主要研究了粉煤灰水泥二元胶凝体系在聚乙烯醇纤维和粉煤灰含量变化后抗压强度以及抗折强度的影响。结果表明：聚乙烯醇纤维对于粉煤灰水泥二元胶凝体系抗折强度的影响明显优于对抗压强度的影响。粉煤灰的掺入会降低立方体的抗压强度以及小梁的抗折强度，纤维含量均为0时，纯水泥浆体的28d抗折强度为粉煤灰含量为60%的浆体试块的3.17倍。 This paper mainly studies the effects of changing the content of PVA fiber and fly ash on the compressive strength and flexural strength of the fly ash cement binary cementing system. The results show that the effect of polyvinyl alcohol fiber on the flexural strength of fly ash cement binary cementing system is more significant than that of compressive strength. The addition of fly ash will reduce the compressive strength of the cube and the flexural strength of the trabecular beam. When the fiber content is 0, the 28d flexural strength of pure cement slurry is 3.17 times that of the slurry test specimen with 60% fly ash content.
吴昊，李志家，彭伟康，申淼江，汤川，贾艳敏*
东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨
收稿日期：2020年5月13日；录用日期：2020年6月8日；发布日期：2020年6月15日
主要研究了粉煤灰水泥二元胶凝体系在聚乙烯醇纤维和粉煤灰含量变化后抗压强度以及抗折强度的影响。结果表明：聚乙烯醇纤维对于粉煤灰水泥二元胶凝体系抗折强度的影响明显优于对抗压强度的影响。粉煤灰的掺入会降低立方体的抗压强度以及小梁的抗折强度，纤维含量均为0时，纯水泥浆体的28d抗折强度为粉煤灰含量为60%的浆体试块的3.17倍。
关键词 :聚乙烯醇纤维，粉煤灰，水泥，力学性能，微观结构
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目前我国城镇化建设较快，房屋拆建所生成的工业废料不断增多，其中粉煤灰含量颇多，因此许多的学者开始使用粉煤灰去替代一部分水泥来降低成本，从而使这些工业废料能更好的得以运用 [
胶凝材料主要包括哈尔滨市小岭水泥厂生产的P·O42.5水泥以及I级粉煤灰。纤维选取的是不同长度的聚乙烯醇纤维(PVA)，纤维参数见表1。水泥的凝结时间等性能测试结果见表2，水泥与粉煤灰的主要化学成分见表3。外加剂使用的是聚羧酸系高性能减水剂，还有实验室自来水。
本试验设置对照组由纯水泥拌制而成，另设两组试验分别用含量为45%和60%的粉煤灰替代水泥，在每组试验中另设五组试验，分别掺入含量为0%，0.5%，1%，1.5%，2%的聚乙烯醇纤维，并且每组试验里面6 mm和12 mm的聚乙烯醇纤维含量均为50%。每组配合比制作成型试件12个，其中6个边长为70.7 mm的立方体，6个40 mm × 40 mm × 160 mm的小梁试件。所有试件在室温下养护24 h后脱模，然后放入水中养护28 d和90 d，再进行强度试验。试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)进行。配合比设计见表4，纤维以及减水剂配合比见表5。
| 纤维长度 | 直径 | 断裂伸长率 | 抗拉强度 | 初始模量 | 密度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 mm 12 mm | 15.09 um 15.09 um | 6.9% 6.9% | >1500 Mpa >1500 Mpa | >35 Gpa >35 Gpa | 1.29 g/cm31.29 g/cm3 |
表1. 聚乙烯醇纤维主要参数
| 检测项目 | 单位 | 检测结果 | 指标要求 | |
|---|---|---|---|---|
| 抗折强度 抗压强度 | 3 d 28 d 3 d 28 d | Mpa Mpa Mpa Mpa min min | 5.2 20.6 26.3 50.6 155 240 | ≥3.5 ≥17.0 ≥6.5 ≥42.5 ≥4 ≤600 |
| 初凝时间 终凝时间 | ||||
| 安定性 | mm | 1.0 | ≤5.0 | |
表2. 水泥性能指标实测数据
| 化学成分(%) | 粉煤灰 | 水泥 |
|---|---|---|
| Al3O2CaO Fe2O3SiO2SO3MgO 其它 | 18.97 3.05 4.39 66.67 0.3 1.24 5.38 | 5.86 59.81 2.85 21.5 2.06 2.23 5.69 |
表3. 水泥及粉煤灰化学组成
| 组别 | 水灰比 | 水泥(g) | 粉煤灰(g) | 水(g) |
|---|---|---|---|---|
| A B C | 0.27 0.27 0.27 | 1000 550 400 | 0 450 600 | 270 270 270 |
表4. 配合比设计
| 组别 | 纤维含量 | 6 mm纤维(g) | 12 mm纤维(g) | 减水剂(g) |
|---|---|---|---|---|
| A0 A1 A2 A3 A4 B0 B1 B2 B3 B4 C0 C1 C2 C3 C4 | 0% 0.5% 1% 1.5% 2% 0% 0.5% 1% 1.5% 2% 0% 0.5% 1% 1.5% 2% | 0 1.5 3.1 4.6 6.2 0 1.7 3.4 5.1 6.8 0 1.8 3.6 5.4 7.2 | 0 1.5 3.1 4.6 6.2 0 1.7 3.4 5.1 6.8 0 1.8 3.6 5.4 7.2 | 1.1 1.15 1.26 1.32 1.39 1.25 1.36 1.42 1.5 1.58 1.29 1.35 1.44 1.51 1.57 |
表5. 纤维以及减水剂配合比
表6为粉煤灰水泥二元胶凝体系28d抗折强度，图1为各组配合比中纤维含量的不同对抗折强度的影响。由表6和图1，抗折强度随着聚乙烯醇纤维含量的增加呈现出增长的状态，除了A3的抗折强度略微降低。图2为PVA纤维含量为0%和2%的抗折强度对比图，在A，B，C三组试验中，抗折强度最高的都出现在聚乙烯醇纤维含量为2%时，其中A4的抗折强度为A0的1.28倍，B4的抗折强度为B0的3.28倍，C4的抗折强度为C0的3.69倍。
综上可得，粉煤灰水泥二元胶凝体系抗折强度受聚乙烯醇纤维的影响比正常水泥砂浆受纤维的影响要显著，并且随着粉煤灰含量的增多，其影响效果越明显。因为聚乙烯醇纤维含量较多时，小梁的抗折强度主要由纤维的性能决定，当出现裂缝时，裂缝周围的PVA纤维分子中有较多的羟基，它与水泥基材料有着较强的化学胶结作用，所以在纤维未达到抗拉极限强度时，它会阻止裂缝的开展与延伸，从而提高试件抗折强度，由此可见，聚乙烯醇纤维对于小梁的抗折强度有明显的提升作用 [
随着粉煤灰替换的比率增大，小梁的抗折强度均有所下降，当聚乙烯醇纤维含量小于1%时，抗折强度大幅度下降，其中A0为C0的2.95倍，A1为C1的1.96倍，A2为C2的1.45倍，但是当聚乙烯醇纤维含量增加到1.5%及以上时，A，B，C，三组的抗折强度都较为接近。再对比粉煤灰含量为45%和粉煤灰含量为60%的两组试验，我们可以发现两组试验的抗折强度区别很小，且C2略高于B2的抗折强度。
由于粉煤灰的微集料效应和火山灰效应，粉煤灰被激发后生成的水化产物可以改善水泥水化产物与骨料之间界面结构，从而提高砂浆强度，并且这种作用对抗折强度的影响要比对抗压强度的影响大，因此抗折强度随粉煤灰含量的增加下降缓慢，甚至还出现了好于基准水泥的情况 [
| 编号 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A B C | 4.22 1.70 1.43 | 0 0 0 | 4.55 2.32 2.32 | 0.5% 0.5% 0.5% | 5.16 3.44 3.55 | 1% 1% 1% | 4.72 4.64 4.10 | 1.5% 1.5% 1.5% | 5.41 5.58 5.26 | 2% 2% 2% |
表6. 粉煤灰水泥二元胶凝体系28d抗折强度
图1. 各组配合比中纤维含量的不同对抗折强度的影响
图2. PVA纤维含量为0%和2%的抗折强度对比
表7为B组和C组粉煤灰水泥二元胶凝体系28d抗压强度，表8为B组和C组粉煤灰水泥二元胶凝体系90d抗压强度。图3为纤维含量的不同对抗压强度的影响，由图3可知，聚乙烯醇纤维的掺入显著增加了胶凝体系试块的28d立方体抗压强度。其中B组28d立方体抗压强度在B3时效果最佳，其28d立方体抗压强度为不掺纤维的对照组强度的1.75倍；C组28d立方体抗压强度随聚乙烯醇纤维含量的增加有一定的提升，其中C3的28d立方体抗压强度为对应的对照组抗压强度的1.13倍。
B组试验中，聚乙烯醇纤维的掺入提高了试块的立方体抗压强度，纤维掺入量为0.5%时，抗压强度增加效果不明显，当纤维含量增加至1%时试块抗压强度有显著提高，但是随着纤维掺量的继续增加，强度不再一直上升，当纤维含量达到2%时，抗压强度略微下降。
图4为C组试块在28d和90d抗压强度的折线图，图5为B组试块在28d和90d抗压强度的折线图。可知在B组和C组的配合比中，粉煤灰水泥二元胶凝体系的立方体抗压强度随着龄期的增加而不断上升，从而得出粉煤灰与水泥的反应在28d龄期时并未结束。因为粉煤灰的外部有一层致密的玻璃质外壳，这便使得粉煤灰参与二次水化反应时间增长，同时水泥熟料的含量的减少又使得试块前期抗压强度有所降低，因此在胶凝体系中掺入粉煤灰能让立方体的抗压强度在28d之后继续上升 [
图6为PVA纤维对28dB组抗折强度与抗压强度的增长幅度影响，可以看出聚乙烯醇纤维含量的增加使抗压强度和抗折强度均不断增大，且PVA纤维对于抗折强度的影响优于对抗压强度的影响。
一般认为，砂浆的抗压强度是集料骨架之间的嵌挤作用以及水泥浆的粘结作用形成的，而抗折强度主要取决于水泥浆与集料界面的粘结强度 [
| 编号 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| B C | 37.0 50.0 | 0 0 | 37.6 51.7 | 0.5% 0.5% | 62.3 56.2 | 1% 1% | 64.8 56.3 | 1.5% 1.5% | 62.4 54.2 | 2% 2% |
表7. 粉煤灰水泥二元胶凝体系28d抗压强度
| 编号 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 | 强度/MPa | 纤维含量 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| B C | 47.7 57.8 | 0 0 | 68.8 56.3 | 0.5% 0.5% | 72.6 60.2 | 1% 1% | 71.4 64.5 | 1.5% 1.5% | 70.3 60.8 | 2% 2% |
表8. 粉煤灰水泥二元胶凝体系90d抗压强度
图3. 纤维含量的不同对抗压强度的影响
图4. C组龄期不同对抗压强度的影响
图5. B组龄期不同对抗压强度的影响
图6. PVA纤维对28dB组抗折强度与抗压强度的增长幅度影响
1) 聚乙烯醇纤维能提高粉煤灰水泥二元胶凝材料的抗折强度，且相对于纯水泥砂浆而言，影响效果更为显著。纤维含量为2%时，从纯水泥到粉煤灰含量为60%的三组试验，其抗折强度增长率依次为28%，228%和268%，粉煤灰含量越多，其增长率越高。这是因为PVA纤维分子含有羟基，它与水泥基材料有着较强的化学胶结作用，能一定程度限制裂缝的开展。
2) 粉煤灰活性较低，外部有致密的玻璃纸外壳，导致其水化反应时间增长，因此粉煤灰水泥二元胶凝材料的抗压强度在28d以后持续上升。其中粉煤灰含量为60%，聚乙烯醇纤维含量为1.5%时，90d的立方体抗压强度为28d的1.15倍。
3) 未掺入聚乙烯醇纤维时，粉煤灰的掺入会使得胶凝体系的抗折强度大幅度降低，其中A0的28d抗折强度为C0的3.17倍，这是因为水泥用量减少，使得生成的Ca(OH)2等物质减少，抗折强度也随之降低。
国家级大学生创新训练计划项目(编号：201910225132)；黑龙江省自然科学基金项目(E2017003)。
吴 昊,李志家,彭伟康,申淼江,汤 川,贾艳敏. 聚乙烯醇纤维对粉煤灰水泥体系的力学性能影响Effect of Polyvinyl Alcohol Fiber on Mechanical Properties of Fly Ash Cement System[J]. 土木工程, 2020, 09(06): 579-586. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.96062