掺粉煤灰水工混凝土的工作性和抗压强度.pdf

1 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 2期( 总第 1 8 6期 ) 掺粉煤灰水工混凝土的工作性和抗压强度 张守杰 李学英 李风泉 ( 1 黑龙江省水利科学研究院 ， 哈尔滨1 5 0 0 8 0； 2 哈尔滨工业大学土木工程学院 ， 哈尔滨1 5 0 0 0 6； 3 天津水 泥工业设计研 究院 ， 天津3 0 0 4 0 0) 【 摘要】 论文研究了粉煤灰对水工混凝土的新拌性能和抗压强度的影响。研究结果表明在粉煤灰掺量为 4 0 以内时， 水工混凝土的含气量和流动性有所增加， 在 2 8 d前， C 2 5混凝土抗压强度随掺量的增加而降低 ， 但 5 6 d 以后强度随着粉煤灰掺量的增加而逐渐提高。C 3 0和 C 4 0混凝土的早期强度随粉煤灰掺量的增加出现波动 ， 但 9 0 d的抗压强度逐渐提高。 【 关键词】 水工混凝土， 粉煤灰 ， 新拌性能， 抗压强度 【 中图分类号】 T U 5 2 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 1 2 0 2 水工混凝土经常接触水或者液体介质， 因此经常出现 裂缝或者介质侵蚀等现象， 影响了水工混凝土的使用寿命。 其原因在于目前水工混凝土为了降低成本， 多采用低强度 等级的混凝土， 混凝土中的水泥用量相对较少 ， 粗骨料不能 完全被水泥浆体包裹， 导致混凝土局部存在骨料与骨料的 硬接触， 产生了初始裂缝， 这样在有水或者水压较高的环境 下 ， 水分渗入裂缝孔隙溶解了水泥石内部的氢氧化钙 ， 使得 氢氧化钙随着流水流失， 进一步引起水泥凝胶体的分解， 导 致混凝土裂缝的扩大， 如果混凝土 自身的强度难以抵抗裂 缝的扩大， 则降低了混凝土的使用寿命。为了提高水工混 凝土的寿命 ， 可以掺加粉煤灰等矿物掺合料制备高强度等 级的水工混凝土， 一方面可以降低混凝土的成本， 另一方面 混凝土可以降低水工混凝土的水化热， 减少初期裂缝的产 生， 同时粉煤灰发生的二次水化反应可以消耗一部分氢氧 化钙， 降低水泥混凝土发生腐蚀的风险。本课题采用大掺 量粉煤灰制备水工混凝土。 试验研究表明， 粉煤灰取代水泥可以改善新拌混凝土 的和易性， 可用粉煤灰形态效应中的“ 解絮作用” 和“ 滚珠轴 承作用” 来解释。粉煤灰颗粒是大小不等的球状颗粒的 玻璃体， 表面光滑致密， 可减少水泥颗粒间、 水泥颗粒与集 料间的摩擦。因此有利于改善新拌混凝土的流动性能。同 时， 粉煤灰可有效分散水泥颗粒 ， 消弱水泥颗粒聚集成团现 象， 从而生成更多的浆体包裹骨料。粉煤灰的微细颗粒也 有利于改善混凝土的颗粒级配 ， 降低混凝土固体材料混合 物间的空隙量 ， 减 少混 凝土拌 合物 达到 一定 稠度 指标 的需 水量 。 本研究选取了3个强度等级的混凝土配比， 并且采取了 大掺量粉煤灰取代水泥作为胶凝材料， 通过试验测得大掺 量粉煤灰水工混凝土的坍落度 ， 以及混凝土的含气量。同 时研究了水工? 昆 凝土的强度随粉煤灰掺量的变化规律。 1 原材料及配合比 本试验选用的水泥为哈尔滨水泥厂生产的 P O 4 2 5级 普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用哈尔滨第三发电厂生产的 级 F类粉煤灰， 4 5 u m方孔筛筛余 1 5 ， 需水量 比为 1 0 0 ， 烧失量 4 。 表 l 水工混凝土配合比 本试验根据 D L T 5 3 3 0 -2 0 0 5 设计强度等级为 C 2 5 、 C 3 0 和C 4 0的水工混凝土， 具体混凝土配合比见表 1 。其中大掺 量粉煤灰混凝土配合 比设计过程中， 水胶 比中线性 回归系 数 A、 B的选择参考粉煤灰的回归系数， 见表 2 。 表2 常态水工混凝土回归系数 A和曰的参考值( 9 0 d ) 基金项 目 黑龙江省水利厅科研开发重点项 目资助( HS K Y 2 0 0 9 0 4) 张守 杰等： 掺粉煤灰水工混凝土的 工作性和抗压强度 1 3 2 粉煤灰对水工混凝土新 拌性 能的影响 目 20 o 簇l 5 0 骞1 0 0 赆5 O 0 粉煤灰掺量， 图1粉煤灰与混凝土含气量关系 0 l 0 2 0 3 0 4 0 粉煤灰掺量， 图2 粉煤灰与c 4 o - r - 混凝土坍落度 的关系 粉煤灰掺量， 图3 C 2 5 水工混凝土抗压强度 图 1 和图2分别为相同强度等级的水工混凝土， 在不同粉煤灰掺量的含气量和坍落度变化情况。结果 表明， 在标准养护条件下 ， 粉煤灰掺量为水泥取代量的 4 0 以内， 随着粉煤灰的掺量增加， 混凝土的含气量和 坍落度都呈递增趋势， 尤其是 C 4 0水工混凝土的含气 量随着粉煤灰掺量的提高， 含气量增加幅度很大。由 于粉煤灰主要是球形玻璃体颗粒 ， 表面致密光滑， 减小 胶凝材料颗粒问以及胶凝材料与集料的摩擦， 从而增 加了新拌混凝土的流动性和坍落度。粉煤灰颗粒还能 够分散水泥颗粒的聚集成团， 混凝土拌合物的浆体量 增加， 新拌 昆 凝土的含气量也有所增加 ， 含气量的增加 又有利于混凝土坍落度增加。综合分析， 粉煤灰取代 水泥作为胶凝材料， 可有效提高新拌混凝土的工作性。 3粉煤灰对水工混凝土抗压强度的影响 混凝土抗 压强 度是结 构 混凝 土最 主要 的力 学性 能， 也是影响水工混凝土抗磨蚀的最主要的因素 j 。 本试验采用了大掺量粉煤灰取代水泥配制水工混凝 土， 在抗压强度方面进行了2 8 d 、 5 6 d和 9 0 d三个不同 龄期的测试， 制作的试件为 l O O m ml O O m ml O O m m 的立方体试块 ， 将测得的抗压强度数据乘以系数 0 9 5 换算成标 准抗压强 度， 得 到混凝 土 的抗 压 强度见 图 3一图 5 。 粉煤灰掺量， 图4 C 3 0 水工混凝土抗压强度 由图3可以看 出随着粉煤灰掺量增加水工混凝土 2 8 d 抗压强度所降低， 而 5 6 d和 9 0 d强度持续增长。图4和图 5 反映了 C 3 0和 C 4 0水工混凝土抗压强度， 随着粉煤灰掺量 的增加， 2 8 d和 5 6 d的抗压强度总体呈现增长趋势。在粉煤 灰 3 0 掺量时出现反常波动， 这一点可能是由实验过程中 出现的误差所致或者是别的原因， 目前还没有得到确切的 结论。总体看来 ， 在大量掺入粉煤灰情况下， 水工混凝土的 抗压强度前期增长缓慢 ， 9 0 d强度持续增长， 说明粉煤灰很 大程度上减少了早期胶凝材料水化速度快， 水化热集中导 致的温度 、 收缩裂缝 ， 从水工混凝土原材料角度提高了水工 混凝土的强度。 4 小 结 论文主要介绍了粉煤灰对新拌水工混凝土的工作性和 硬化后混凝土力学性能的影响规律。本试验研究的粉煤灰 掺量范围内得出的如下结论 ： 粉煤灰掺量 图5 E 4 0 水工混凝土抗压强度 ( 1 ) 水工混凝土含气量和坍落度随粉煤灰掺量增加， 均呈递增趋势， 可有效改善了水工混凝土的浇筑成型质量。 ( 2 ) 不同龄期水工混凝土的抗压强度随着粉煤灰掺 量增加而有所变化。总体表现为 ， 前期增长较缓慢或者发 生波动现象， 后期强度持续增长。说明利用大掺量粉煤灰 可以制备符合长期强度要求的水工混凝土。 参考文献 1 覃维祖 大掺量粉煤灰混凝土与高性能混凝土 J 混凝土与 水泥制品， 1 9 9 5 2 4 ( 2 ) ： 1 6 1 9 2 牛慧 粉煤灰对新拌混凝土性能的影响 J 潍坊学院学报， 2 0 0 8， ( 1 1 ) ( 下转第 1 8页) 、 蚓 舡 鐾一 印 卯鹌 口 d 善 黑 刊媒赔 善 黑出辖 翟 芝雠骶幽辐 媒首 1 8 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 2期( 总第 1 8 6 期) 水泥用量越小， 预测效果越差， 而且， 对于掺粉煤灰的构件 误差高达 8 0 ， 再次说明水灰比虽然是影响碳化的重要因 素， 但仅考虑水灰 比这单一 因素建立模型效果并不理想。 基于混凝土强度的中科院模型以及理论与试验结合的张誉 模型， 误差均在在4 o 6 0 ， 但张誉模型更优。基于抗压 强度的中科院模型虽然考虑了水泥品种、 环境条件等修正， 但修正值较粗糙， 而张誉模型直接引入了相对湿度对环境 条件修正。对于许丽萍模型、 中科院模型， 张誉模型， 分别 通过参数 K 、 等考虑水泥品种等因素， 对 比结果发现对 于掺粉煤灰的水泥碳化深度的计算， 预测效果较好， 尤其是 许丽萍模型， 对于掺粉煤灰的 7号构件， 误差只有 5 左右 ， 说明更全面地考虑影响碳化的因素建立预测模型非常有实 际意义 。 3 存在上限值的新模型 ( 1 ) 存在上限值的新模型。前面已经总结 ， 目前一般 认为碳化深度大致与碳化时间的平方根成正比， 碳化深度 随时间流逝不断增大， 不存在上限值。近期 ， 波兰的 L e c h C z a r n e c k i 教授近期 提出了以下新模 型 ： 立的模型效果并不理想， 全面地考虑水灰比、 环境条件等影 响碳化因素建立预测模型有待进一步研究。传统碳化模型 中， 碳化深度并不存在上限值 ， 文中还介绍了近来 L e c h教授 提出的碳化深 度存在 上限 值 的新模 型 ， 并对这 一最新 研究 成果进行了初 步讨论 。 参考文献 1 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学技 术出版社 ， 2 0 0 3 2 阿列克谢耶夫 著 钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护 M 黄可信 ， 吴兴祖 ， 等， 译 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 3 3 岸谷孝一 铁筋混凝土的耐久性 M 日本： 鹿岛建设技术研 究所出版部 ， 1 9 6 3 4 许丽萍， 黄士元 预测混凝土中碳化深度的数学模型 J 上 海建材学院学报 ， 1 9 9 1 ， 4 ( 4) ： 3 4 73 5 6 5 邸小坛 ， 周燕 混凝土碳 化规律 的研究 R 北京 ： 中国建 筑 科学研究院结构所 ， 1 9 9 4 =A+Cw bB t - 。 ( 7 ) 6 张誉， 蒋利学 基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模 式中， A、 B、 C为拟合参数； w b 为水胶比。 由预测式( 7 ) 可以发现， 该模型与以往的模型最大的区 别在于， 认为混凝土的碳化是一个 自我限制过程， 碳化深度 存在上限值。 ( 2 ) 关于上限值存在与否的讨论。L e c h认为碳化存 在上限值， 主要是基于C a C O 和其他固态碳化产物体积增 大， 将填充混凝土孔隙， 使得混凝土密实度提高， 阻碍了后 续的C O ，的扩散 ， 甚至孔隙完全填满而导致其传质能力降 低 ， 甚 至为零 。其 历时 6年 的混凝土碳化试验 结果表 明 ， 混 凝土由于碳化使得孔隙度降低了 2 0 2 5 。学者 V i l l a i n G_ 9 的研究成果 也表明碳化导致混凝土孑 L 隙度可降低 4 0 。 然而， 根据郭斌等人 。 。 的研究成果表明， 混凝土中水化 硅酸钙碳化后其体积变小， 理论上应该与前期氢氧化钙碳 化产生的碳酸钙体积膨胀有所抵消。亦即在后期 ， 随着水 化硅 酸钙 的碳化 ， 混凝 土 的孔 隙度应该 会变 大。混 凝土 的 传输能力理论上应该不会降低到零 ， 从这个意义上 ， 该上限 值不应存 在。 L e c h的研究 中 ， 对试验试件运用模型计 算 ， 得出混凝 土 碳化深度值不超过 2 0 m m。而我国工程实际中， 钢筋混凝土 保护层厚度一般在 2 5 m m以上 ， 而即使是 2 5 m m厚的保护层 厚度下， 钢筋锈蚀的实例也不胜枚举。纵然， 有水泥成份及 其他因素的差异性影响， 但是碳化深度是否存在上限值还 有待进一步的研究。 4 结语 一 般均认为混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正 比， 如 =k 形 式。为了建立碳化系数 k的表达 式 ， 国内 外学者从不 同角度 ， 运用 不同方法 ， 形成 ： 理论 模 型 ， 以经 典扩散理论为基础 ； 经验模型， 基于试验和实际工程调查 结果； 扩散理论和试验结果结合的模型。文中对不同模 型进行了分析以及基于工程实测数据的计算比对。文中许 丽萍模型总的预测效果较优 ， 经 比较发现基于单一因素建 型 J 工业建筑 ， 1 9 9 8， 2 8 ( 1 ) ： 1 61 9 7 张令茂， 江文辉混凝土 自 然碳化及其与人工加速碳化的相 关性研究 J 西安建筑科技大学学报， 1 9 9 0 ， 2 2 ( 3 ) ： 2 0 7 8 C z a r n e e k i L， Wo y c i e c h o w s k i C o n c r e t e c a r b o n a t i o n a s a l i m i t e d p r o c e s s a n d i t s r e l e v r l c e t o c o n c r e t e c o v e r t h i c k n e s s J A C I Ma t e r i a l s J o u r n al， 2 0 1 2 ，1 o 9 ( 3 ) ：2 7 5 2 8 2 9 V i l l a i n G，P l a t r e t G T w o e x p e r i m e n t a l m e t h o d s t o d e t e r mi n e c a r b o n a t i o n p r o fi l e s i n c o n c r e t e J M a t e r i a l s J o u rnal ， 2 0 0 6 ， 1 0 3 ( 4 ) ： 2 6 5 2 7 1 1 O 郭斌， 闵盘荣， 王国宾 水化硅酸钙的碳化作用 J 硅酸盐 学报 ，1 9 8 4， 1 2 ( 3 ) ： 2 8 92 9 5 收稿 日期 2 0 1 3一l 01 O 【 作者简介 袁琴( 1 9 8 9一) ， 女 ， 重 庆忠县人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向： 混凝土结构研究。 ( 上接 第 1 3页) 3 R A V I N A D， ME H T A P K P r o p e r t i e s o f F r e s h C o n c ret e C o n t ai n i n g L a r g e A m o u n t s of F l y A s h J C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ，1 9 8 6 ， 2 ( 1 6 ) ： 2 2 7 2 3 8 4 Y E N T ， H S U T H， L I U Y WI n f l u e n c e of C l a s s F F l y A s h O n t h e Ab r a s i o n e r o s i o n R e s i s t a n c e o f Hi g h -s t ren g t h C o n c ret e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 7 ， ( 2 1 ) ： 4 5 8 4 6 3 5 冷发光， 冯乃谦 高性能混凝土渗透性和耐久性及评定方法 研究 J 低温建筑技术 ， 2 0 0 2， ( 4 ) ：1 41 6 6 S i d n e y Min d e s s 混凝土 第二版 M 吴科 如， 译 北京 ：化学 工业 出版社 ， 2 0 0 5： 6 1 6 7 收稿日期 2 0 1 3 1 1 1 4 作者简介 张守杰( 1 9 6 4一) ， 男 ， 哈尔滨人 ， 教授 级高工 ， 从 事水工混凝土耐久 性方 面研究 。