大掺量粉煤灰在混凝土中的应用

【摘 要】粉煤灰掺入混凝土中取代部分水泥不仅可以降低混凝土成本,还可以减轻煤废料污染,缓解矿物能源危机。采用粉煤灰取代部分混凝土中胶凝材料―水泥,比较了在不同水胶比下不同的粉煤灰掺量对混凝土强度、和易性的影响。试验表明:在混凝土中掺入适当的粉煤灰取代水泥不仅强度可以满足工程需要而且可以改善其和易性,提高混凝土耐久性，降低成本。

【关键词】水胶比；粉煤灰；强度；混凝土

1 引言

近年来在混凝土的应用中,开裂的问题相当普遍。混凝土开裂不仅影响混凝土的强度,更重要的是降低了混凝土的耐久性。混凝土的开裂有设计的原因,也有材料的原因。就材料的原因来讲,主要包括水泥的矿物成分,水泥的细度及混凝土中的水泥用量。为防止混凝土开裂应选用铝酸三钙含量低、比表面积适当的水泥,同时应尽量降低水泥用量。使用粉煤灰取代部分水泥,在基本不影响混凝土强度的情况下,它可以起到降低混凝土早期水化热引起的温度升高、防止混凝土开裂、改善混凝土耐久性的作用。因而粉煤灰混凝土的推广使用已成为发展趋势之一。

粉煤灰掺入混凝土中,将对混凝土的用水量产生影响;同时用水量或者水胶比的变化也将对粉煤灰混凝土的强度产生影响。为使得粉煤灰混凝土的强度满足工程需要,我们选取了几个不同的水胶比,以不同的粉煤灰的掺量配制混凝土,进行破型实验。通过抗压强度试验对不同水胶比状况下不同粉煤灰掺量对混凝土强度的影响进行了研究,为工程大量使用粉煤灰混凝土推广应用提供借鉴。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

2.1.1 水泥:采用P. O 42. 5邢台中联水泥;

2.1.2 粉煤灰:采用邢台发电厂的Ⅰ级粉煤灰;

2.1.3 砂:邢台八方Ⅱ区中砂;

2.1.4 石:粒径为5～25 mm 的太子井碎石;

2.1.5 外加剂:石家庄育才聚羧酸减水剂,掺量为胶凝总量的1.2%。

2.2 试验方案

在普通混凝土中,影响混凝土抗压强度的主要因素为水泥强度等级和水灰比。同样我们可以认为在粉煤灰混凝土中,影响混凝土抗压强度的主要因素为胶凝材料强度和水胶比。本试验中,胶凝材料强度近似转化为粉煤灰掺量来表示。为了缩短试验时间,保证研究质量,达到事半功倍的目的,我们采用了水胶比与粉煤灰掺量的双因子水平正交试验方法。

参照J GJ / T55-2000、GBJ146-90、GBJ28-86技术规程中的有关规定,普通混凝土的水胶比一般为0.4～0.6,因而本试验中水胶比暂且取0.36,0.40,0.44;根据以往经验,在粉煤灰混凝土中粉煤灰掺量一般在20%～40%,我们把粉煤灰掺量定为10%,20%,30%,40%,50%五个值。

本试验中,我们采用固定单位用水量,单位用水量选为180 kg/ m3 ;砂率初步选为40 %;随粉煤灰掺量的增加,水泥用量相对减少。试件成型工艺流程如下:

2.2.1 准备材料:各种材料,水泥、粉煤灰、聚羧酸减水剂等;

2.2.2 物理、化学分析:主要测定粉煤灰的含水率、有机成分的含量及粉煤灰的细度;

2.2.3 确定配比、称量:按照计算好的配比用天平称量好各配比的重量;

2.2.4 搅拌:采用机械搅拌;

2.2.5 成型:采用振动台振实;

2.2.6 养护:48小时拆模后，在标准养护室养护28天；

2.2.7 破型:采用JYE2000型压力机测定本试样的抗压强度。

3 试验结果分析和讨论

对试样进行破型试验后,可得到如下表所示的结果。

根据以上数据,可以很明显的得出如下结论:

3.1 在同一水胶比下混凝土的早期强度随着粉煤灰的增加而降低;在同一水胶比的条件下,粉煤灰的掺入量越大,混凝土早期强度值越低。试块的强度降低与粉煤灰的掺入量虽没有明显的线性关系,但显然粉煤灰含量在10 %～30 %之间对混凝土的早期强度影响不是很大,粉煤灰掺量不大于30 %时,混凝土的早期强度都达到C25 以上。而且由于粉煤灰的二次水化作用,掺量不小于40%，混凝土28天强度还高于不大于30%掺量的强度 ,等到60天后差别还会加大，同时可以节约水泥,明显的改善混凝土的和易性,故完全可以满足工程实际的需要。

3.2 在特定的水胶比下粉煤灰的掺量在30 %～40 %之间混凝土的早期强度有一个明显的转折点,即粉煤灰掺量一旦超过了30 % ,其早期强度将有一个明显的下降区间。分析认为:掺和料掺量过大时,胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少,熟料水化生成的Ca (O H) 2 量较少,减少了掺和料水化反应生成C2S2H 的比例,有些掺和料颗粒没有参与反应,难以有足够的生成物填充周围的空隙,所以掺和料掺量超过一定范围时,混凝土早期强度会随掺和料掺量的增大(水泥用量减少) 呈明显下降趋势,试验结果与理论分析基本吻合,故单纯的用粉煤灰高比例的取代水泥是不可行的。

3.3 在同一粉煤灰含量中,水胶比不同对混凝土强度的影响也是不同的。从试验结果可以看出,粉煤灰的掺入量到一定程度,水胶比对混凝土的强度影响逐渐减少。

3.4 在整个试验中我们发现掺入粉煤灰的混凝土的粘聚性都比普通混凝土要好,同时发现当粉煤灰掺量增大时,混凝土的和易性有所改善。这说明粉煤灰对混凝土的和易性是有利的。

3.5 本次试验所采取的加粉煤灰的方法不同于以往的等量取代法、超量取代法和外掺法。这是我们探索新方法的一种尝试; 另一方面,由于时间因素,我们只研究了粉煤灰混凝土的早期强度和标养28天强度,而养护龄期是决定粉煤灰混凝土强度高低的另一个重要因素,随着养护龄期增大,对粉煤灰混凝土强度发展是相当有利的。在实际工程中,我们完全可以综合考虑成本造价、施工工期等因素来决定粉煤灰的最佳掺量。

通过这次试验，可以发现粉煤灰掺量对砼不利的地方是早期强度低，这个问题可以用矿粉替代部分粉煤灰，还可以通过调整外加剂来解决这个问题。由此在砼中大掺量粉煤灰是完全可行的，随着对砼耐久性越来越高的要求和绿色砼应用，粉煤灰在砼工程中必将大掺量应用。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文