骨料粒径与粉煤灰掺量对混凝土性能影响的探究.pdf

582023年5月试验与研究江西建材骨料粒径与粉煤灰掺量对混凝土性能影响的探究王合平福泉市教育局，贵州福泉550500摘要：文中开展了混凝土抗压强度、抗拉强度随骨料粒径和粉煤灰掺量变化规律的研究。研究结果表明，短期养护龄期下，掺入粉煤灰后混凝土的力学性能与粉煤灰掺量表现为负相关，长期养护龄期下，掺入粉煤灰后混凝土的力学性能与粉煤灰掺量表现为先呈正相关后负相关；掺入粉煤灰后，混凝土抗拉强度和抗压强度在养护初期与骨料粒径呈正相关；当养护龄期为2 8 d时，骨料粒径太大对混凝土的力学性能提升效果不明显；混凝土龄期影响因子与粉煤灰掺量呈正相关，与骨料粒径呈负相关。关键词：土木工程；混凝土；粉煤灰；骨料粒径；力学性能中图分类号：TU52文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 0 58-0 4Study on the Influence of Aggregate Particle Size and Fly AshContent on Concrete PerformanceWang HepingFuquan Education Bureau,Fuquan,Guizhou 550500Abstract:In this paper,the variation law of compressive strength and tensile strength of concrete with aggregate particle size and fly ashcontent was studied.The results show that the mechanical properties of concrete mixed with fly ash are negatively correlated with fly ashcontent under short-term curing,while the mechanical properties of concrete mixed with fly ash are first positively correlated with fly ashcontent and then negatively correlated with fly ash content under long-term curing.After adding fly ash,the tensile strength and compressivestrength of concrete are positively correlated with aggregate particle size at the initial curing stage.When the curing age is 28 days,theimprovement effect of the mechanical properties of concrete is not obvious when the aggregate size is too large.The influence factor ofconcrete age is positively correlated with fly ash content and negatively correlated with aggregate particle size.Key words:Civil engineering;Concrete;Fly ash;Aggregate size;Mechanical property0引言粉煤灰是我国电厂排放的灰白色工业固体废弃物之一，近年排放总量持续升高1-2 。此外，目前排放企业对粉煤灰的后续二次处理不当，对环境造成了严重的二次污染。当前，将粉煤灰替代水泥掺入到混凝土中，是发挥其剩余价值最有效的途径2-31,不仅处理了固体废弃物，减少了对环境的污染，而且降低了水泥的使用量，节约了大量能源并减少了二氧化碳等温室气体的排放。因此，研究掺人粉煤灰后混凝土的性能具有十分重要的实际意义。目前，倡导绿色建筑、资源的再次利用意义重大，加之工程领域对混凝土性能要求越来越高，所以开展掺人粉煤灰的混凝土研究迫在眉睫4-6 ,但是针对最大骨料粒径不同的粉煤灰混凝土力学性能的研究相对较少。鉴于此，本文开展了混凝土抗压强度、抗拉强度在不同的养护条件下随骨料粒径（19.0 mm、26.5mm、31.5m m）和粉煤灰掺量（0、10%、2 0%、30%）变化规律的研究，为粉煤灰混凝土的配合比优化设计提供了一定参考。作者简介：王合平（198 5-），男，贵州安龙人，本科，工程师，主要研究方向为材料分析。1原材料及测试方法1.1原材料（1）粗集料和细集料。本试验选用的粗集料为连续级配石灰岩碎石，粒径范围为5 2 5mm；细集料为普通河砂，细度模数为2 3，符合GBT146842011建设用砂规定。（2）粉煤灰。本试验选用的为级粉煤灰。（3）水泥。采用的水泥为强度等级42.5级普通硅酸盐水泥。（4）减水剂。减水剂选用聚羧酸系减水剂，减水率40%。(5）水。自来水。1.2试验方案设计根据JGJ55一2 0 11普通混凝土配合比设计规程，进行不同类型粉煤灰混凝土配合比设计。试验中确定的混凝土基准级配为，水泥用量48 0 kg/m、河砂6 7 5kg/m、碎石1114kg/m、水160kg/m、减水剂4.5kg/m。在基准混凝土配合比基础上，配合比设计改变粉煤灰掺量（10%、2 0%、30%），测试不同养护龄期下（3d、7 d、2 8 d）下不同类型粉煤灰混凝土材料力学性能的变化规律。在粉煤灰掺量为10%的配合比条件下，改变混凝土内部最大骨料粒径，分析骨料粒径在不同养护时间下粉煤灰混凝土力学性能的变化规律，目的是研究不同养护龄期下粉煤灰掺量及骨料粒径（19.0 mm、2 6.5m m、31.5m m）对粉煤灰混凝土力学性能（抗压强度、抗拉强度）的影响规律。59试验与研究2023年5月江西建材表1混凝土配合比最大骨料粒径粉煤灰掺量材料用量/(kgm)减水剂/mm1%水水泥砂碎石粉煤灰1%19.00160480675111404.519.0101604326751114484.519.0201603846751114964.519.03016033667511141444.526.5101504326511143484.531.5101404326341189484.51.3试件制备与养护混凝土的立方体试样制备流程包括混凝土干料拌和阶段、混凝土制备阶段及养护阶段，具体试验步骤如下：（1）混凝土干料拌和阶段。将碎石、砂、水泥以及粉煤灰倒人搅拌机中，搅拌时间为1 2 min。（2）混凝土制备阶段。向上述混合料中加人50%的水，将减水剂与剩余的50%水按比例混合，再将其加人混合料中，搅拌9min后出料，获取混合料；进行装模，利用振捣台振动排出混凝土内大气泡，制备立方体混合料；在室温下静置成型后，再进行脱模。振动过程中不能出现过振或少振现象，上述现象均会导致后续试验数据不准确。（3）混凝土养护阶段。脱模后，先进行编号区分，放置于标准养护箱分别进行3d、7 d 及2 8 d龄期养护后，再进行力学性能测试。1.4测试方法抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折性能是混凝土最重要的力学性能指标。本文采用TYA-2000型电液式压力试验机测试不同类型粉煤灰混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。力学性能试验的操作步骤依照GB/T500812019混凝土物理力学性能试验方法标准进行，试验过程均匀加载，加载速率设定为0.5MPa/s。进行抗拉强度试验时，均匀加荷至试件完全失效，记录破坏时的荷载F（N），自动加载速率为0.0 5MPa/s，测试过程中必须保证加载速度均匀。上述所有试验均制作两个平行件，取其平均值作为测试结果。混凝土立方体试件抗压强度计算公式如式（1）所示。fo=F/A(1)式中：fcu为立方体抗压强度（MPa）；F为试件破坏荷载（N）；A 为试件承压面积（mm）。混凝土立方体试件抗拉强度计算公式如式（2）所示，Js=2F/元A（2)式中：fis为立方体抗拉强度（MPa）；F为试件破坏荷载（N）；A 为试件劈裂面面积（mm）2骨料粒径及粉性能影响研究2.1粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响为研究不同粉煤灰掺量下混凝土力学性能的变化规律，利用前文提出的设备和方法对不同粉煤灰掺量及养护龄期的混凝土进行力学性能测试，其中，粉煤灰掺量为0 是普通水泥混凝土。结合上述性能计算公式，试验结果如图1所示。703d-7d一2 8 d5030010203040粉煤灰掺量/%(a）抗压强度5-3d-7d-28d32010203040粉煤灰掺量/%（b）劈裂抗拉强度图1混凝土力学性能随粉煤灰掺量的变化规律从图1可以看出，与普通混凝土相比，粉煤灰混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均有所下降。整体上，所有养护龄期条件下，粉煤灰混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度与粉煤灰掺量呈负相关。这是由于混凝土中的水泥用量减少，水化反应过程的产物二氧化钙含量减少，导致混凝土的抗压强度和抗拉强度降低。随着养护龄期的增加，粉煤灰混凝土的力学性能逐渐增加。实际上，当养护龄期达到2 8 d时，粉煤灰混凝土的力学性能与粉煤灰掺量表现为先呈正相关后负相关。这是由于当养护时间增加时，粉煤灰混凝土内部粉煤灰也会参与反应，产生胶凝物质，增强了混凝土的强度。但是随着掺量的增加，其增加的强度不足以抵消水泥掺量降低的强度，导致粉煤灰混凝土强度602023年5月试验与研究江西建材降低。为了研究粉煤灰混凝土抗压强度随养护龄期的增长速率与粉煤灰掺量之间的关系，本文创新性地提出了龄期影响因子，如式（3）所示。=F288-FF28（3)cucucu式中：为龄期影响因子；Fc28为2 8 d时混凝土立方体抗压强度（MPa）；Fc 为第nd时混凝土立方体抗压强度（MPa）。不同类型粉煤灰混凝土龄期影响因子如图2 所示。从图2可以看出，粉煤灰混凝土龄期影响因子与粉煤灰掺量呈正相关。这表明粉煤灰掺量越高，对混凝土的强度影响效应越显著。0.5口3d7d0.40.30.20.100102030粉煤灰掺量/%图2混凝土龄期影响因子随粉煤灰掺量演化规律2.2骨料粒径对混凝土力学性能的影响研究不同骨料粒径对粉煤灰混凝土力学性能的影响规律，试验结果如图3所示。80口3d 四7 dD28d60402001926.531.5骨料粒径/mm(a）抗压强度53d7d口2 8 d432一01926.531.5骨料粒径/mm（b）劈裂抗拉强度图3混凝土力学性能随骨料粒径演化规律从图3可以看出，粉煤灰混凝土抗拉强度和抗压强度在初始养护龄期与骨料粒径呈正相关，当养护龄期为2 8 d时，骨料粒径太大对混凝土的力学性能提升效果不明显。这是由于养护时间延长，大骨料会使混凝土内部的空隙增加，骨料提升的强度不足以弥补空隙增加降低的强度，导致粉煤灰混凝土力学强度下降。0.53d 7d0.30.11926.531.5-0.1骨料粒径/mm图4混凝土龄期影响因子随骨料粒径演化规律不同骨料粒径的粉煤灰混凝土龄期影响因子如图4所示。从图4可以看出，粉煤灰混凝土龄期影响因子与骨料粒径呈负相关。这表明骨料粒径越大，对混凝土的强度影响效应越小。在7 d的养护条件下，大粒径骨料混凝土的龄期因子为负值，表现为大粒径骨料混凝土抗压强度在7 d到2 8 d养护时间开始出现下降现象，这是由于大粒径骨料混凝土内部的空隙逐渐增加。3结论（1）短期养护龄期下，粉煤灰混凝土的力学性能与粉煤灰掺量表现为负相关，长期养护龄期下，粉煤灰混凝土的力学性能与粉煤灰掺量表现为先呈正相关后负相关。（2）粉煤灰混凝土抗拉强度和抗压强度在养护初期与骨料粒径呈正相关；当养护龄期为2 8 d时，骨料粒径太大对混凝土的力学性能提升效果不明显。（3）粉煤灰混凝土龄期影响因子与粉煤灰掺量呈正相关，（下转第6 6 页）:66上接第6 0 页2023年5月试验与研究江西建材EHT=5004VWO.a66mmMag10.00K2SignetA=SH2(e)T60-Ca2(3d)EHT5.00KVWD=7.4emMag=10:00KX:SignalASE2(f)T60-Ca2(28d)图6试件的SEM形貌图由图6 可知，试件内产生的C-S-H凝胶逐步发育完好，主要表现为纤维状，并存在少量颗粒状和蜂窝状凝胶，同时试件内存在许多条状水化硅酸钙晶体及少量针状水化硫铝酸钙。此外可以观察到，2 8 d龄期试件比3d龄期试件的结构更加紧密，因此随着龄期的增加，试件的强度提高。由图6（a-c）可知，当激发剂为2%脱硫石膏时，试件微结构相较于6%Na2Si03作为激发剂时更加致密，因此试件的强度也越高（如图3和图4所示）。此外，由图6（a-b）和图6（e-f）比较可知，当脱硫石膏掺量为2%时，随着凝灰岩石粉掺量的增加，Ca（O H）2、水化硫铝酸钙等产物减少，试件中的小颗粒增多，整体结构更加松散，因此，强度更低（如图3和图4所示）。3结论与骨料粒径呈负相关。在本文测试条件下，粉煤灰混凝土的力学性能受到粉煤灰来源、粒径大小、水灰比等多种因素的影响，后续将开展粉煤灰混凝土力学性能更多影响因素的分析，为高性能粉煤灰混凝土的研究提供一定的参考。参考文献【1中国物质再生学会.中国再生资源回收行业发展报告【J.资源再生，2 0 18（6）：42-51.（1）不掺任何激发剂的情况下，试样的流动度随着凝灰岩石粉掺量的增加变化不大。掺人碱激发剂后，Na2SiO3会增加试样的流动度，而NaOH和脱硫石膏的影响较小。（2）随着凝灰岩石粉掺量的增加，试件抗压强度降低。凝灰岩石粉含量较高时，碱激发剂的掺人能够提高试件的抗压强度；但凝灰岩石粉较低时，碱激发剂的掺人会使试件的抗压强度降低。（3）当凝灰岩粉含量为8 0%和6 0%时，碱激发剂的掺人都能提高试件的抗折强度，其中Na2SiO3的提升效果最佳。而当凝灰岩粉含量为40%时，只有脱硫石膏的掺入能提高试件的抗折强度。（4）根据XRD谱图可知，脱硫石膏对试件的组成影响最小，并且从SEM图可知，脱硫石膏作激发剂时，结构相对更为致密，从而使材料具有较好的力学性能。参考文献【1】席鸿定.水泥行业污染控制及低碳环保发展分析J】.资源节约与环保，2 0 2 3（2）：12 4-12 7.2 罗雷，郭旸旸，李寅明，等.碳中和下水泥行业低碳发展技术路径及预测研究J.环境科学研究，2 0 2 2，35（6）：152 7-1537.3汪良，李杨，陈亮，等。凝灰岩粉掺和料的助磨剂类型和掺量优选研究J】.水力发电，2 0 2 3，49（2）：10 5-111，117.4张恒春，季锡贤，唐方宇，等.凝灰岩石粉作为混凝土掺合料可行性试验研究J】.施工技术，2 0 17（S1）：2 8 2-2 8 5.【5于本田，刘晓林，王彦鹏，等.凝灰岩石粉对水泥基材料性能影响的研究进展J/OL.硅酸盐学报，2 0 2 3（8）：1-8.6 汤炀，李昂，乐科迪，等宁波地区凝灰岩机制砂石粉的活性激发研究J.宁波工程学院学报，2 0 18，30（2）：34-38.7】李响，李正平，胡贤，等。水泥凝灰岩粉煤灰复合胶凝材料硬化浆体微观结构特征【J.长江科学院院报，2 0 18，35（5）：115-119.【8 李宏魁.凝灰岩的化学特性及其在水泥行业的应用J中国水泥，2 0 17（4）：91-93.9尹武晓，蒋林华，陈敏，等.凝灰岩石粉和VF防裂剂对水泥基材料收缩性能的影响J】.混凝土，2 0 17（1）：90-93.【10】王旭昊，侯鑫，甘珑，等.凝灰岩石粉在复合胶凝材料中的火山灰活性及水化性能评估J】.材料导报，2 0 2 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