粉煤灰与钢纤维复合高性能道面混凝土试验研究.pdf

2 0 1 2年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCR ET E AND C EME NT P R0DUC T S 2 0l 2 No 6 J u n e 粉煤灰与钢纤维复合高性能道面混凝土试验研究 迟维胜 ， 范 珉 ， 王晓龙 ( 空军工程大学 ， 西安 7 1 0 0 3 8 ) 摘要 ： 采用粉煤 灰和钢 纤维复合 的技 术路线 ， 研 究 了粉 煤灰等量取代 、 超 量取 代、 水 泥量不变的条件下对铜 纤 维混凝土性能的影响。 结果表 明， 粉煤灰和钢纤维的掺入可提 高道面混凝土的力学性 能， 改善混凝土的 内部结构 ， 并 可 降 低 道 面 混 凝 土 的投 资 。 关键 词 ： 高性能道面混凝 土； 粉煤灰 ； 钢纤维 ； 抗折 强度 Ab s t r a c t ：Us i n g t h e t e c h n i q u e o f mi x i n g s t e e l fi b e r w i t h f l y a s h ， t h e i n f l u e n c e s o f f l y a s h o n t h e p e r f o r ma n c e s o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e a r e s t u d i e d w h e n t h e fl y a s h a s fi n e a g g r e g a t e ， r e p l a c e s c e me n t i n t h e s a me o r e x c e s s i v e q u a n t i t y o r w h e n c e me n t d o s a g e d o e s n o t c h a n g e r h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i n g fl y a s h a n d s t e e l fi b e r c a n i mp r o v e t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p a v e me n t c o n c r e t e ，i mp r o v e t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f c o n c r e t e a n d r e d u c e t h e i n v e s t me n t o f p a v e me n t eoner et e Ke y wo r ds ：Hi g h p e r f o r ma nc e p a v e me n t e o nc r e t e ；Fl y a s h；St e e l fibe r ；F l e x u r a l s t r e ng t h 中 图 分 类 号 ： TU5 2 8 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 2) 0 6 - 4 6 0 3 0前 言 钢纤维混凝 土道面的建设投资通常较高 ， 掺入 粉煤灰不但可以减少水泥用量 ，降低工程造价 ， 还 可以改善混凝土的内部结构 ， 提高其耐久性 。根据 钢纤 维 混 凝 土和 粉煤 灰 混凝 土 的相关 研 究 成果 ， 围 绕课题 的研究 目的 ， 本研究采用了钢纤维和粉煤灰 复合的技术路线 ，借助钢纤维界面上 的粘着力 、 摩 阻力 、 机械咬合力 ， 阻止或阻滞原有裂缝 的开展 ， 从 而显著提高道面混凝土的各项力学性能指标。 尽管钢纤维混凝 土道面厚度可 比普通混凝土 道 面减薄 4 0 5 0 1 ， 但一次性投资仍然偏高 ， 影 响 了钢纤维混凝土在该领域 的推广和应用 。探讨用粉 煤灰等量取代 、 超量取代水泥 以及水泥量不变的条 件下作为微细集料 ， 尤其是探讨超量取代时粉煤灰 的最 佳 掺量 ， 可为 钢纤 维 与粉 煤 灰 复掺 应 用 于 机场 道面 混凝 土工程 提供 参考 。 对于粉煤灰与钢纤维复合高性能道面混凝土 ， 抗折强度是其最重要 的力学指标 ， 是设计 粉煤灰钢 纤维混凝 土机场道面时表征材料力学性质 的基本 参数 ，同时也是施工质量控制和检验的主要 内容 。 因此 ， 对 钢 纤 维与 粉 煤灰 复合 高性 能 道 面混 凝 土 的 试验研究 ， 以抗折强度作为主要 目标。 1试验 用原 材料 水 泥 ： 可 采用 4 2 5级或 3 2 5级 ( 4 2 5 R或 3 2 5 R 亦可) 低碱普通硅酸盐水泥或道路水泥。本研究选 用 的是天津某公 司产 4 2 5 R普通硅 酸盐水泥 ， 2 8 d 抗折强度 8 9 MP a ， 抗压强度 4 8 2 MP a 。 粉煤 灰 ： 用 于 道 面 混 凝 土 中的 粉 煤 灰 3 1 应 选 用 I级或 级 ， 这是 因为 ： 粉煤灰 的活性 主要取决 于它本身的细度 ， 颗粒越细 ， 比表面积越大 ， 其活性 越大 ； 粉煤灰的烧 失量 不能过大 ， 当烧矢量大于 8 时 ， 粉煤灰对混凝土的流动性无有利影响 ； 需 水 量 比与粉 煤灰 的细 度 、 烧 失量 有一 定联 系 。 I、 级粉煤灰的需水量比小 ， 可以起到减水作用。 本文试验选用鞍山某 电厂产 级粉煤灰 ， 其化 学成分和物理性能指标见表 1 和表 2 。 表 1 粉煤灰的化学成分 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 迟维胜 ， 范 珉 ， 王晓龙 粉煤灰与钢纤维复合高性能道面混凝土试验研究 钢纤维 ： 选用天津某钢纤维厂的铣削型钢纤维 ( 长 2 6 mm， 长径 比 4 4 6 ) 和鞍 山某 钢 纤 维 厂 的 剪切 平 直 型钢 纤维 ( 长 3 0 m m， 长 径 比 5 4 2 ) 。 细骨 料 ：级 配 良好 的 中砂( 河 砂 ) ，细 度模 数 2 6 0 ， 含 泥量 1 2 。 粗骨料 ： 5 2 0 mm连续级配碎石 。 2 试 验 方案 与 配合 比 根 据钢纤维与粉煤灰复合 高性 能道面混凝土 配合 比设计 2 1 ，通过原材料选择和对水泥用量 、 砂 率 、 石子级配 、 钢纤维等的优选 ， 最终确定了普通 机 场道面混凝土 ( A) 、 钢纤维机场道 面混凝土 ( B ) 、 粉 煤 灰等量取代水 泥配制的钢纤维机场道面混凝土 ( C和 D) 、粉煤灰超量取代水泥配制的钢纤维机场 道面混凝土 ( E和 F ) 和水泥用量不变 ， 粉煤灰作为 微 细集料使用 ( D、 E、 F 、 G) 等七种类 型的混凝土配 合 比 ， 见表 3 。 表 3 试验用混凝 土配合 比 注 ： 粉 煤 灰 掺 人 率 是 指 粉 煤 灰 与 水 泥 重 量 之 比 ( F C) 。 3试 验 结果 与分 析 根据 表 3配合 比配制 的七种混凝 土的抗折强 度都在 5 0 MP a以上 ，均能满足 当前机场道 面混凝 土抗 折强度 的设计要求 。故确定粉煤灰 的最 佳掺 量 ， 从 而降低机场道面混凝土 的建设投资 ， 成为本 研 究 的 首要 问题 。 粉煤灰 的物理与化学作用 主要 在 2 8 d以内发 挥 ，而其火 山灰作用却主要在 2 8 d以后才能发挥。 根据这一特点 ， 我们将试件在养护室 内标养 2 8 d和 3个月后 ， 分别进行了抗折强度试验 ， 试验结果列于 表 4 。 3 1 粉煤灰作为胶结材料等量取代水泥 所谓等量取代 ， 就是粉煤灰的掺加量等于水泥 用量 的减少量 。等量取代的 目的就是减少 水泥用 量 ， 降低成本 ， 同时 ， 在 2 8 d强度损失 较小 的前 提 下 ， 获得后期强度的提高和耐久性 能的改善。本研 究 的配合 比 B、 C、 D即为粉煤灰等量取代水泥 的配 合 比。比较 B、 C、 D三个配合比试件的抗折强度可 以看到 ， 粉煤灰的掺入 降低了钢纤维混凝土的抗折 强度 ， 这是粉煤灰活性低于水泥活性所致 。从试验 结果可以分析出以下几点结论 ： 掺入粉煤灰的钢 纤维混凝土 ， 其 2 8 d抗折强度 随着取代量 的增加而 表 4强度试验结果 降低； 随着混凝土龄期的增长，粉煤灰的活性逐 渐发挥 ， 上述降低作用会逐渐变小； 粉煤灰取代 水泥量 1 0 时 ， B、 C二个配合 比试件的抗折强度值 较接近 。因此 ，建议粉煤灰等量取代水泥 的量 为 1 0 左 右 。 3 2粉煤灰超量取代水泥 研究表明， 粉煤灰的掺入会使钢纤维混凝土的 抗折强度降低 。采用超量取代法 ， 即粉煤灰掺入量 一 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 4期 大于水泥的减少量 ， 可 以将多余的粉煤灰视为微 细 集料。粉煤灰掺入量与水泥的减少量之 比称为超量 系数 ， 其大小与粉煤灰 的质量有关 ， 本试 验取 超量 系数为 1 5和 2 O 。本研究的 D、 E、 F三个配合 比即 为粉煤灰超量取代水泥的配 比。 比较 D、 E、 F三个配 比试件 的抗折强度可 以看出 ， 粉煤灰超量取代水泥 后 ， 其抗 折强度 比等量取代有所 提高 ， 但其强度并 没 有 随着 取代 量 的增 加 而 增加 ， 这 说 明在 给 定 和 W C下 ， 存 在 一个 最佳 粉煤 灰 掺 量 与之 对 应 ， 这 与 普通粉煤灰混凝土 中最佳粉煤灰掺量表现 的性质 一 致 。 3 _ 3 粉煤灰作为微细集料 在该类混凝土配合 比中 ， 水 泥用量不变 ， 粉煤 灰不再作为胶结材料 ， 而是作为微细集料使用 。本 研究 的 D、 E、 F、 G四个配合 比即为该类配合 比。根 据表 3可以看到， D、 E、 F三个配合 比分别 比 G配合 比多掺 了 2 0 、 3 0 、 4 0 的粉 煤灰 ，多 出 的粉煤 灰 是作为微细集料使用 的。由表 4可 以看 出， D、 E、 F 三个配合 比的试件 比 C配合 比试件 的抗折强度提 高 了 1 0 以上 。这表 明原状粉煤灰作为微细集料 ， 在 成 本不 增 加 的情 况下 ， 可 以提 高道 面 混 凝 土 的抗 折强度 ， 并可使混凝土的长期性能和耐久性能得到 改 善 和提 高 。 本试验表 明 ， 粉煤灰掺入率 ( F C ) 在 3 O 一 4 0 时 ， 即相 当于 F ( F + C ) 为 2 0 3 0 时 ， 纤 维道 面混 凝土的抗折强度有较大幅度的提高。 4粉 煤 灰与 钢 纤维 复 合高 性 能道 面 混 凝 土和 易性 指标 对 于机场 道 面新拌 普通 混凝 土 ，现行 标 准 G J B 1 1 l 2 A 一2 0 O 4 军用场道工程施工及验收规范 中 规定 ： 维勃稠度应在 1 5 3 0 s 范 围内， 以 2 0 s 左右为 宜。维勃稠度在这个时间范围内， 振捣时间适当， 混 凝 土 抗 折 强 度 较 高 ， 密 实性 较 好 ， 不 会 发 生 分 层 离 析 ， 混凝土质量易于保证。 对于钢纤维混凝土 ， 钢纤维的掺入会降低? 昆 凝 土拌 合 物 的和 易性 ，这是 因为钢 纤 维 的增 稠 效 应 ， 降低了混凝土的流动性 。而粉煤灰有减水作用 ， 掺 入后会 弥补钢纤维混凝土拌合物流动性差 的缺点。 机 场 道 面钢 纤维 混 凝 土应 具 有 良好 的 和 易性 ， 这 样 才便于满足搅拌 、 运输 、 铺筑 、 振捣 、 整平 、 做面等各 施工环节的要求。根据工程现场的配制试验发现 ， 维勃稠度为 4 0 s 时 ，不仅拌合物所需施工振实时间 与当前施工验收规范的要求相一致 ， 而且所获得混 凝土的抗折强度和密实度都较高。因此 ， 对粉煤灰 道面钢纤维混凝土而言 ， 建议采用维勃稠度仪测定 48 的维勃稠度控制在 2 0 - 4 0 s 范围之 内。 本研究采用维勃仪测得的表 3所述七种混 凝 土配合比拌合物的工作性见表 5所示。由表 5可以 看出， B、 C、 D、 E四个配合 比可以很好地满足机场道 面钢 纤维 混凝 土 的施工 要求 。 表 5 7个混凝土配合 比拌合物 的工作性 5结语 由试验数据可以看出 ， 粉煤灰以三种形式应用 于机场道面钢纤维混凝土 ， 均可满足当前对该类混 凝土的抗折强度设计要求 。但对抗折强度 、 拌合物 工作性及建设成本等 因素综合分析可 以看出 ， 粉煤 灰超 量 取代 水泥 ， 即本文 试 验 的 D、 E二个 配 合 比的 综合效果最佳 ， 原 因是 ： 粉煤灰超量取代水泥强 度降低幅度小 ； 拌合物 的工作性 良好 ； 可使后 期强度提高 ， 并使得长期性能得到改善 ； 可 以降 低成本 ， 节约建设投资。 D配合比与 E配合 比相 比， 随着粉煤灰掺入量 的增加 ， 在提高抗折 强度的同时 ， 会 降低拌合料 的 工 作性 。 需 要 指 出的 是 ，从试 验设 计 的配 合 比可 以看 出 ， 掺入粉煤灰的 四个配 比是 固定的 ， 三种掺人形 式则是相对 的， 是相对于不同的基准而言的。因此 ， 实际工 程 中应根 据 实际情 况具 体分 析 。 此外 ，掺粉煤灰钢纤维混凝土 的配合 比设计 ， 可采 用 文献 2 】 中提 出 的设 计方 法 ， 以确 定 粉煤 灰 的 最佳掺量 。 参考文献 ： 1 国家 发展和改革 委员会 “ 十一五 ” 资源综 合利 用指导意 见【 R 1 北京： 国家发展和改革委员会， 2 0 0 6 【 2 迟维 胜 ， 王硕太 钢 纤维与粉煤灰 复合 高性 能道面 混凝土 配合 比设计 J 混凝 土， 2 0 0 8 ( 7 ) 【 3 中国国家标 准化 管理委 员会 G J B 1 5 9 6 -2 0 0 5用 于水 泥 和混凝土 中的粉煤灰 S 北京 ： 中国标准出版社 ， 2 0 0 5 4 中国国家标准化管理委员会 G J B 1 1 1 2 A 一2 0 0 4 军 用机场 场道工程施工及验 收规范【 S 北京： 中国标准出版社 ， 2 0 0 4 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 3 作者简介 ： 迟维胜 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 副教授 。 通讯地址 ： 陕西省 西安市空军工程大学 工程 学院机场建 筑工程 系 联 系 电话 ： 1 8 9 9 1 1 2 2 3 6 9 E- ma i l ： c h iwe i s h e n g y a h o o c o m c a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m