摘 要: 針對大摻量粉煤灰混凝土存在的早期強度低、抗凍、抗碳化耐久性不足等問題, 通過試驗研究, 結果表明: 大摻量粉煤灰高性能混凝土①宜既摻優(yōu)質粉煤灰又摻引氣型高效減水劑, 混凝土為中等標號時可選用32. 5 等級普通硅酸鹽水泥; ② 為確保達到一定的早期強度和耐久性, 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% , 其抗凍標號可達到D100 以上, 同時摻入激發(fā)劑、元明粉和生石灰粉后, 強度損失和質量損失有所減小, 可進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, 則可彌補元明粉對后期強度的不利影響, 但生石灰粉的摻量不宜超過5% , 摻量太大可能會導致膨脹開裂. 以上結果為大摻量粉煤灰高性能混凝土的設計提供了有效途徑.
關鍵詞: 大摻量粉煤灰混凝土; 強度; 耐久性; 配比設計
中圖分類號: TU 528157 文獻標識碼: A 文章編號: 1007- 824X (2007) 01- 0067- 05
大摻量粉煤灰混凝土是一種新材料, 20 世紀70 年代英國率先在大壩碾壓混凝土中開始應用[1] , 隨后逐步使用于各種不同的混凝土結構中[ 2 ]. 從發(fā)展來看, 它在現代化建設中具有廣泛的應用前景: 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, 根據可持續(xù)發(fā)展觀點, 需要發(fā)展高耐久性的綠色混凝土來提高建筑物的耐久性, 從而延長建筑物的使用壽命[ 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、抗堿骨料反應等耐久性指標均優(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構自身的溫升和降溫速度, 有利于混凝土結構的防裂. 在建筑、道路、水利等領域, 建筑物結構和構件大多采用C30～ C40 中等強度混凝土. 近年來, 我國已逐步將大摻量粉煤灰混凝土應用在這些領域, 取得了良好的效益. [ 425 ] 20 多年來的研究和實踐解決了很多技術上的難題, 但還有些問題需要進一步探討和試驗, 如早期強度低、抗凍性差、抗碳化能力弱等, 這些問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度的高性能混凝土進行了試驗研究. 除非特別說明, 本試驗中混凝土的材料配比均以質量分數表示.
1 大摻量粉煤灰高性能混凝土的配比設計
大摻量粉煤灰混凝土目前尚無統(tǒng)一定義, 配比設計也無技術規(guī)范可循. DUN STAN 等[ 6 ]認為應將大摻量粉煤灰混凝土中粉煤灰作為一個獨立組分進行配比設計. 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計.
大摻量粉煤灰混凝土中粉煤灰的合理摻量與粉煤灰品質、水泥品種標號、混凝土的強度和耐久性指標、水膠比等均有一定的內在關系, 特別是水膠比對強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 的抗壓強度降幅分別達41% 和50% , 自然碳化5 a 的碳化深度增幅達219% , 凍融循環(huán)50 次(慢凍法) 后抗壓強度損失值達35% , 摻入引氣劑后抗凍性能提高, 強度損失值僅為9166%. 為此, 筆者在進行大摻量粉煤灰高性能混凝土配比設計時, 針對上述存在問題, 以早期強度較高、抗凍性能較好的雙摻優(yōu)質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、生石灰粉等措施進一步提高混凝土的早期強度和抗凍性, 同時還要較好地改善混凝土的抗碳化性能. 在采取上述技術措施的同時, 提出了大摻量粉煤灰混凝土高性能化的各項控制指標.
1) 粉煤灰和減水劑的品質與摻量. É 級粉煤灰需水質量比小于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. 水膠比約013, 含氣量3%～ 5% , 坍落度150～ 200 mm.
3) 混凝土抗壓強度控制值(下限). 28 d 強度大于30M Pa, 3 d 強度大于28 d 強度的35% , 7 d 強度大于28 d 強度的55%.
4) 混凝土抗凍耐久性控制值(下限). 抗凍標號大于D100 (按GBJ 82- 85 慢凍法進行).
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 碳化試驗進行,該法28 d 碳化深度值約相當于混凝土結構自然碳化50 a 的數值).
2 試驗方法及材料
2. 1 試驗方法
混凝土配合比試驗參照JGJ55—2000《普通混凝土配合比設計規(guī)程》; 粉煤灰性能試驗按照GB1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進行; 外加劑性能試驗按照GB8076—1997《混凝土外加劑》進行; 混凝土力學性能試驗按照GBöT 50081- 2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行; 混凝土抗凍、抗碳化試驗按照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行; 生石灰粉性能試驗按照JCöT 480—92《建筑生石灰粉》進行; 混凝土pH 值按文獻[8 ]進行試驗.
2. 2 試驗材料
1) 水泥: 揚州旺龍水泥廠旺龍牌PO 3215 級普通硅酸鹽水泥, 其中已內摻粉煤灰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, 細度模數2156, 級配符合Ê 級要求.
3) 石子: 碎石, 表觀密度Q= 2180 g·cm - 3, 級配16～ 3115 單粒級.
4) 粉煤灰: 鎮(zhèn)江諫壁發(fā)電廠風選É 級粉煤灰, 細度01045 mm (篩余量319% ) , 需水質量比86% ,表觀密度Q= 2112 g·cm - 3.
5) 生石灰粉: 宜興建材化工廠生產, 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, 市售.
7) 外加劑: 揚州永固研究所研制的CT 1081, CT 1082 引氣型高效復合減水劑, 減水率大于22%.
3 試驗方案
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性能和抗凍、抗碳化性能
以不摻粉煤灰、單摻引氣型高效復合減水劑的混凝土為基準組, 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比組. 另以60% 粉煤灰摻入CT 1082 引氣型高效減水劑來提高含氣量. 在混凝土拌和物工作性符合要求的基礎上, 制作標準試件, 成型并養(yǎng)護, 分別測定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗壓強度, 并進行抗凍、抗碳化、含氣量試驗.
3. 2 重點探索提高大摻量粉煤灰混凝土早期強度、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組, 分別摻入110% , 115% , 210% 元明粉為對比組; 另外以摻有1%元明粉和60% 粉煤灰的混凝土為基準組, 分別摻入5% , 10% , 15%生石灰粉為對比組, 測定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗壓強度, 并進行抗凍、抗碳化、含氣量和pH 值試驗.
4 試驗結果與分析
4．1 混凝土拌和物的性能
由混凝土水膠比和坍落度的數據得出, 40%～ 60% 粉煤灰混凝土的水膠比為0129～ 0131, 坍落度為155～ 200 mm , 達到了大摻量粉煤灰高性能混凝土大摻量、小水膠比、大流動性的設計要求. 由于風選優(yōu)質粉煤灰細度小、活性大, 其顆粒中含有大量的玻璃微珠, 它的形態(tài)效應和引氣型高效減水劑減水效應、微氣泡效應相互疊加, 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性. 另外, 優(yōu)質粉煤灰的玻璃珠顆粒和引氣劑所產生的微氣泡在拌和物中起到了滾珠軸承式的潤滑作用, 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 的抗壓強度比未摻粉煤灰的混凝土要低, 但隨著粉煤灰活性效應的逐步發(fā)揮, 7 d 的強度有所提高, 其中40% 粉煤灰混凝土超過了基準組; 28 d 時, 活性效應進一步發(fā)揮, 含粉煤灰的各組混凝土抗壓強度均超過大摻量粉煤灰高性能混凝土的設計指標30M Pa; 180 d 時, 由于粉煤灰的活性效應與微集料填充效應得到了較充分的發(fā)揮, 故除60% 粉煤灰的一組外, 其余均超過了基準組的強度, 并達到基準組的111～ 11．4 倍.摻入1%～ 2% 元明粉后, 可以提高摻灰混凝土早期強度, 當摻量超過1% 時, 180 d 的強度絕對值有降低的趨勢.
摻入10%～ 15% 生石灰粉后, 各齡期強度均有明顯降低, 超過15% 摻量時會有明顯開裂現象, 這是因生石灰粉引起混凝土過度膨脹所致. 而生石灰粉摻量5% 時, 3 d 的強度雖有降低, 但7 d 時強度開始增長, 28 d 和180 d 時強度明顯提高, 提高幅度達1．08～ 1．24 倍, 可以彌補單摻元明粉時強度絕對值有所降低的不足.
表1 混凝土抗壓強度試驗結果
3 除編號為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摻60% 粉煤灰的抗壓強度相對值變化為: 含氣量為3% 時, 其早期強度相對值超過了大摻量高性能混凝土設計控制值的35% 和55%; 含氣量為4% 時, 3 d 的強度相對值為29% , 較低于設計值; 當粉煤灰混凝土中摻入元明粉或元明粉與生石灰粉雙摻時, 3 d, 7 d 的早期強度相對值均超過了設計值,符合理論分析結果.
4．3 混凝土抗凍耐久性
按慢凍試驗法, 混凝土的抗凍標號以抗壓強度損失不大于25%、質量損失不大于5% 來判斷.凍融循環(huán)100 次后, 試驗結果如圖1 所示. 由圖1可以看出, 除60% 粉煤灰的混凝土強度損失2518% 接近于大摻量高性能混凝土抗凍標號D100 的設計值外, 其余各組混凝土的抗凍標號均大于D100 的設計要求. 這主要歸功于引氣型混凝土產生了互不連通的許多微孔, 隔斷了混凝土的毛細孔, 從而降低了混凝土受凍時所產生的內應力. 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) , 則由于混凝土孔結構的進一步改善, 亦可提高混凝土的抗凍標號, 使混凝土抗凍標號超過D100 的設計值
4．4 混凝土的抗碳化耐久性
碳化深度試驗結果見圖2. 未摻粉煤灰的混凝土pH 值最大達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20 mm , 達到了大摻量粉煤灰高性能混凝土的設計要求. 當粉煤灰質量分數達60% 時,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構得到進一步改善所致, 但與設計要求相比相差甚遠.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一步減小至12．8 mm. 當摻有激發(fā)劑、元明粉與石灰粉的粉煤灰質量分數達60% 時, 混凝土碳化深度有了較大的改善, 達到了大摻量粉煤灰高性能混凝土的設計要求.
5 結論
1) 大摻量粉煤灰高性能混凝土宜既摻優(yōu)質粉煤灰又加引氣型高效減水劑, 混凝土為中等標號時可選用32．5 等級普通硅酸鹽水泥.
2) 為確保大摻量粉煤灰混凝土達到一定的早期強度和耐久性, 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3215 等級普通硅酸鹽水泥中已內摻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% , 其抗凍標號可達到D100 以上. 同時摻入激發(fā)劑、元明粉和生石灰粉后, 強度損失和質量損失有所減小, 可進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, 以提高其早期強度和抗碳化性能. 元明粉摻量過大, 早期強度增加不多, 對后期強度發(fā)展有不利影響.
5) 大摻量粉煤灰混凝土若同時摻元明粉和生石灰粉作堿性激發(fā)劑, 則可彌補元明粉對后期強度的不利影響, 但生石灰粉的摻量不宜超過5% , 摻量太大可能會導致混凝土膨脹開裂.
本文僅對中等強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度和抗凍、抗碳化等性能還有待進一步探索.
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