低用水量大摻量粉煤灰高性能混凝土的基本特性研究

摘要 研究了低用水量、低水膠比下，大摻量粉煤灰高性能混凝土的基本性能，結(jié)果表明，粉煤灰摻量為30%、50%時(shí),混凝土的后期強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)且增長(zhǎng)率顯著提高；能明顯改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，孔隙明顯細(xì)化，小于20nm的無(wú)害孔明顯增多；摻粉煤灰混凝土中氫氧化鈣含量跟水化齡期和摻量有很大關(guān)系，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)；混凝土中Ca(OH)2 的明顯減少和孔結(jié)構(gòu)的改善是低用水量大摻量粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率顯著提高的主要原因。

關(guān)鍵詞 粉煤灰； 混凝土； 低用水量； 強(qiáng)度特性；孔結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) TU528.31

0 前言

據(jù)有關(guān)部門調(diào)查，我國(guó)能生產(chǎn)水泥的石灰石貯量?jī)H500億噸, 可采量50％，僅2006年全年水泥產(chǎn)量就達(dá)到12.2億噸，照這樣計(jì)算，我國(guó)現(xiàn)有的石灰石儲(chǔ)量，僅夠水泥工業(yè)使用40年～50年。我國(guó)水泥、混凝土行業(yè)即將面臨資源危機(jī)，目前正在推廣的新農(nóng)村建設(shè)將使中國(guó)迎來(lái)新一輪的建設(shè)高潮，混凝土仍然是最主要的建筑材料之一，因此，在不減少混凝土產(chǎn)量的情況下有必要最大限度的減少水泥用量。研究表明[1~4]，

增大粉煤灰用量不僅可以減少水泥的用量節(jié)約能源，降低水化熱，還能夠改善混凝土的性能，提高混凝土的質(zhì)量，但是，陳益民等[5]研究也發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量過(guò)高也會(huì)使混凝土中發(fā)生貧鈣現(xiàn)象而不利于混凝土的耐久性。以往的主要在較大的用水量和中水灰比的情況下研究大摻量粉煤灰混凝土的性能。本研究探討在低用水量和低水膠比下，大摻量粉煤灰高性能混凝土的工作性、強(qiáng)度、氫氧化鈣和孔結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

1 原材料

1）水泥，某廠PO42.5R，水泥物理性能見(jiàn)表1；

2）粉煤灰，其化學(xué)成份和物理性能見(jiàn)表2；

3）集料，粗集料使用最大粒徑為20mm，密度為2.71g/cm3的碎石，細(xì)集料密度為2.53g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.59的河砂；

4）減水劑 采用聚羧酸系高效減水劑，固含量為19%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 配合比

膠凝材料用量固定為400kg/m3，用水量固定130kg/m3, 用減水劑來(lái)調(diào)整新拌初始沒(méi)有粉煤灰混凝土工作性，主要觀察新拌混凝土不泌水、不分離。粉煤灰對(duì)水泥的替代總量分別為30%、50%和70%，砂率控制在0.45，混凝土配合比見(jiàn)表3。

2.2 試件成型、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

混凝土的攪拌制度為：膠結(jié)料、砂干拌混合攪拌30s后，加約80%的水和減水劑，攪拌90s，加入碎石、剩余的水和減水劑再攪拌90s。試件尺寸：150mm×150mm×150mm。將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，溫度℃，濕度90%以上。

混凝土的7d、28d和91d的抗壓強(qiáng)度測(cè)試按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。

孔結(jié)構(gòu)和氫氧化鈣分析：在到達(dá)齡期的試件上取樣，剪成5mm左右的小塊，立即用丙酮洗滌并浸泡24h，取出等丙酮充分揮發(fā)后，放入真空干燥箱中65℃干燥7d。一部分采用AUTOPOREⅣ9500壓汞儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試壓力最高為228MPa，測(cè)定孔隙范圍為：5-600000nm。對(duì)同一齡期試件分別測(cè)定3次，取平均值[6]，另外一部分進(jìn)行磨細(xì)，進(jìn)行DSC-TG分析，升溫速率為10℃/min，但是在300-600℃升溫速率為5℃/min，氣氛為氮?dú)狻?

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 新拌混凝土的工作性

粉煤灰對(duì)新拌混凝土的工作性的影響見(jiàn)圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在控制坍落度基本一致的條件下，隨粉煤灰摻量的增加，新拌混凝土的擴(kuò)展度增大，這主要是因?yàn)樵诨炷林蟹勖夯业拿軐?shí)填充作用，當(dāng)粉煤灰顆粒填充于水泥粒子之間的空隙中時(shí)，置換出填充水,使粒子間的間隔水層加厚，同時(shí)，粉煤灰珠形顆粒的“滾珠效應(yīng)”也可以大大改善混凝土的流動(dòng)性，在低水膠比的混凝土中顆粒間的間隔水極少，這種效果則更為明顯。

3.2 強(qiáng)度變化規(guī)律

粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。結(jié)果表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低，特別是早期強(qiáng)度降低比較明顯，純水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度在早期增長(zhǎng)較快，其7d的抗壓強(qiáng)度大約是28 d抗壓強(qiáng)度的85.9%。粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度在早期發(fā)展較慢，粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土的7d抗壓強(qiáng)度大約是28d抗壓強(qiáng)度的75.3%，粉煤灰摻量為50%和70%時(shí)，混凝土的7d抗壓強(qiáng)度大約是28d抗壓強(qiáng)度的60%左右。純水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度在后期的增長(zhǎng)速率明顯低于粉煤灰混凝土，其28d至91d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為4.2%。粉煤灰摻量為30%、50%、70%時(shí)，混凝土的91d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為4.9%、26.5%、78.2%，另外，對(duì)于91d來(lái)說(shuō)，摻加30%和50%粉煤灰的混凝土強(qiáng)度差別不大，其后期強(qiáng)度的發(fā)展主要是因?yàn)榉勖夯抑械幕钚猿煞峙c水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，不斷填充混凝土的孔隙，使混凝土的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，這與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果是一致的。

3.3 氫氧化鈣含量

圖3為DSC-TG分析定量測(cè)出的齡期7d和28d混凝土中Ca(OH)2的含量隨粉煤灰摻量和水化齡期的變化結(jié)果，可見(jiàn)混凝土中Ca(OH)2的含量隨粉煤灰摻量的增加和水化齡期的延長(zhǎng)而降低，這與以前的研究結(jié)果是一致的。在圖3中我們還給出了假設(shè)混凝土體系中沒(méi)有粉煤灰時(shí)Ca(OH)2的計(jì)算含量，結(jié)果表明，7天齡期時(shí)假設(shè)混凝土體系中沒(méi)有粉煤灰時(shí)Ca(OH)2的計(jì)算含量明顯大于摻加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，而在28天齡期時(shí)，假設(shè)混凝土體系中沒(méi)有粉煤灰時(shí)Ca(OH)2的計(jì)算含量明顯小于摻加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，這說(shuō)明，粉煤灰的加入有利于水泥的早期水化，這可能是粉煤灰的加入使得整個(gè)體系的分散得到加強(qiáng)，水泥顆粒與水的接觸幾率加大，這樣水泥的水化速度加快，水化產(chǎn)物增多的緣故。而隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2將于粉煤灰發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H凝膠和含鋁水化物等，這說(shuō)明，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)了。

3.4 粉煤灰混凝土的孔徑分布

已有研究結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度與孔徑分布有很密切的關(guān)系。粉煤灰摻量對(duì)混凝土的孔徑分布測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不論是純水泥混凝土還是粉煤灰混凝土隨著水化齡期的增長(zhǎng)大于20 nm的有害孔逐漸減少，同時(shí)也可以看出混凝土粉煤灰摻量為30%、50%， 28d齡期時(shí)的無(wú)害孔部分明顯多于純水泥混凝土，這說(shuō)明適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅磕苊黠@改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)并使孔隙明顯細(xì)化。比較強(qiáng)度結(jié)果也可以知道在7d和28d摻量為30%和50%的粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增進(jìn)率遠(yuǎn)大于純水泥混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。另外，粉煤灰摻量為70%時(shí)28 d齡期的有害孔明顯增多，這說(shuō)明水泥基太少時(shí)不能提供激發(fā)粉煤灰充分反應(yīng)的堿性物質(zhì)，圖3可以說(shuō)明了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

a. 在低水用水量下，大摻量粉煤灰混凝土的28d和91d抗壓強(qiáng)度增進(jìn)率明顯提高，粉煤灰有加速早期水泥水化的作用；

b. 摻粉煤灰混凝土中氫氧化鈣含量跟水化齡期和摻量有很大關(guān)系，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)；

c．粉煤灰摻量為30%、50%時(shí)，能明顯改善混凝土的孔結(jié)構(gòu),使孔隙明顯細(xì)化，小于20nm的無(wú)害孔明顯增多，但是粉煤灰摻量為70%時(shí)28 d齡期的有害孔明顯增多，這說(shuō)明水泥基太少時(shí)不能提供激發(fā)粉煤灰充分反應(yīng)的堿性物質(zhì)；

d. 混凝土中Ca(OH)2 的明顯減少和孔結(jié)構(gòu)的改善是低用水量大摻量粉煤灰后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率提高的主要原因。

參考文獻(xiàn)

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[7] 劉寶舉，楊元霞．大摻量粉煤灰高強(qiáng)混凝土研究[J]．混凝土，2004(4)：29～34 .