宝鸡Ⅱ级粉煤灰在高强高性能混凝土中的应用.pdf

文章编号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 2 6 0 3 t f - 理论獗究 宝鸡 l I 级粉煤灰在高强高性能混凝土中的应用 T h e C h a r a c l e r is l i c s 0 f B a 0 j i I I _ G r a d e F l y A s h a n d I t s A p p fi c a fi o n o f H ig h - S t r e n g t h a n d H ig h - P e r f o r m a n c e C o n c r e t e 崔庆怡，陈社生，黄沛增 ，斯方海，王宝卿 ( 陕西省建筑科学研究 院，西安 7 1 0 0 8 2 ) 摘要 ： 借 助法 门寺这 一 国家重点工程 中大掺 量粉煤灰 的应 用，深入研 究分析 了粉煤 灰对混凝 土性能 的改善 ，并通过扫描 电 镜等手段展现 了其水化过程。粉煤灰对混凝土的作用应按第四组分考虑，而不单纯是水泥的替代品。 关键词 ： 粉煤灰 ；高强高性能 混凝 土 ；水化 ；配 合比 中 图分类 号 ：T U5 2 8 3 1 文 献标 识 码 ：A 0前 言 粉煤灰已成为现代混凝土的配置中尤其是高性能混凝土 中不可或缺的组成部分。有专家认为粉煤灰按混凝土的第 四组分考虑，而不单纯是水泥的替代品 。陕西宝鸡电厂 级粉煤灰烧失量低、需水比小，虽然细度稍粗，但仍可 在高强高性能混凝土中应用，并取得较好的技术经济效益。 法门寺合十舍利塔工程是我国在建的最高的佛教建筑 物，总高 1 4 7 m呈双手合十状，设计使用寿命 l 0 O年。该 工程采用了大量多类型的高性能混凝土，包括高性能高强 混凝土、高性能大体积混凝土 、高性能超高层高强大流动 性混凝土，施工过程经历暑期高温和冬季严寒等施工阶段 ， 多种类高性能混凝土给混凝土施工过程带来了巨大的挑战。 1粉煤灰性能的研究 法门寺混凝土工程设计单位提出要用 I 级粉煤灰，而 且对R ： 0要有限制。考虑到_T程实际情况，能否采用宝鸡 生产的 级粉煤灰，则是配制法门寺工程的原材料的重大 课题。 宝鸡级粉煤灰的性能如表 l 所示，表中第一行参 数为 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 ( G B 1 5 9 6 2 0 0 5 ) 的相关指标。 表 l 宝鸡 级粉煤灰性能指标 品种 烧失量 需水比 细度 s O 3 含水率 C a O 粉煤灰 I 级 F 类 牛 5 9 5 1 2 3 1 1 宝鸡I f 级粉煤灰 0 3 8 8 6 1 8 5 0 7 9 0 宝鸡级粉煤灰的各项指标除细度外，其余均达到I 级灰的要求，从性能参数中可以看出其烧失量极低，即含 2 6 CoAL As H 3 201 0 碳量很低，而且需水量也满足 I 级灰的要求，这些就为能 够在该工程中使用取代 l 级灰提供重要的技术可行性。 对 4 5 I X m以下粉煤灰颗粒进行分析 ， 数据如表2 所示。 表 2 三种粉煤灰 ( 粒径 4 5 u m)对比 备注： 平圩、南京电J I 级灰数据来源 宝鸡 I I 粉煤灰粒径分布数据来源 长江科学院的研究表明 ，粉煤灰细度和需水量的相 关系数仅 0 4 5 ，即相关性不大，而需水比与粉煤灰中 4 5 m颗粒中 0 1 0 m颗粒含量有明显的正相关 ，相关 系数为 O 8 5 ，利用这一理论研究成果，印证了宝鸡粉煤灰 虽然细度超过 I 级粉煤灰 1 2 的指标，但仍有较低的需 水比，可以满足配制 C 6 0混凝土低水胶比的需求。 2胶凝材料中水泥和粉煤灰比例变化对混凝土性能影响 粉煤灰混凝土试验所选用的原材料：水泥，盾石牌 P 0 4 2 5低碱水泥；砂子，渭河 中砂；石子，北山石灰石 质碎石；粉煤灰，宝鸡二电厂 级粉煤灰；膨胀剂，西 安荣鑫；减水剂，X C型聚羧酸系高效减水剂，陕西省建 筑高新技术开发公司生产。宝鸡二电厂 级粉煤灰性能见 表 1 。 下面的试验反映了在混凝土拌合物中，当胶凝材料总 重不变，水泥和粉煤灰比例变化，拌合用水在 ( 1 4 0 2 ) k g 范围内，砂、石、膨胀剂不变时。拌合物性能和抗压强度 变化情况。 从表 3 、表 4 、 图 1 中可以看出，粉煤灰掺量从 1 3 4 一 2 8 8 变化时，在外加剂 P C A掺量为 4 5 k g m 时，坍 落度和扩展度变化不大。倒提时间最长的 K T I为 1 6 s ， 黏度较大，尽管坍落度和扩展度都是最大，预示将来泵送 会有一定困难。 表 3 胶凝材料组分不同比例混凝土配合比 k g m 表 4 胶凝材料组分不同比例的混凝土性能 注： “ 倒提”为混凝土坍落度简倒置装入拌合物后，提离地面 5 0 0 m i l l 所需的排空时间 ( S )。 7 o o 目 6 0 0 5 0 0 噬 4 0 0 3 0 o 睿 2 o 0 1 0 o 1 2 1 4 1 6 】 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 粉煤灰掺量变化 ( 占胶凝材料) 图 l 粉煤灰掺量变化对混凝土拌合物性能的影响 7 8 0 5 7 0 4 4 。 5 3 5 l 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 S 3 0 粉煤灰掺量变化 ( 占胶凝材料) 图 2 粉煤灰掺量变化对混凝土抗压强度影响 从表 4 、图 2中可以看出，从抗压强度变化看 ，混凝 土早期强度随粉煤灰掺人量增加有下降趋势。但 2 8 d强 度掺人 1 7 4 有峰值达到 7 3 0 M P a ，5 6 d标养强度均有 较大幅度提高。 3宝鸡二电厂 I I 级粉煤灰混凝土耐久性试验研究 3 1 C 6 0粉煤灰混凝土配合比 经过现场多次试配，采用表 5配合比混凝土 ( 即为 试配中的 K F 一 3配比)在拌合性能和力学性能达到最佳的 设计和施工要求，因此按此配比进行混凝土耐久性试验。 表 5 C 6 0混凝土耐久性能试验配合比 k g m 3 2耐久性试验数据及结果分析 参照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 ( G B J 8 2 8 5) 标准进行试验研究。结果如表6所示。 表 6 混凝土耐久性试验数据 ( 1 ) 快速冻融试验 3 0 0次后，重量损失 2 5 0 ，动弹 模量为初始值的9 2 ，说明在比实际使用条件更为苛刻的 试验室条件下，可以满足要求 ，混凝土质量是 良好的。 ( 2)抗氯离子渗透 ，与国外新近建造的设计寿命为 1 0 0 年的重大工程的数据对 比如表 7 所示。 表 7 与国外新近重大工程的氯离子扩散系数比较 而上述的工程均为海洋工程，对氯离子渗透要求十分 严格，因此 ，对法门寺合十舍利塔这样位于内陆地区，周 围环境氯离子浓度很低 ，而本工程混凝土氯离子扩散系数 为1 4 8 7 1 0 m s( 5 6 d) 达到耐久性设计要求。 ( 3 ) 混凝土碳化实验，根据资料 介绍快速碳化试验 深度小于 2 0 m m，相当于大气环境下二氧化碳 ( C O ： ) 碳 化 5 O 年的作用结果。本次快速碳化试验的结果，碳化深 度 0 1 m m，依据推算应在 1 5 O年以上。 ( 4) 从法门寺合十舍利塔工程实际中看出，在 C 3 5 混凝土中掺入宝鸡 级粉煤灰 1 6 0 k g m ( 掺入量为 3 5 )， 3 2 0 1 0 粉 煤灰 2 7 C 6 0混凝土中掺人 1 2 0 k g m ( 掺入量为2 3 )，混凝土 力学性能和耐久性能都达到设计要求。 表 8 掺宝鸡 级粉煤灰的 C 3 5和 C 6 0混凝土性雒 C 3 5 混凝土1 年强度增长达到设计强度的 1 6 5 ，C 6 0 混凝土标养 1 年强度增长达设计强度的 1 4 2 。混凝土耐 久性能都达到良好的水平。 4 不同龄期混凝土中粉煤灰表面水化进程的研究 通过扫描电镜分析不同龄期阶段混凝土中的粉煤灰表 面形态的变化 。 一 一 缝隙；水化中期，间隙中已有水化产物形成； 水化一年后， 有一定厚度水化产物形成，水化层厚分度达到纳米级。通 过分析观察不同时间粉煤灰在水泥浆体包裹之中，玻璃球 表面形成的水化产物过程 ，界面状态有明显的变化，更为 致密，混凝土强度提高，抗渗性能改善，有利于限制离子 的运动，玻璃球表面反应速度较慢，裂缝是水分蒸发，玻 璃球表面吸附水层失去水分而形成的。 从粉煤灰玻璃球表面形态和裂缝随时间的变化可知： ( 1 ) 常温下粉煤灰水化过程是缓慢的， 2 8 d天尚有界 面存在。 ( 2 ) 水化后的界面附近的胶凝材料是致密的，可以解 释掺粉煤灰混凝土的后期宏观强度能持续增长。 ( 3 ) 粉煤灰玻璃球与水泥水化产物氢氧化钙 ( C a ( O H ) ) 的火山灰反应更加充分。一年标养后二次水化产物可达到 1 0 1 0 0 n m这个数量级。粉煤灰玻璃球与水泥石形成的 界面，有效地阻断了水泥石孔隙网络空间结构的发育，因 而可以大幅度提高水泥石抗渗透能力，阻止各类有害离子 的侵人和渗透、宏观上测出的电通量和氯离子渗透系数达 到 “ 低渗透”水平， 混凝土材料的耐久性得到明显的提高。 图3 宝 鸡 I I 级 粉 煤 灰 原 状 灰 图4 c 6 0 混 凝 土 中 的 粉 煤 灰( 标 养 龄 期 2 8 d ) 5结 论 一 一 图5 混 凝 土中 粉 煤 形态( 标养 龄 期5 6 d ) 图6 混 凝 土中 粉 煤 灰( 1 3 6 0 d ( 1 ) 图 3 中的粉煤灰玻璃球直径 4 0 0 4 0 0 0 n m， 其特 征： 球体外形圆整； 部分小球颗粒黏附在大球表面； 球体外层有薄层沉淀物。图 4中C 6 0混凝土中的粉煤 灰颗粒形态： 球体外形圆整； 球表面与图 3 对比未 有明显变化； 粉煤灰颗粒与周围凝胶体有小缝隙，间 隙为 5 0 0 n ln左右 ，说明该区域尚未被水化产物所填充。 图 5混凝土中粉煤灰玻璃球特征： 球和周边间隙逐步 减小， 但仍有痕迹； 大球缝间隙细微纤维状物体形成， 方向指向球心，说明 5 6 d时粉煤灰玻璃球表面间隙间已 形成部分水化产物。图 6中的粉煤灰空心玻璃球特征： 球表面形成多层胶凝体； 球体与周围水化产物黏连 成一体； 黏结牢固，足以在破型时将粉煤灰球体 ( 漂 珠 ) 挤破； 从破碎的球体断面看，粉煤灰球壳体厚度 约 1 0 0 n m，粉煤灰外层水化产物厚度在 1 0 2 0 n m； 浆体未发现裂缝。 ( 2 )由图3 图6 说明： 混凝土水化早期，玻璃球表面吸 附水，还未水化形成低钙型水化产物 ，水分蒸发后留下的 2 8 CD 日 3 2 01 0 ( 1 ) 优质粉煤灰的掺入，可降低混凝土需水量，持续 增强水泥石的强度和改善水泥石结构的抗渗性。 ( 2 ) 粉煤灰中含碳量、需水量比对强度影响较大， 应 严格达到标准等级要求，对细度不必苛求， 在 4 5 m以下 颗粒中 0 1 0 m颗粒含量与需水量呈明显正相关。 ( 3) 混凝土早期强度会随粉煤灰掺人量增加有下降 趋势，但后期强度却有较大程度的增长，且随着时间的 长，水化的深入，混凝土耐久性能得到持续的改善。 ( 4) 粉煤灰玻璃微珠在水泥石中与水化产物氢氧化 钙 ( c ( o r t ) ) 二次水化过程，随着时间延长粉煤灰玻璃 微珠表面因水化产生的胶凝物质在不断增加，其厚度可达 到 l 0 1 0 0 m。 参考文献 【 1 吴L f 伟，廉慧珍 高性能混凝土 中国铁道出版社，l 9 9 9 2 】粉煤灰检测报告 陕西省建筑工程质量检测中心，陕建检字 ( 2 0 0 7 )第 2 7 ， 0 7 9 号 3 王述银等I 级粉煤灰的减水特征研究 粉煤灰，2 0 0 1 ( 3 ) 4 】粉煤灰图像分析检测报告 武汉理工大学材料研究与检测中心，2 0 0 8 ( 9 ) 5 】 廉慧珍等 混凝_ ： 耐久性设计与施工指南 中国建筑工业出版社，2 0 0 4 6 】粉煤灰扫描电镜照片 武汉理工大学材料研究与检测中心，2 0 0 8 ( 9 ) 收稿日期： 2 0 1 0年 2月 1口