摘要：在高摻量粉煤灰混凝土中摻加化學(xué)激發(fā)劑來提高粉煤灰的早期活性，與普通混凝土對比試驗(yàn)，得出了高摻量粉煤灰混凝土（粉煤灰摻量25%~35%）在拉、壓物理力學(xué)性能、抗凍性能及抗沖磨性能等方面的技術(shù)指標(biāo)均有提高，為今后大規(guī)模使用高摻量粉煤灰混凝土開辟了新的技術(shù)途徑。
關(guān)鍵詞：粉煤灰 化學(xué)激發(fā) 防滲性能 抗凍性能
1 引 言
混凝土是建筑工程中用量最大的建筑材料，而水泥作為混凝土的重要組成部分，在生產(chǎn)過程中會向大氣中排放大量的CO2，造成環(huán)境污染、溫室效應(yīng)和全球變暖等不利影響。考慮到全球的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要在混凝土工業(yè)中以輔助膠凝材料大比例替代水泥，強(qiáng)調(diào)建筑材料本身的生態(tài)化，高摻量粉煤灰混凝土成為很有潛力的一個開發(fā)研究方向。
目前，我國《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL/T5055-1996）中規(guī)定的粉煤灰取代水泥的最大限量抗凍融混凝土為25%，抗沖耐磨混凝土為10%。本文針對粉煤灰摻量為25%~35%的混凝土拉、壓物理力學(xué)性能、抗凍性能及抗沖磨性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在高摻量粉煤灰混凝土中添加高效引氣減水劑和粉煤灰活性激發(fā)劑的方法能夠改善其各項(xiàng)性能指標(biāo)，研制出的高摻量粉煤灰混凝土各項(xiàng)性能均滿足一般水工混凝土的要求。
2 試驗(yàn)用原材料及配合比
2.1原材料
試驗(yàn)用水泥為山水集團(tuán)產(chǎn)P•O32.5級水泥；粉煤灰為鄒縣電廠Ⅰ級粉煤灰；細(xì)骨料為泰安中粗砂，細(xì)度模數(shù)3.10（中粗砂）；粗骨料為濟(jì)南南部山區(qū)仲宮碎石，粒徑5～20mm；高效引氣減水劑采用山東省水利科學(xué)研究院技術(shù)開發(fā)部產(chǎn)SKY-1型外加劑，粉煤灰活性激發(fā)劑采用自制SKY-Z型。
2.2混凝土配合比
試驗(yàn)用混凝土配合比見表1。
表1試驗(yàn)配合比單方材料用量表（單位：kg/m3）
注：配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C25，混凝土拌合物坍落度為0.5cm。
3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1高摻量粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度
根據(jù)混凝土配合比制作尺寸100mm×100mm×100mm混凝土抗壓強(qiáng)度試件，測試其抗壓強(qiáng)度如表2。
（1）粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高
由表2可見粉煤灰混凝土的28天強(qiáng)度并非為最大值，在28天齡期以后，強(qiáng)度有顯著增長。而普通混凝土28天強(qiáng)度基本可以達(dá)到其最大強(qiáng)度值，后期強(qiáng)度增長較緩慢。
?。?）加入活性激發(fā)劑提高粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度
由表2可見在粉煤灰摻量為35％的情況下，摻加自制SKY-Z型激發(fā)劑的混凝土1d、3d、7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度分別為未摻加激發(fā)劑混凝土抗壓強(qiáng)度的193%、170%、110%、109%、103%，大大提高了混凝土的早期強(qiáng)度，且不影響混凝土后期強(qiáng)度的增長。
表2 混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果
?。?）不同粉煤灰摻量下SKY-Z型激發(fā)劑早強(qiáng)效果均較好
由表2可見在膠凝材料總量不變的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度會呈下降趨勢，但相同摻量粉煤灰的混凝土再摻加活性激發(fā)劑后抗壓強(qiáng)度均有提高。
3.2高摻量粉煤灰混凝土的劈拉、抗折強(qiáng)度
根據(jù)混凝土配合比制作試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，分別測其軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉和抗折強(qiáng)度測試結(jié)果
高摻量粉煤灰混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但劈裂抗拉強(qiáng)度與扛折強(qiáng)度較普通混凝土有所提高，混凝土拉壓比、折壓比的提高說明混凝土在粉煤灰摻量為25%~35%范圍內(nèi)較普通混凝土有害孔有所減少，密實(shí)性提高。
從試驗(yàn)結(jié)果分析理論成因，混凝土中漿體與骨料間界面是最薄弱的環(huán)節(jié)，粉煤灰摻入混凝土后，粉煤灰與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)形成C5S6H5，一方面促進(jìn)界面附近水泥的水化過程，同時粉煤灰中玻璃體水化后形成水化硅酸鈣與水泥石界面粘結(jié)力增強(qiáng)，提高了混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度。
4 耐久性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
4.1高摻量粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能
根據(jù)混凝土配合比制作抗?jié)B試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，測試各組混凝土在1.2MPa水壓力下恒定24h后的滲水高度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。
由表4可以看出，摻入粉煤灰、高效引氣減水劑能夠顯著提高混凝土的抗?jié)B性能。摻加活性激發(fā)劑的高摻量粉煤灰混凝土表現(xiàn)出更好的28天抗?jié)B性能，這是因?yàn)榉勖夯覔饺牖炷梁蠡瘜W(xué)性能穩(wěn)定的莫來石和石英主要起到微集料作用，改善硬化混凝土均勻性，充填、細(xì)化混凝土中的孔隙和毛細(xì)孔，增強(qiáng)硬化漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗?jié)B透能力；而具有潛在化學(xué)活性的鋁硅玻璃體在激發(fā)劑的作用下充分反應(yīng)，優(yōu)化了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，提高了混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而提高混凝土的抗?jié)B性能。
表4 混凝土相對抗?jié)B性試驗(yàn)測試結(jié)果
4.2高摻量粉煤灰混凝土的抗凍融性能
根據(jù)混凝土配合比制作抗凍試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，做混凝土快速凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 快凍法試驗(yàn)測試結(jié)果
由表5可以看出混凝土的抗凍性能與是否摻加引氣減水劑有關(guān)。編號為1的普通混凝土在100次凍融循環(huán)后相對動彈模數(shù)下降至23.0%，抗凍性能較差。這是由于摻用引氣減水劑后，混凝土用水量減少，同時大量微小的氣泡占據(jù)著混凝土的自由空間，切斷了毛細(xì)管的通道，增加了混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性，從而提高混凝土的抗凍性能。
由表5可以看出，粉煤灰摻量由25%增加至35%，混凝土抗凍等級呈下降趨勢，這是由于：隨著粉煤灰摻量的增加，在相同水膠比下，水泥漿體體積增大，降低了單位體積內(nèi)的含氣量，影響了混凝土的抗凍融性能；另外，隨粉煤灰摻量的增加，水泥用量相對減少，而各組試件是在28d齡期時開始進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)的，此時粉煤灰對混凝土的活性效應(yīng)尚未充分發(fā)揮，因此，粉煤灰摻量大的試件強(qiáng)度較低，抗凍性較差。
摻加SKY-Z型活性激發(fā)劑后，相同配合比的高摻量粉煤灰混凝土抗凍性能有了大幅提高，均能達(dá)到F200抗凍等級。粉煤灰活性激發(fā)劑的摻加能夠改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，增加混凝土的密實(shí)度，顯著提高了粉煤灰混凝土的抗凍性能。
5 抗沖磨性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)混凝土配合比制作規(guī)格直徑為300mm，高為100mm的混凝土抗沖磨試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d和90d，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2001水下鋼球法進(jìn)行混凝土抗沖磨試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。
一般來說，混凝土的耐磨蝕性能與混凝土抗壓強(qiáng)度有很大關(guān)系，采用比較硬的集料和比較低的水膠比可以提高混凝土的耐磨蝕性能。粉煤灰顆粒較細(xì)，人們通常認(rèn)為將其加入混凝土?xí)档突炷恋哪湍ノg性能。
?。?）粉煤灰摻量增加，混凝土抗沖磨性能下降
由表6可以看出，與普通混凝土相比，摻加粉煤灰后混凝土的抗沖磨性能有所下降。隨著粉煤灰摻量的增加，表現(xiàn)為混凝土抗沖磨強(qiáng)度降低，磨損率變高，混凝土抗沖磨性能下降。這是由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)速度比較慢，相對于普通混凝土抗壓強(qiáng)度較低，導(dǎo)致的混凝土的抗沖磨性能下降。
?。?）激發(fā)劑改善高摻量粉煤灰混凝土抗沖磨性能
由表6可以看出，摻加活性激發(fā)劑后，粉煤灰摻量為25%的混凝土與普通混凝土的抗沖磨性能大致相同，但是隨著粉煤灰摻量的增大，仍低于普通混凝土。普通混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為37.5MPa，而粉煤灰摻量為25%、30%、35%的混凝土28d抗壓強(qiáng)度分別為43.9MPa、38.1MPa、37.1MPa，可以看出等強(qiáng)度的粉煤灰混凝土，其耐磨性是低于普通混凝土的。但與未摻加激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相比較抗沖磨性能提高了約110%，可見激發(fā)劑能夠提高高摻量粉煤灰混凝土的抗沖磨性能。
表6 水下鋼球法試驗(yàn)測試結(jié)果
注：抗沖磨強(qiáng)度即單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需的時間，單位為h/(kg/m2)。
?。?）高摻量粉煤灰混凝土抗沖磨性能隨齡期延長而提高
由表6可以看出，90d齡期的高摻量粉煤灰混凝土抗沖磨性能與普通混凝土相比已沒有明顯差距，甚至略高于普通混凝土。如果考慮到Ca(OH)2的淋濾結(jié)晶功能，高摻量粉煤灰混凝土中因?yàn)镃a(OH)2的減少，將粉煤灰用于水工混凝土結(jié)構(gòu)是有利于耐磨蝕性能提高的。
6 結(jié)語
（1）高摻量粉煤灰混凝土（粉煤灰摻量25%~35%）具有較高的后期強(qiáng)度，而普通混凝土后期強(qiáng)度增長則十分緩慢。
?。?）高摻量粉煤灰混凝土（粉煤灰摻量25%~35%）具有優(yōu)異的抗?jié)B性能，摻加化學(xué)激發(fā)劑后抗凍融等級達(dá)到F200，能夠滿足一般水利工程混凝土結(jié)構(gòu)抗冰凍的要求。
（3）高摻量粉煤灰混凝土（粉煤灰摻量25%~35%）90天齡期的抗沖磨性能與普通混凝土相當(dāng)，并未出現(xiàn)因摻加粉煤灰而引起的抗沖磨性能大幅下降的現(xiàn)象。
鑒于高摻量粉煤灰混凝土水化時間長，后期性能大幅增長的特點(diǎn)，以90天齡期抗壓強(qiáng)度和耐久性能作為高摻量粉煤灰混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)更為合理，可進(jìn)一步減少膠凝材料用量，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更加顯著。
