粉煤灰對混凝土性能影響試驗(yàn)研究

1、粉煤灰對混凝土性能影響試驗(yàn)研究中國長城鋁業(yè)建設(shè)公司 王麗琦摘要 本文通過對摻加不同品質(zhì)、不同含量粉煤灰的混凝土進(jìn)行一系列性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻加高品質(zhì)粉煤灰的混凝土比空白混凝土性能更好。粉煤灰用作混凝土的攙合料不僅可以節(jié)約水泥，更重要的是改善混凝土的施工性能。概括地講，粉煤灰在混凝土中有三種效應(yīng)，從而產(chǎn)生三種勢能，可從六個(gè)方面改善混凝土的性能。關(guān)鍵詞： 粉煤灰,混凝土,抗?jié)B透性,抗凍性,抗碳化性能粉煤灰混凝土是一種新材料,它在現(xiàn)代化建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景: 一是生存環(huán)境的需要, 粉煤灰是一種工業(yè)廢渣, 充分利用粉煤灰可節(jié)約資源, 改善環(huán)境, 減少二次污染; 二是發(fā)展高性能混凝土的需要, 粉煤灰作為

2、水泥混凝土摻和料與水泥水化中析出的游離氧化鈣化合成硅酸鈣和鋁酸鈣，提高混凝土的密實(shí)性，從而達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度的目的。因此，將粉煤灰摻入混凝土中不僅可以節(jié)約水泥用量，更重要的是可以改善混凝土的性能。 1. 試驗(yàn)1.1. 原材料粉煤灰：沒有經(jīng)過處理的原狀灰；經(jīng)過特殊磨細(xì)處理后的一級粉煤灰，其品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到GB規(guī)定的一級灰：細(xì)度12.0，需水比95，燒失量5.0，含水量1.0，SO33.0的品質(zhì)要求；水泥：長鋁水泥廠黃河牌42.5R普通硅酸鹽水泥，R28=48.3Mpa。砂：河沙，表觀密度Q= 2.163 g·m - 3, 細(xì)度模數(shù)2.156；石子：碎石表觀密度Q= 2.18 g·

3、m - 3, 級配16 31 單粒級；外加劑：高效減水劑。通過對粉煤灰的微觀結(jié)構(gòu)和表面特征的研究證實(shí)，粉煤灰磨細(xì)后明顯改變了其微觀結(jié)構(gòu)，磨細(xì)粉煤灰和原狀粉煤灰相比：顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)、級配、表面都起了很大的變化，玻璃球顯著減小，表面反映活化點(diǎn)增多且富于活性，在顆粒表面上硅、鋁、鈣分布均勻，可溶性氧化鈣增多，粉煤灰活性增大，從而達(dá)到提高粉煤灰混凝土強(qiáng)度的目的。1.2. 試驗(yàn)方法試驗(yàn)參照J(rèn)GJ552000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程; 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按照GB/T 50081- 2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行; 混凝土抗凍、抗碳化試驗(yàn)按照GBJ 8285普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法

4、進(jìn)行。根據(jù)GBJ146-90粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，在混凝土中采用超量取代法摻加粉煤灰替代水泥，超量系數(shù)取1.3；同時(shí)考慮由于粉煤灰的摻入，對混凝土塌落度的影響，試驗(yàn)中采取固定塌落度的方法，觀察不同粉煤灰和水灰比對混凝土強(qiáng)度和其他性能的影響。2. 試驗(yàn)結(jié)果及對比2.1 粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響試驗(yàn)采用C15、C20、C25混凝土配合比，原狀灰與一級磨細(xì)灰在相同的摻量及摻加減水劑的情況下，粉煤灰對混凝土強(qiáng)度影響變化的試驗(yàn)結(jié)果見表1 ： 試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）粉煤灰的品質(zhì)不同，28天抗壓強(qiáng)度相差較大；（2）粉煤灰混凝土的抗拉強(qiáng)度一般比空白混凝土高，空白混凝土的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/10，

5、且粉煤灰品質(zhì)高，摻加粉煤灰的混凝土抗拉強(qiáng)度也高。這主要是由于表1粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響序號混凝土標(biāo)號水泥用量kg/m3粉煤灰摻量%28d抗壓強(qiáng)度Mpa28d抗拉強(qiáng)度Mpa28d抗折強(qiáng)度Mpa28d粘結(jié)強(qiáng)度Mpa1C15260020.91.922.463.23C1522552（原灰）18.82.062.302.69C1522552（一級灰）21.32.562.603.512C20313023.11.893.004.08C2027162（原灰）21.82.402.562.69C2027162（一級灰）24.33.033.123.733C25365036.32.973.523.48C2531673

6、（原灰）27.02.963.703.21C2531673（一級灰）37.24.643.753.40粉煤灰中玻璃體形成水化硅酸鈣與水泥界面粘結(jié)力增強(qiáng)的緣故；（3）粉煤灰的摻入對混凝土的抗折強(qiáng)度影響不大，優(yōu)質(zhì)粉煤灰混凝土的抗折強(qiáng)度比空白混凝土略高；（4）摻粉煤灰的混凝土與鋼筋的粘結(jié)力略低于空白混凝土。粉煤灰的品質(zhì)越高，降低的幅度越小。 一般而言，混凝土中摻粉煤灰后，其早期強(qiáng)度一般會(huì)隨摻量的增加而降低。2.2 粉煤灰對鋼筋銹蝕的影響在海水工程及其他含氯離子的環(huán)境中，由于氯離子破壞鈍化膜，使鋼筋銹蝕，混凝土發(fā)生破壞。據(jù)資料記載，摻30%粉煤灰的粉煤灰水泥，在常溫及早期，它的氯離子擴(kuò)散速度高于波特蘭水泥

7、，隨著溫度的升高與齡期的延長，粉煤灰水泥抑制氯離子的擴(kuò)散作用越來越明顯，如表2不同摻量粉煤灰混凝土對鋼筋銹蝕的影響。表2 不同摻量粉煤灰混凝土對鋼筋銹蝕的影響序號混凝土標(biāo)號粉煤灰摻量%粉煤灰代替水泥%鋼筋失重率%1C30002.4042C20003.5513C3036200.83474C2045180.2567由上表可看出：粉煤灰抑制氯離子擴(kuò)散，與混凝土材料的孔隙率、孔分布、孔的連通性有密切的關(guān)系，粉煤灰水泥的孔容積小于普通水泥。粉煤灰水泥隨溫度提高和齡期的增長，粉煤灰反應(yīng)不斷進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物在毛細(xì)孔中形成，堵塞了孔道，使孔結(jié)構(gòu)細(xì)化，孔的連通性下降或曲折程度增加，反應(yīng)中消耗了Ca(OH)2,使原

8、來在Ca(OH)2與C-S-H凝膠界面形成有缺隙，相互連同的孔道減少。這可能使粉煤灰水泥漿體具有比普通水泥高得多的抗氯離子浸蝕能力的主要原因。2.3 粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，粉煤灰對混凝土抗凍融性能的影響有以下3個(gè)方面，1）活性效應(yīng)固定了氫氧化鈣，使之不致于因浸析而擴(kuò)大冰凍劣化所產(chǎn)生的孔隙；2）形態(tài)效應(yīng)能使混凝土用水量減少，明顯有利于減少孔隙和毛細(xì)孔。3）填充效應(yīng)可使截留空氣量和泌水量減少，并使孔隙細(xì)化，有助于使引氣劑產(chǎn)生的微細(xì)氣孔分布均勻，從而大大改善了混凝土的抗凍性能。有試驗(yàn)表明，采用I級粉煤灰和低引氣型高效減水劑雙摻技術(shù)，所制備的C50粉煤灰混凝土具有良好的抗凍性，能

9、經(jīng)受300次（慢凍法）凍融循環(huán)。加拿大的Malh otra V.M. etal 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50次凍融循環(huán)后，摻大量粉煤灰混凝土有輕微的表面剝落，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，其出現(xiàn)的膨脹不會(huì)對混凝土造成危害，經(jīng)1000 次凍融循環(huán)后，試件內(nèi)芯仍處于完好狀態(tài)，見表3混凝土抗凍性能對比試驗(yàn)。如果在粉煤灰混凝土中加入引氣劑，其抗凍性會(huì)大幅提高。表3 混凝土抗凍性能對比試驗(yàn)序號設(shè)計(jì)標(biāo)號水泥用量Kg/m3粉煤灰摻量%抗壓強(qiáng)度（Mpa）強(qiáng)度損失%28天凍融前凍融后1C1522552（原灰）20.120.816.623.1C15260022.323.218.520.0C1522552（一級灰）22.622.51

10、9.819.02C2027162（原灰）23.724.119.420.8C20313025.125.622.016.0C2027162（一級灰）27.026.824.915.83C2531673（原灰）24.926.121.820.4C25365031.432.427.216.4C2531673（一級灰）31.732.027.616.0由表三可知：試樣的強(qiáng)度損失不超過25%，滿足規(guī)定要求，摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度損失高于空白混凝土，摻品質(zhì)高的粉煤灰混凝土強(qiáng)度損失低于摻品質(zhì)低的粉煤灰混凝土，混凝土的抗凍性隨粉煤灰摻量的增加而提高。2.4 粉煤灰對混凝土抗?jié)B能力的影響混凝土中摻入粉煤灰，能夠改善水泥石

11、的界面結(jié)構(gòu)，粉煤灰中活性成分火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣C-S-H 凝膠，填塞了水泥石中毛細(xì)孔隙，堵塞滲透通道，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度，且C-S-H 凝膠會(huì)吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。大連理工大學(xué)通過摻有礦物摻和料的混凝土擴(kuò)散性能試驗(yàn)71 發(fā)現(xiàn)，在相同水膠比條件下，添加30%-45% 的粉煤灰后，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯低于基準(zhǔn)混凝土，說明摻粉煤灰可以明顯的提高混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)摻粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯離子滲透能力優(yōu)于單摻粉煤灰混凝土，在硅灰摻量為3% 的情況下，雙摻粉煤灰和硅灰比單摻硅灰時(shí)的混凝土抗氯離子滲透能力更強(qiáng)，而硅灰摻量在4%

12、和5% 時(shí)，單摻硅灰比雙摻時(shí)好。2.5 粉煤灰對混凝土的抗碳化作用的影響粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氫氧化鈣數(shù)量必然減少，同時(shí)粉煤灰二次水化反應(yīng)主要吸收Ca(OH)2生成水化硅酸鈣，均導(dǎo)致混凝土堿度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，這是不利的一方面。粉煤灰的微集料填充效應(yīng)，能使混凝土孔隙細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，在一定程度上能延緩碳化的程度，但是對防碳化擴(kuò)散來說，是達(dá)不到鋼筋混凝土的要求的。對于粉煤灰的不利影響，現(xiàn)在已有相應(yīng)的措施加以改善。有關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)粉煤灰摻量等于或小于40% 、復(fù)摻礦渣粉至總量為60%，70% 和80% 時(shí)，混凝土碳化深度均比單摻60% 粉煤灰混凝土的

13、要低；粉煤灰摻量為50% 、礦渣粉摻量為10% 時(shí)，混凝土的碳化深度也比單摻60% 粉煤灰的要低得多。即使用粉煤灰與礦渣粉的復(fù)摻技術(shù)可顯著緩和單摻粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情況下，可提高混凝土中摻合料的總量，降低水泥用量。2.6 粉煤灰對混凝土其它性能的影響在混凝土中摻加粉煤灰后，水泥漿體的體積有所增加，同時(shí)，因粉煤灰50%是球形玻璃體組成，在混凝土拌和中起潤滑作用，因而提高了混凝土的流動(dòng)性，使混凝土的和易性得到改善，易于振搗密實(shí)。試體脫模后，表面光潔度提高。在保持塌落度不變的情況下，減少水泥用量。因此提高混凝土的強(qiáng)度，增強(qiáng)抗?jié)B能力，試驗(yàn)表明，在摻20%一級粉煤灰

14、的C20混凝土中，抗?jié)B性能明顯提高，平均水壓提高30%后，滲透深度仍比空白混凝土小。由于粉煤灰內(nèi)比表面積小，吸附水的能力也小，所以混凝土的收縮也減小，摻20%一級粉煤灰的C20混凝土收縮值為50×10-5，而空白混凝土收縮值為52×10-5。3. 結(jié)論通過以上試驗(yàn)分析，粉煤灰在混凝土中有三種效應(yīng)，從而產(chǎn)生三種勢能：1）顆粒形態(tài)產(chǎn)生的減水勢能。粉煤灰多呈球形，粒徑很小，表面光滑，這種小顆粒統(tǒng)稱“微珠”，摻入混凝土中，猶如滾珠，可提高混凝土的和易性，減小用水量。2）火山灰活性效應(yīng)產(chǎn)生活化勢能。粉煤灰的主要化學(xué)成分是二氧化硅和三氧化二鋁，在水泥的堿性激發(fā)下，產(chǎn)生水化作用，和水泥一起成為膠凝材料，產(chǎn)生強(qiáng)度。3）微集料效應(yīng)造成致密勢能。粉煤灰的顆粒一般比較小，在混凝土中可起到微集料作用，充填到微小的孔隙中，同時(shí)還可受激發(fā)而在表面生成膠凝物質(zhì)填充和水化反應(yīng)產(chǎn)物充填共存，比惰性微集料單純的機(jī)械充填效果更好，可使混凝土更加致密。粉煤灰的上述三大勢能，可以從以下幾個(gè)方面改善混凝土的性能：1）減少混凝土的需水量，提高和易性。2）提高混凝土的耐久性。摻粉煤灰的混凝土，密實(shí)性得以提高，從而提高了抵御自然環(huán)境影響的能力。3）提高抗?jié)B能力。粉煤