超细粉煤灰与粉煤灰混凝土力学性能对比试验研究.pdf

2 0 1 5年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 N o 1 2 De c e mb e r 超细粉煤灰与粉煤灰混凝土力学性能 对 比试验研究 姚 韦靖 ， 庞建 勇 ( 安徽 理 工大 学土 木建 筑学 院 ， 淮 南 2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 通 过 if - 交试 验 的 方 法 ， 对 比研 究 了超 细 粉 煤 灰 和 粉 煤 灰 对 于混 凝 土 强 度 的影 响 ， 结 果 显 示 和 粉 煤 灰 相 比， 超 细粉煤灰优 势明显， 在合理掺 量下 ， 既可 以满足混凝 土的强度要 求， 又能有效提 高3 - 作性 ， 节约水 泥。 关 键 词 ： 绿 色混 凝 土 ； 正 交试 验 ； 超 细 粉 煤 灰 ； 粉 煤 灰 Ab s t r a c t ： B y me a n s o f o r t h o g o n a l e x p e ri me n t ， t h e c o n t r a s t r e s e a r c h o f u l t r a fin e f l y a s h a n d fl y a s h f o r t h e i n fl u e n c e o f t h e s t r e n g t h o f c o nc r e t e i s c a r r i e d o u t r he r e s ul t s s ho w t ha t c o mp a r e d wi t h fly a s h ul t r a -f i n e fl y a s h ha s t he o bv i o u s a d v a n t a g e s ， u n d e r t h e r e a s o n a b l e d o s a g e ， i t c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f t h e c o n c r e t e s t r e n g t h ， a n d i mp r o v e t h e w o r k a b i l i t y ，e f f e c t i ve l y s a v e c e me nt Ke y wo r d s ： Gr e e n c o n c r e t e ；O r t h o g o n a l e x p e rime n t ； Ul t r a f i n e fl y a s h ； F l y a s h 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献 标识 码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 2 1 0 0 4 0前言 当今 ， 作为土木工程用量最大的材料混凝 土 。 其 中水泥作为其最主要 的组成部分 ， 用量之大 不言而喻。 随着社会的发展 ，自然资源开发 日益加剧 ， 更 加要求 土木行业 能够节约 、 合理利用资源 ， 研究开 发新 的产品来替代建筑材料 。国内 ， 由吴 中伟 院士 首 次提 出“ 环保 型胶凝材料 ” 和“ 绿色高 性能混凝 土” 的概念 ， 即在保证混凝土性能的前提下 ， 大量利 用工业废渣来代替水泥的建议 ， 为“ 变废为宝 ” 指明 了方向。 粉煤灰作为燃煤电厂主要废弃物 ， 用其代替部 分水泥 已在 实际生产 中得 到广泛应用 与推广l l - 2 。 而本 文 使用 的超 细粉 煤 灰 ， 是一 种 具 有更 细 粒 度 的 特殊粉煤灰 ， 通过试验 ， 对 比了两种 粉煤灰 混凝土 的综合性能 ， 超细粉煤灰 比粉煤灰混凝 土具有更大 的优势 ， 更能有效 降低水泥用量 ， 满足 当前 提 出的 绿色、 环保 、 节约要求。 1 材料 与增 强机 理概 述 1 1 粉煤灰与超细粉煤灰 粉煤灰 ： 煤燃烧后烟气中收集的细灰 ， 是燃煤 电厂排 出的工业 废 料f3 J 。 基 金 项 目 ： 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 重 大 项 目资 助 ( K J 2 0 1 5 Z D 2 0 ) 。 一 l 0 一 超 细粉 煤 灰 ： 是 由粉 煤 灰经 过 分 级 、 筛 选 而来 ， 其细度介于普通硅酸盐水泥和硅灰之间 4 1 ， 本文使 用的超细粉煤灰直径小于 3 2 1x m。 1 2 超细粉煤灰增强机理 超细粉煤灰作为优质的外加剂 。 理论上可以等 量取代水泥 ， 由于其 直径较水泥小 ， 形成更好 的颗 粒级配 ， 其增强机理如下 ： ( 1 )填料效应 ： 超细颗粒有效填充于混凝土 的 空隙之 中。 孔隙率降低 ， 密实度增加l4 ， 提高混凝 土 强度 。 ( 2 )活化效应 ： 粉煤灰 中活性成分 S i O 。 和 A 1 ： 0 ， 与水化过程 中产生的 C a ( O H) 反应 ， 生成水化硅 酸 钙凝胶和水化铝酸钙晶体。 ( 3 )减水 效 应 ： 可 以证 明 ， 胶 凝 材 料 颗 粒 越 细 ， 混凝土的初始流动速度越 大 ， 流 动度相 同时 ， 水灰 比可降低 7 9 。 具体作用过程为 ： 首先 ， 粉煤灰中的活性 S i O ： 、 A I 0 与水泥水化过程 中产生的 C a ( O H) 反应。生 成 的水 化 铝酸 钙 胶凝 和 水 化铝 酸 钙 晶体 ， 具有 胶 凝 性质 填充于骨料 间使混凝 土结 构更 加紧密 ； 反应 过程 中消耗了 C a ( O H) ： ， 使混凝土碱度降低 ， 更有利 于 水 化 铝 酸盐 的 形 成 ， 形 成 火 山灰 效 应 ， 即后 期 强 度增 长 明显 ，甚 至可 以超 过 同级 别混 凝 土 强 度 ； 同 时 ， 产 生 微 骨 料效 应 ， 超 细粉 煤 灰 的超 细颗 粒 一 方 面可以填充空隙裂缝 改善孔结构的同时亦提高了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姚韦靖 ， 庞建勇 超细粉煤灰与粉煤灰混凝土力学性能对 比试验研究 密实度 。 另一方面 ， 未参 与水化反应 的颗粒分散于 胶凝体 中也起 了骨架的作用 ； 最后 ， 具有形态效应 ， 由于粉煤灰中存在大量球状玻璃微珠 ， 在水泥颗粒 间起到润滑的作用 混凝土的流动性 因此提高7 - -9 。 2试 验与试 件 制备 本 文采 用 正 交试 验 方 法 ， 分 别 使用 超 细 粉 煤 灰 和 粉 煤灰 ， 配制 了三 种 不 同强 度 的混 凝 土 ， 即 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5 ， 测试其 2 8 d的抗压 、 抗拉强度 ， 经对 比分 析 ， 验证 了超 细粉煤 灰具有更大的优势 即在保证 混凝 土使用要求的前提下 ， 不仅节约 了水泥 ， 还改 善了混凝土的综合性能。 2 1 试 验 材料 水泥： 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 粉煤灰 ： 淮南某 电厂生产 的 I级粉煤 灰 ， 其 化 学成 分见 表 l 。 表 1 粉 煤 灰 化 学 成分 超细粉煤灰 ：淮南某公司生产的超细粉煤灰 ， 其直径分布在 3 2 1 x m以下 ， 其化学成分见表 2 。 表 2超细粉煤灰化学成分 S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O M g O N a 2 0 S O 3 烧失量 5 8 4 8 2 7 6 9 4 4 8 2 9 9 0 7 7 3 8 3 1 0 0 7 6 砂 ： 中砂 ， 细度模数 2 8 ， 含泥量低于 0 8 5 。 石子 ： 碎石 ， 粒 径为 5 1 8 m m。 减水剂 ： 萘系高效减水剂 ， 掺量是胶凝材料 的 0 7 5 。 2 2 试验配合 比设计 采用正交试验方法设计 在一般混凝土配 比基 础上 考虑超细粉煤灰和粉煤灰掺量 2个 因素作为 试 验变量 ，具体 分别为代 替水 泥用 量 的 0 、 1 0 、 2 O 、 3 O ，设计混凝土强度 等级为 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5 ， 分 别 采 用 水 灰 比为 0 5 2 、 0 4 8 、 0 4 2 ，砂 率 为 4 2 、 4 l 、 4 0 ， 分 2 4组试验 ， 具体方案见表 3 。 2 3 试件制作与养护 先 将石 子 、 砂搅 拌 1 5 m i n ， 再 加人 水泥 、 减水 剂 、 超细粉煤灰 ( 粉煤灰 ) 搅拌 l mi n ， 待搅拌均匀 ， 然 后 加 水 ， 再 搅 拌 2 mi n ， 即可 人 模 成 型 ( 模 具 规 格 为 1 5 0 m mx 1 5 0 mm x 1 5 0 m m) 。静 置一 昼夜 有一 定强 度 后 ， 方可拆模 ， 在标准养护条件下养护 2 8 d ， 进行抗 压 、 抗拉强度测试。 表 3各配 比数据统计表 注： U F A表示超细粉煤灰混凝土 ； F A表示粉煤灰混凝 土。 3 试 验数 据结 果 与分析 3 1 试 验结 果 各配比的抗压强度和抗拉强度数据见表 3 。 3 2 试 验结 果分 析 根据表 3分别绘制出超细粉煤灰( 粉煤灰) 掺 量相 同时 ， C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5混凝 土 2 8 d抗压强度对 比 图 。 如 图 1 图 3所 示 。 。 由图 1 图 3可以看 出混凝土设计强度相 同 时 ， 随着粉煤灰掺量的增加混凝 土抗压强度 随之降 低 ， 可以看 出， 粉煤灰混凝土掺量在 1 6 以下 。 而超 细粉煤灰 混凝 土掺量在 2 0 以下时 ，强度下降较 缓 ， 既 可 以保 证 混 凝 土 抗 压 要 求 ， 又 能 有 效 减少 水 泥用 量 。 对比数据及上 图， 可 以发现超细粉煤 灰混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 2期 混凝土与水泥制品 第 2 3 6 期 3 4 3 2 3 0 鼎 辖2 8 2 6 2 4 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 超细 粉煤灰掺量， 图 1 C 2 5 混凝 土超细 粉煤灰掺量与抗压强度关系 曲线 4 2 4 O 童3 8 越 营3 6 3 4 3 2 3 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 超细， 粉煤灰掺量， 图 2 C 3 0混凝 土超 细 粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线 4 6 4 4 皇 4 2 鳗 4 0 38 3 6 3 4 O 5 1 O l 5 2 O 2 5 3 O 超细 粉煤灰掺量， 图 3 C 3 5混凝土超细 粉煤灰掺量与抗压 强度关系曲线 凝 土 的 强 度 变 化 幅 度 小 于 粉煤 灰 混凝 土 的 强 度 变 化 幅度 这 说 明超 细 粉煤 灰 比粉煤 灰 在 混凝 土 抗 压 强度 的影 响上 有更 明显 的优 势 ，可 以增 大掺 入 量 ， 更有效代替水泥 ， 提高抗压强度。 究其原因 ， 这是因为拥有更细小颗粒 的超细粉 煤灰 ， 有更大 的比表面积 ， 和水泥中的 C a ( O H ) ： 反应 更充分 。而且更细的颗粒 ， 使反应物 中浆体 的密实 度 和 强度 也更 大 ， 有 利 于提 高混凝 土强 度 。 根据表 3分别绘制在超细粉煤灰( 粉煤灰 ) 掺 量相 同时 ， C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5混凝土 ， 2 8 d抗拉强 度对 比图 ， 如 图 4 图 6所示 。 由图 4 图 6可 以看 出，混凝 土设计强度相 同 时 与抗压强度类似 ， 随着粉煤灰掺量 的增加抗拉 强度随之降低 ， 可以看出 ， 粉煤灰掺量在 1 6 以下 ， 超细粉煤灰掺量在 2 0 以下时 ，强度下降较缓 ， 可 宴 醴 o 5 1 O 1 5 2 0 2 5 3 0 超细， 粉煤灰掺量 图 4 C 2 5混凝土超细 粉煤灰掺量 与抗拉强度关 系曲线 4 2 4o 窒 想3 8 趔 3 6 0 5 l O 1 5 2 O 2 5 3 O 超细 粉煤灰掺量， 的曲线明显在粉煤灰混凝土上方 ， 且超细粉煤灰混 图5 c 3 o混凝土超细 粉煤灰掺量与抗拉强度关系曲线 一 l 2一 O 8 6 4 2 O 8 6 4 3 3 3 3 3 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姚韦靖 ， 庞建勇 超细粉煤灰与粉煤灰混凝土力学性能对 比试验研究 善 暖 担 4 6 4 4 4O 3 - 8 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 超细 粉煤 灰掺 量 图 6 C 3 5混凝土超细， 粉煤灰掺量与抗拉强度关系 曲线 以保证混凝土抗拉强度要求的同时 ， 又能有效减少 水 泥用 量 。 对 比数据及上 图 ， 与抗压强度 曲线类似 ， 超 细 粉煤灰混凝 土的曲线依然在粉煤灰混凝 土上方 且 变化幅度较小 ， 说明超细粉煤灰对 于混凝土抗 拉性 能的影响优于粉煤灰。其原因与上述抗压强度原因 类似 。 在此不累述。 综上 ， 在抗压 、 抗拉强度两方面 ， 超细粉煤灰均 较粉煤灰具有更大的优势 ，在试验过程 中还发现 超 细粉煤灰混凝 土的流动性 明显优 于粉煤 灰混凝 土 ， 可塑性和黏聚性也更好 ， 能很好地人模成 型 ， 早 期的拆模强度也较高 ， 这是因为细小的颗粒水化反 应更容易 、 更充分 ， 不仅提高 了流动性 、 可塑性和黏 聚性 ， 对于早期强度的提高也很有利 。 3 3 经济综合性能分析 由上述强度对比， 可以明显看出超细粉煤灰在 满足同等强度条件下 可 比粉煤灰多掺人 5 左右 节约 5 的熟料用量 。同时， 在生产实际中， 超细粉 煤 灰也 拥 有 明显 优 势 ， 包 括 ： 工作 性 好 ， 新 拌 混 凝 土 坍落度高 ， 保水性 、 可塑性好 ， 泌水少 ； 耐久性好 ， 抗 硫酸盐腐蚀 ， 抗萎缩 ， 抗氯盐渗析 ， 抗 海水 侵蚀 ， 抗 碳化 ， 抗碱集料反应 ； 强度高 ， 能显著提高混凝土的 后期强度 ， 耐磨性好 ， 与钢筋结合力强 ； 水 化热低 ， 有益于防止大体积混凝土内部升温引起 的裂缝 ： 同 时 ， 还 具 有 节 约 水 泥 资 源 ， 减 少 二 氧 化 碳 排 放 的环 境 效 益 和 改善 混凝 土 外 观 ， 使其 颜 色 均 匀一 致 的美 观效果 。 基于 以上分析 ，超细粉煤 灰应用于混凝土 中 不仅明显改善混凝土性能 ，还 能有效节约资源 在 价格上虽 高于普通粉煤灰 ，但 随着加工工艺 的提 升 ， 建设环境友好型社会 的需要 ， 其 经济效益 和综 合性能将愈加明显可观。 4结 论 ( 1 )由试验分析 ， 得 出超细粉煤灰 和粉煤灰掺 量对抗压 、 抗拉强度 的影 响 ， 皆随着掺量的增加而 降低 ，合理掺量 为粉煤灰混凝土掺量在 1 6 以下 超细粉煤灰混凝 土在 2 0 以下时， 强度下降速率较 低 ， 可以满足使用要求。 ( 2 )由数据对 比， 超细粉煤灰混凝土的抗压 、 抗 拉强度明显优于粉煤灰混凝土 ， 且流动性和早期强 度也更好 ， 可 以在保证混凝土的使用要求时 ， 掺人 量更大 ， 既提高混凝 土的综合性能 ， 又有效减少水 泥用 量 参考文献 ： 1 沈旦 申 粉煤 灰混凝 土 M 北京 ： 中国铁道 出版社， 1 9 8 6 ： 8 1 21 【 2 】 孙振平， 舒翔， 马建新 大掺量粉煤 灰混凝土早期 性能 的改 善【 J 】 粉煤灰， 1 9 9 1 ( 1 ) ： 1 0 1 3 【 3 葛 勇 土木 工 程 材 料【 M】 北 京 ：中 国建 筑 工 业 出 版社 ， 2o 0 7 【 4 J 余峰， 夏燕 超 细粉煤灰 高强混凝土 的综 合性 能研 究 J 】 武 汉理工大学学报， 2 0 0 8 。 3 0 ) ： 3 2 3 4 5 】 高 占云， 邹 培林 ， 闫瑞 兰 粉煤 灰混凝 土在 乌素沟大桥 中的 应用 J 内蒙古公 路与运输 ，2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 8 2 1 6 李益进 ， 周士琼， 尹健 ， 等 超 细粉煤灰高性能混凝 土的力学 性能 J 建筑材料 学报， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 2 3 2 9 【 7 】 尹正风 宁夏地 区混凝 土腐蚀机理与治理研究 D 沈阳： 东 北 大学。 2 0 0 5 ： 1 2 8 】 杨新朝 锅炉 内参杂粉煤灰燃烧过程 中水泥矿物演化与数 值 模拟f D 1 大连： 大连理工大学， 2 0 0 5 ： 3 【 9 】 王 立 刚 粉煤 灰 的环境 危害 与利用 潜 能 J 能 源与 环保 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 2 7 2 8 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 1 0 0 3 作者简介 ： 姚 韦靖 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 通 讯 作 者 ： 庞 建 勇 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 教 授 、 博 士生 导 师 。 通讯地址 ： 安徽省淮南市舜耕 中路 1 6 8号 联 系 电 话 ： 1 8 2 5 5 4 1 5 0 6 8 E ma i l ： y a o w e i j i n g 0 7 1 3 1 6 3 c o m 一 】 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m