摘 要: 針對(duì)大摻量粉煤灰混凝土存在的早期強(qiáng)度低、抗凍、抗碳化耐久性不足等問(wèn)題, 通過(guò)試驗(yàn)研究, 結(jié)果表明: 大摻量粉煤灰高性能混凝土①宜既摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰又摻引氣型高效減水劑, 混凝土為中等標(biāo)號(hào)時(shí)可選用32. 5 等級(jí)普通硅酸鹽水泥; ② 為確保達(dá)到一定的早期強(qiáng)度和耐久性, 普通硅酸鹽水泥外加粉煤灰不宜大于膠凝材料總量的50%; ③ 含氣量宜為3%～ 5% , 其抗凍標(biāo)號(hào)可達(dá)到D100 以上, 同時(shí)摻入激發(fā)劑、元明粉和生石灰粉后, 強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失有所減小, 可進(jìn)一步改善其抗凍性和耐久性; ④ 可添加1. 0%～ 1. 5%堿性激發(fā)劑元明粉以提高其早期強(qiáng)度和抗碳化性能; ⑤ 若既摻元明粉又摻生石灰粉作堿性激發(fā)劑, 則可彌補(bǔ)元明粉對(duì)后期強(qiáng)度的不利影響, 但生石灰粉的摻量不宜超過(guò)5% , 摻量太大可能會(huì)導(dǎo)致膨脹開(kāi)裂. 以上結(jié)果為大摻量粉煤灰高性能混凝土的設(shè)計(jì)提供了有效途徑.
關(guān)鍵詞: 大摻量粉煤灰混凝土; 強(qiáng)度; 耐久性; 配比設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào): TU 528157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1007- 824X (2007) 01- 0067- 05
大摻量粉煤灰混凝土是一種新材料, 20 世紀(jì)70 年代英國(guó)率先在大壩碾壓混凝土中開(kāi)始應(yīng)用[1] , 隨后逐步使用于各種不同的混凝土結(jié)構(gòu)中[ 2 ]. 從發(fā)展來(lái)看, 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, 根據(jù)可持續(xù)發(fā)展觀點(diǎn), 需要發(fā)展高耐久性的綠色混凝土來(lái)提高建筑物的耐久性, 從而延長(zhǎng)建筑物的使用壽命[ 3 ]. 大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽腐蝕、抗堿骨料反應(yīng)等耐久性指標(biāo)均優(yōu)于普通混凝土, 由于水泥用量的大幅度減少, 故能顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)自身的溫升和降溫速度, 有利于混凝土結(jié)構(gòu)的防裂. 在建筑、道路、水利等領(lǐng)域, 建筑物結(jié)構(gòu)和構(gòu)件大多采用C30～ C40 中等強(qiáng)度混凝土. 近年來(lái), 我國(guó)已逐步將大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)用在這些領(lǐng)域, 取得了良好的效益. [ 425 ] 20 多年來(lái)的研究和實(shí)踐解決了很多技術(shù)上的難題, 但還有些問(wèn)題需要進(jìn)一步探討和試驗(yàn), 如早期強(qiáng)度低、抗凍性差、抗碳化能力弱等, 這些問(wèn)題將直接影響到建筑物的耐久性和使用年限. 鑒于此, 筆者在本文中著重就中等強(qiáng)度的高性能混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 除非特別說(shuō)明, 本試驗(yàn)中混凝土的材料配比均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示.
1 大摻量粉煤灰高性能混凝土的配比設(shè)計(jì)
大摻量粉煤灰混凝土目前尚無(wú)統(tǒng)一定義, 配比設(shè)計(jì)也無(wú)技術(shù)規(guī)范可循. DUN STAN 等[ 6 ]認(rèn)為應(yīng)將大摻量粉煤灰混凝土中粉煤灰作為一個(gè)獨(dú)立組分進(jìn)行配比設(shè)計(jì). 大摻量粉煤灰混凝土在材料組成上與普通混凝土有很大的差異, 性能上有其獨(dú)特的規(guī)律, 只有遵循它的規(guī)律才能得出較為合理的混凝土配比設(shè)計(jì).
大摻量粉煤灰混凝土中粉煤灰的合理?yè)搅颗c粉煤灰品質(zhì)、水泥品種標(biāo)號(hào)、混凝土的強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)、水膠比等均有一定的內(nèi)在關(guān)系, 特別是水膠比對(duì)強(qiáng)度和耐久性的影響較普通混凝土更為敏感. 江蘇省水利科學(xué)研究所的研究資料[ 7 ] 表明: 摻35% 原狀灰的粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度、抗凍、抗碳化耐久性均有大幅度的降低, 其中3 d 和7 d 的抗壓強(qiáng)度降幅分別達(dá)41% 和50% , 自然碳化5 a 的碳化深度增幅達(dá)219% , 凍融循環(huán)50 次(慢凍法) 后抗壓強(qiáng)度損失值達(dá)35% , 摻入引氣劑后抗凍性能提高, 強(qiáng)度損失值僅為9166%. 為此, 筆者在進(jìn)行大摻量粉煤灰高性能混凝土配比設(shè)計(jì)時(shí), 針對(duì)上述存在問(wèn)題, 以早期強(qiáng)度較高、抗凍性能較好的雙摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰和小水膠比的引氣型高效減水劑、大摻量粉煤灰混凝土為基本條件, 再試用單摻激發(fā)劑元明粉和雙摻激發(fā)劑元明粉、生石灰粉等措施進(jìn)一步提高混凝土的早期強(qiáng)度和抗凍性, 同時(shí)還要較好地改善混凝土的抗碳化性能. 在采取上述技術(shù)措施的同時(shí), 提出了大摻量粉煤灰混凝土高性能化的各項(xiàng)控制指標(biāo).
1) 粉煤灰和減水劑的品質(zhì)與摻量. É 級(jí)粉煤灰需水質(zhì)量比小于105% , 燒失量小于8% , 摻量40%～ 60% , 引氣型高效減水劑減水率大于20% , 摻量1% 左右.
2) 混凝土配比主要參數(shù). 水膠比約013, 含氣量3%～ 5% , 坍落度150～ 200 mm.
3) 混凝土抗壓強(qiáng)度控制值(下限). 28 d 強(qiáng)度大于30M Pa, 3 d 強(qiáng)度大于28 d 強(qiáng)度的35% , 7 d 強(qiáng)度大于28 d 強(qiáng)度的55%.
4) 混凝土抗凍耐久性控制值(下限). 抗凍標(biāo)號(hào)大于D100 (按GBJ 82- 85 慢凍法進(jìn)行).
5) 混凝土抗碳化耐久性控制值(下限). 28 d 碳化深度小于20 mm (按GBJ 82—85 碳化試驗(yàn)進(jìn)行,該法28 d 碳化深度值約相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)自然碳化50 a 的數(shù)值).
2 試驗(yàn)方法及材料
2. 1 試驗(yàn)方法
混凝土配合比試驗(yàn)參照J(rèn)GJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》; 粉煤灰性能試驗(yàn)按照GB1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進(jìn)行; 外加劑性能試驗(yàn)按照GB8076—1997《混凝土外加劑》進(jìn)行; 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按照GBöT 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 82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行; 生石灰粉性能試驗(yàn)按照J(rèn)CöT 480—92《建筑生石灰粉》進(jìn)行; 混凝土pH 值按文獻(xiàn)[8 ]進(jìn)行試驗(yàn).
2. 2 試驗(yàn)材料
1) 水泥: 揚(yáng)州旺龍水泥廠旺龍牌PO 3215 級(jí)普通硅酸鹽水泥, 其中已內(nèi)摻粉煤灰13% , 表觀密度Q= 3110 g·cm - 3, R3 d= 1516M Pa, R28 d= 3613M Pa.
2) 砂: 河砂, 表觀密度Q= 2163 g·cm - 3, 細(xì)度模數(shù)2156, 級(jí)配符合Ê 級(jí)要求.
3) 石子: 碎石, 表觀密度Q= 2180 g·cm - 3, 級(jí)配16～ 3115 單粒級(jí).
4) 粉煤灰: 鎮(zhèn)江諫壁發(fā)電廠風(fēng)選É 級(jí)粉煤灰, 細(xì)度01045 mm (篩余量319% ) , 需水質(zhì)量比86% ,表觀密度Q= 2112 g·cm - 3.
5) 生石灰粉: 宜興建材化工廠生產(chǎn), 優(yōu)等品, 表觀密度Q= 2170 g·cm - 3, w (CaO + M gO ) ≮85%.
6) 元明粉: 工業(yè)級(jí), 市售.
7) 外加劑: 揚(yáng)州永固研究所研制的CT 1081, CT 1082 引氣型高效復(fù)合減水劑, 減水率大于22%.
3 試驗(yàn)方案
3. 1 不同粉煤灰摻量的引氣型大摻量粉煤灰混凝土的力學(xué)性能和抗凍、抗碳化性能
以不摻粉煤灰、單摻引氣型高效復(fù)合減水劑的混凝土為基準(zhǔn)組, 以摻入40% , 50% , 60%粉煤灰和CT 1081 引氣型高效減水劑的混凝土為對(duì)比組. 另以60% 粉煤灰摻入CT 1082 引氣型高效減水劑來(lái)提高含氣量. 在混凝土拌和物工作性符合要求的基礎(chǔ)上, 制作標(biāo)準(zhǔn)試件, 成型并養(yǎng)護(hù), 分別測(cè)定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗壓強(qiáng)度, 并進(jìn)行抗凍、抗碳化、含氣量試驗(yàn).
3. 2 重點(diǎn)探索提高大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度、抗凍性、抗堿性和抗碳化性能的途徑
以摻60% 粉煤灰的混凝土為基準(zhǔn)組, 分別摻入110% , 115% , 210% 元明粉為對(duì)比組; 另外以摻有1%元明粉和60% 粉煤灰的混凝土為基準(zhǔn)組, 分別摻入5% , 10% , 15%生石灰粉為對(duì)比組, 測(cè)定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗壓強(qiáng)度, 并進(jìn)行抗凍、抗碳化、含氣量和pH 值試驗(yàn).
4 試驗(yàn)結(jié)果與分析
4．1 混凝土拌和物的性能
由混凝土水膠比和坍落度的數(shù)據(jù)得出, 40%～ 60% 粉煤灰混凝土的水膠比為0129～ 0131, 坍落度為155～ 200 mm , 達(dá)到了大摻量粉煤灰高性能混凝土大摻量、小水膠比、大流動(dòng)性的設(shè)計(jì)要求. 由于風(fēng)選優(yōu)質(zhì)粉煤灰細(xì)度小、活性大, 其顆粒中含有大量的玻璃微珠, 它的形態(tài)效應(yīng)和引氣型高效減水劑減水效應(yīng)、微氣泡效應(yīng)相互疊加, 大大降低了混凝土的需水量, 從而使大摻量粉煤灰混凝土在小水膠比的情況下仍然能獲得大流動(dòng)性. 另外, 優(yōu)質(zhì)粉煤灰的玻璃珠顆粒和引氣劑所產(chǎn)生的微氣泡在拌和物中起到了滾珠軸承式的潤(rùn)滑作用, 也極大地提高了混凝土的拌和性和施工工作性.
4．2 混凝土的力學(xué)性能
由表1 可以看出, 大摻量粉煤灰混凝土早期3 d 的抗壓強(qiáng)度比未摻粉煤灰的混凝土要低, 但隨著粉煤灰活性效應(yīng)的逐步發(fā)揮, 7 d 的強(qiáng)度有所提高, 其中40% 粉煤灰混凝土超過(guò)了基準(zhǔn)組; 28 d 時(shí), 活性效應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮, 含粉煤灰的各組混凝土抗壓強(qiáng)度均超過(guò)大摻量粉煤灰高性能混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)30M Pa; 180 d 時(shí), 由于粉煤灰的活性效應(yīng)與微集料填充效應(yīng)得到了較充分的發(fā)揮, 故除60% 粉煤灰的一組外, 其余均超過(guò)了基準(zhǔn)組的強(qiáng)度, 并達(dá)到基準(zhǔn)組的111～ 11．4 倍.摻入1%～ 2% 元明粉后, 可以提高摻灰混凝土早期強(qiáng)度, 當(dāng)摻量超過(guò)1% 時(shí), 180 d 的強(qiáng)度絕對(duì)值有降低的趨勢(shì).
摻入10%～ 15% 生石灰粉后, 各齡期強(qiáng)度均有明顯降低, 超過(guò)15% 摻量時(shí)會(huì)有明顯開(kāi)裂現(xiàn)象, 這是因生石灰粉引起混凝土過(guò)度膨脹所致. 而生石灰粉摻量5% 時(shí), 3 d 的強(qiáng)度雖有降低, 但7 d 時(shí)強(qiáng)度開(kāi)始增長(zhǎng), 28 d 和180 d 時(shí)強(qiáng)度明顯提高, 提高幅度達(dá)1．08～ 1．24 倍, 可以彌補(bǔ)單摻元明粉時(shí)強(qiáng)度絕對(duì)值有所降低的不足.
表1 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
3 除編號(hào)為5, 6 的混凝土摻入CT1082 引氣型高效減水劑外, 其余均摻入CT1081 引氣型高效減水劑本試驗(yàn)摻60% 粉煤灰的抗壓強(qiáng)度相對(duì)值變化為: 含氣量為3% 時(shí), 其早期強(qiáng)度相對(duì)值超過(guò)了大摻量高性能混凝土設(shè)計(jì)控制值的35% 和55%; 含氣量為4% 時(shí), 3 d 的強(qiáng)度相對(duì)值為29% , 較低于設(shè)計(jì)值; 當(dāng)粉煤灰混凝土中摻入元明粉或元明粉與生石灰粉雙摻時(shí), 3 d, 7 d 的早期強(qiáng)度相對(duì)值均超過(guò)了設(shè)計(jì)值,符合理論分析結(jié)果.
4．3 混凝土抗凍耐久性
按慢凍試驗(yàn)法, 混凝土的抗凍標(biāo)號(hào)以抗壓強(qiáng)度損失不大于25%、質(zhì)量損失不大于5% 來(lái)判斷.凍融循環(huán)100 次后, 試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示. 由圖1可以看出, 除60% 粉煤灰的混凝土強(qiáng)度損失2518% 接近于大摻量高性能混凝土抗凍標(biāo)號(hào)D100 的設(shè)計(jì)值外, 其余各組混凝土的抗凍標(biāo)號(hào)均大于D100 的設(shè)計(jì)要求. 這主要?dú)w功于引氣型混凝土產(chǎn)生了互不連通的許多微孔, 隔斷了混凝土的毛細(xì)孔, 從而降低了混凝土受凍時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力. 60%粉煤灰的混凝土若提高其含氣量(用CT 1082 引氣型高效減水劑) , 則由于混凝土孔結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善, 亦可提高混凝土的抗凍標(biāo)號(hào), 使混凝土抗凍標(biāo)號(hào)超過(guò)D100 的設(shè)計(jì)值
4．4 混凝土的抗碳化耐久性
碳化深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2. 未摻粉煤灰的混凝土pH 值最大達(dá)12．47, 碳化深度最小, 抗碳化性能最好. w = 40%～ 50% 粉煤灰的混凝土, 其平均碳化值未超過(guò)20 mm , 達(dá)到了大摻量粉煤灰高性能混凝土的設(shè)計(jì)要求. 當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60% 時(shí),混凝土堿度喪失較大, 碳化深度急劇增大至50 mm 以上, 提高混凝土含氣量后碳化深度減小到40．8 mm ,這是由于含氣量增大使混凝土孔結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改善所致, 但與設(shè)計(jì)要求相比相差甚遠(yuǎn).60%粉煤灰的混凝土摻入1% 元明粉后, 由于堿度的增大, 碳化深度明顯減小至15．7 mm. 既摻元明粉又摻生石灰粉后, pH 值增大至12．44, 這已與未摻粉煤灰混凝土的pH 值接近, 故混凝土碳化深度進(jìn)一步減小至12．8 mm. 當(dāng)摻有激發(fā)劑、元明粉與石灰粉的粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60% 時(shí), 混凝土碳化深度有了較大的改善, 達(dá)到了大摻量粉煤灰高性能混凝土的設(shè)計(jì)要求.
5 結(jié)論
1) 大摻量粉煤灰高性能混凝土宜既摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰又加引氣型高效減水劑, 混凝土為中等標(biāo)號(hào)時(shí)可選用32．5 等級(jí)普通硅酸鹽水泥.
2) 為確保大摻量粉煤灰混凝土達(dá)到一定的早期強(qiáng)度和耐久性, 普通硅酸鹽水泥外加粉煤灰不宜大于膠凝材料總量的50% (本試驗(yàn)3215 等級(jí)普通硅酸鹽水泥中已內(nèi)摻13% 粉煤灰).
3) 大摻量粉煤灰高性能混凝土的含氣量宜為3%～ 5% , 其抗凍標(biāo)號(hào)可達(dá)到D100 以上. 同時(shí)摻入激發(fā)劑、元明粉和生石灰粉后, 強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失有所減小, 可進(jìn)一步改善其抗凍性和耐久性.
4) 大摻量粉煤灰混凝土可添加110%～ 115% 堿性激發(fā)劑元明粉, 以提高其早期強(qiáng)度和抗碳化性能. 元明粉摻量過(guò)大, 早期強(qiáng)度增加不多, 對(duì)后期強(qiáng)度發(fā)展有不利影響.
5) 大摻量粉煤灰混凝土若同時(shí)摻元明粉和生石灰粉作堿性激發(fā)劑, 則可彌補(bǔ)元明粉對(duì)后期強(qiáng)度的不利影響, 但生石灰粉的摻量不宜超過(guò)5% , 摻量太大可能會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂.
本文僅對(duì)中等強(qiáng)度的大摻量粉煤灰混凝土的高性能化途徑作了初步探討, 如何提高混凝土早期強(qiáng)度和抗凍、抗碳化等性能還有待進(jìn)一步探索.
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