率采用干燥-飽和稱重法，將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的試件，切割成尺寸為40 mm×40 mm×10 mm的試件，通過烘干和飽和過程計(jì)算其吸水率和孔隙率，分別采用公式(1)和公式(2)。

圖2 4種粉煤灰砂漿試件

ξ=(ms-md)/md

(1)

ψ=(ms-md)/(ms-mx)

(2)

式中：ξ和ψ分別為吸水率和孔隙率，%；ms為試件飽和狀態(tài)的質(zhì)量，g；md為試件完全干燥狀態(tài)的質(zhì)量，g；mx為試件水飽和后的浮重，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗折強(qiáng)度

粉煤灰通常具有潛在活性，由于貴州各地區(qū)煤礦產(chǎn)煤成分的差異，導(dǎo)致不同粉煤灰種類對砂漿性能的影響規(guī)律有所不同，4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可見，4種粉煤灰砂漿和純水泥砂漿在養(yǎng)護(hù)齡期1～28 d的增長幅度較大，純水泥砂漿在28～1 000 d的增長幅度變緩，僅增加了15.7%。粉煤灰的摻量為20%～50%且養(yǎng)護(hù)齡期為28～1 000 d時(shí)，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的抗折強(qiáng)度分別增長了45.5%～100.0%、39.6%～51.8%、34.5%～94.6%和49.0%～71.6%。其增長規(guī)律基本表現(xiàn)為，粉煤灰摻量越大則試件抗折強(qiáng)度增長速率越大。養(yǎng)護(hù)齡期從1 d增加至1 000 d，4種粉煤灰砂漿試件的抗折強(qiáng)度呈持續(xù)增長的趨勢。在1 000 d時(shí)，4種粉煤灰砂漿試件的抗折強(qiáng)度在摻量為20%～50%時(shí)均高于純水泥砂漿，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的抗折強(qiáng)度分別比純水泥砂漿增加了16.7%～26.0%、8.3%～21.8%、12.5%～20.8%和5.2%～28.1%。其中六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件相應(yīng)摻量為20%、20%、30%和30%時(shí)，4種粉煤灰試件的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此，按齡期為1 000 d時(shí)的抗折強(qiáng)度大小排序?yàn)椋捍蠓舰蚣壏勖夯?六盤水Ⅱ級粉煤灰>都勻Ⅱ級粉煤灰>鴨溪Ⅱ級粉煤灰。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，由于水泥顆粒細(xì)度相對較細(xì)，與水接觸后水化反應(yīng)較快，使純水泥砂漿抗折強(qiáng)度的早期發(fā)展較快，后期抗折強(qiáng)度的增長速率相對緩慢。粉煤灰顆粒中含有一定活性的SiO2、CaO和Fe2O3，在水化的堿性環(huán)境中促進(jìn)粉煤灰顆粒參與二次水化反應(yīng)。另外，參考文獻(xiàn)[17]和[18]中的研究表明：粉煤灰中含有的Fe2O3對提高砂漿的抗折強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。因此，從4種粉煤灰砂漿的抗折強(qiáng)度研究發(fā)現(xiàn)，長齡期作用下粉煤灰的摻量可提高到40%。

圖3 4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

3.2 抗壓強(qiáng)度

粉煤灰雖有潛在活性，但是其活性通常在堿性環(huán)境激發(fā)下才能表現(xiàn)出來，因此，粉煤灰替代水泥制備砂漿后，砂漿早期的抗壓強(qiáng)度通常較低，且粉煤灰摻量越大，對抗壓強(qiáng)度的降低作用也越大。4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4 的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齡期仍然是影響砂漿抗壓強(qiáng)度的重要因素，即養(yǎng)護(hù)齡期越長，砂漿的抗壓強(qiáng)度越大。在養(yǎng)護(hù)齡期為1～28 d時(shí)，4種粉煤灰砂漿和純水泥砂漿抗壓強(qiáng)度增長幅度較大，在養(yǎng)護(hù)齡期為28～1 000 d時(shí)，純水泥砂漿抗壓強(qiáng)度增長緩慢。粉煤灰的摻量為20%～50%且齡期為28～1 000 d時(shí)，鴨溪Ⅱ級粉煤灰、大方Ⅱ級粉煤灰、六盤水Ⅱ級粉煤灰和都勻Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的抗壓強(qiáng)度分別增長了14.1%～52.1%、2.7%～49.5%、17.0%～92.0%和3.6%～47.6%。由此可見，粉煤灰的摻量越大，長齡期砂漿抗壓強(qiáng)度的增長速率就越大。養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到1 000 d時(shí)，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿的抗壓強(qiáng)度分別在摻量為20%～40%、20%～40%、20%和20%～30%時(shí)高于純水泥砂漿，在摻量為20%、30%、20%和30%時(shí)，4種粉煤灰砂漿試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別比純水泥基砂漿提高了17.0%、9.8%、14.1%和4.0%。因此，其抗壓強(qiáng)度大小排序?yàn)椋涣P水Ⅱ級粉煤灰>鴨溪Ⅱ級粉煤灰>都勻Ⅱ級粉煤灰>大方Ⅱ級粉煤灰。從抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，4種粉煤灰對砂漿后期抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰的摻量分別不宜超過40%、40%、20%和30%。對比4種粉煤灰砂漿試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種粉煤灰都能在一定程度上提高長齡期砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，相對而言，4種粉煤灰對砂漿試件抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用大于對抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。

圖4 4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

3.3 孔隙率

養(yǎng)護(hù)齡期為1 000 d時(shí)，4種粉煤灰砂漿試件孔隙率隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可見，以粉煤灰等質(zhì)量替代水泥，隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿試件的孔隙率不斷降低。粉煤灰摻量從20%增加至50%時(shí)，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的孔隙率比對照組分別降低了19.0%～29.7%、9.2%～28.7%、25.6%～40.0%和14.9%～34.9%，按粉煤灰對砂漿孔隙率的貢獻(xiàn)大小排序?yàn)椋壶喯蚣壏勖夯?大方Ⅱ級粉煤灰>六盤水Ⅱ級粉煤灰>都勻Ⅱ級粉煤灰。發(fā)生上述現(xiàn)象的主要原因是，粉煤灰顆粒比水泥細(xì)，能填充于水泥水化形成的多害孔、有害孔等孔隙中，進(jìn)而減小了砂漿試件的孔隙率，粉煤灰顆粒越細(xì)其填充效果就越好。砂漿試件孔隙率的減小相當(dāng)于提高了砂漿的受力面，從而增大了砂漿試件的抗壓強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)[11]通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，摻合料的摻量越大，對砂漿孔隙率的降低作用越顯著，上述4種粉煤灰對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律也證明了這一點(diǎn)。雖然摻合料的摻量增加后，在一定程度上降低了砂漿的孔隙率，但是同時(shí)也降低了水泥的含量，進(jìn)而影響水泥水化形成Ca(OH)2的數(shù)量，抑制了粉煤灰火山灰活性的發(fā)揮。因此，粉煤灰的摻量超過40%后，延長養(yǎng)護(hù)齡期，也無法彌補(bǔ)砂漿抗壓強(qiáng)度的降低。

圖5 4種粉煤灰砂漿試件孔隙率隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律(養(yǎng)護(hù)齡期為1 000 d)

3.4 吸水率

4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的吸水率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可見，粉煤灰摻量為20%～50%、養(yǎng)護(hù)齡期為1～90 d時(shí)，4種粉煤灰砂漿的吸水率基本呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，且均大于純水泥砂漿試件。另外，粉煤灰的摻量越大，一般其吸水率也越大。在90 d齡期時(shí)，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的吸水率分別比純水泥砂漿試件大3.3%～10.4%、2.3%～12.7%、-2.4%～7.5%和-0.6%～8.7%。在90～1 000 d齡期時(shí)，六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰不同摻量砂漿試件的吸水率分別比純水泥砂漿試件降低了18.2%～21.6%、8.7%～44.0%、28.4%～39.8%和8.2%～38.9%。對比發(fā)現(xiàn)，4種粉煤灰砂漿的吸水率基本表現(xiàn)出粉煤灰的摻量越大，吸水率的降低速率也越大。這主要是養(yǎng)護(hù)延長后，粉煤灰發(fā)生了二次水化反應(yīng)，細(xì)化了砂漿的孔結(jié)構(gòu)，降低了有害孔、多害孔等孔隙的比例[11]，進(jìn)而降低了砂漿試件對水的吸附能力。因此，粉煤灰摻量越大，孔隙率和吸水率相對較小，其力學(xué)性能增幅相對較高。

圖6 4種粉煤灰不同摻量砂漿試件的吸水率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

3.5 粉煤灰砂漿試件的微觀形貌

養(yǎng)護(hù)28和1 000 d后，對六盤水Ⅱ級粉煤灰和鴨溪Ⅱ級粉煤灰砂漿試件進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖7所示。

從28 d的微觀形貌(圖7(a)、7(c))可以發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰的活性較低，大部分粉煤灰顆粒僅發(fā)揮填充作用，粉煤灰的摻量越大，其填充作用也越明顯。粉煤灰的粒徑最小，水泥次之，砂的粒徑最大，3種材料混合后可以形成逐層填充的作用，從孔隙率和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)這一點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]也證實(shí)，摻量越大，對砂漿孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化作用也越好，但是會減少水泥的水化產(chǎn)物[17-18]，不利于抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。

從養(yǎng)護(hù)齡期為1 000 d的微觀形貌(圖7(b)、7(d))可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰顆粒表面已經(jīng)附著一層水化產(chǎn)物，但只附著在粉煤灰顆粒表面的一部分，主要是由于粉煤灰顆粒的差異性和活性高低的不同，使粉煤灰參與水化的程度不同。參考文獻(xiàn)[19]、[20]中的研究結(jié)果也表明，粉煤灰的摻入，使Ca(OH)2的含量降低而C-S-H的含量增加，齡期越長，其參與二次水化反應(yīng)的顆粒越多，粉煤灰顆粒與水化產(chǎn)物的粘結(jié)較為牢固；采用90%粉煤灰與10%CaO混合處理后，粉煤灰表面Ca含量明顯增加，水化產(chǎn)物C-S-H的C/S降低，說明粉煤灰活化處理后，粉煤灰的活性增加。從抗壓強(qiáng)度的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度的增長幅度較小，說明粉煤灰的摻入阻礙了水泥水化后膠結(jié)物質(zhì)的形成。另外，粉煤灰的潛在活性低，參與二次水化反應(yīng)的含量少，二次水化反應(yīng)后形成的膠結(jié)物質(zhì)有限[21]，因此，粉煤灰對砂漿抗壓強(qiáng)度的增大作用有限[22]。雖然粉煤灰的摻入，對砂漿抗折強(qiáng)度和孔隙率的影響較大，但粉煤灰砂漿抗折強(qiáng)度的增長主要源于粉煤灰中Fe2O3的貢獻(xiàn)，砂漿孔隙率的降低主要源于粉煤灰細(xì)顆粒的填充作用。綜合上述，粉煤灰在砂漿中的作用主要是填充作用和火山灰效應(yīng)，但針對活性低的粉煤灰材料，主要以填充作用為主。

圖7 六盤水Ⅱ級粉煤灰和鴨溪Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的微觀形貌

4 結(jié) 論

(1)粉煤灰能提高長齡期砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期從28 d延長至1 000 d時(shí)，純水泥砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度僅增長了15.7%和3.9%，而鴨溪Ⅱ級粉煤灰、大方Ⅱ級粉煤灰、六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最大分別增長了94.6%和52.1%、71.6%和49.5%，100.0%和92.0%和51.8%和47.6%，摻量越大，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的增加速率越大。

(2)粉煤灰能降低長齡期砂漿的孔隙率。六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰砂漿試件的孔隙率最大分別降低了29.7%、28.7%、40.0%和34.9%，基本表現(xiàn)出摻量越大，孔隙率越低的趨勢。長齡期砂漿的孔隙率降低后，同時(shí)也降低了砂漿的吸水率，4種粉煤灰砂漿(六盤水Ⅱ級粉煤灰、都勻Ⅱ級粉煤灰、鴨溪Ⅱ級粉煤灰和大方Ⅱ級粉煤灰)最大分別降低了21.6%、44.0%、39.8%和38.9%。

(3)長齡期作用后，粉煤灰仍主要發(fā)揮填充作用和火山灰效應(yīng)，達(dá)到降低砂漿的孔隙率，提高其密實(shí)度，增強(qiáng)其力學(xué)性能的目的。