粉煤灰对再生混凝土性能影响的研究.pdf

全 国中文核心期刊 斩 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 粉煤灰对再生混凝土性雒影响硇研究 许 元 ( 浙江广 厦建设职业技术学院， 浙江 东阳3 2 2 1 0 0 ) 摘要 ： 分析了粉煤灰修复再生混凝土内部孔隙和微裂纹的效应及改善再生混凝土性能的作用。 结果显示， 掺入粉煤灰可以提升 混凝土工作性能、 提高抗氯离子渗透能力、 增加密实度 。在标准配 合比下 ， 当粉煤灰掺量 为 3 0 时 ， 能提高混凝土强度 3 2 MP a 。 关键词： 粉煤灰； 再生混凝土； 抗压强度； 氯离子扩散系数 中图分类号： X 7 8 1 5 ； T U 5 2 8 1 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 7 2 0 3 Re s e a r c h on t he i n flu e nc e o f fly as h t o t he pe r f o r m a nc e of r e c y c l e d c o nc r e t e U Yua n ( Z h e j i a n g Gu a n g s h a C o l l e g e o f T e c h n o l o g y ， D o n g y a n g 3 2 2 1 0 0 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ) 近年来， 随着我国大规模城市化进程的加快， 建筑垃圾据 保守估算已经超过 2 0 亿t ，其中废弃混凝土就占了很大部 分。 当前处理建筑垃圾主要采用直接填埋或堆放等传统方式， 占用大量土地资源的同时， 也造成了环境污染。 浙江许多城区 周围， 建筑垃圾已经无处堆放， 只能拉到更远的地方， 建筑垃 圾的运输成本也在大幅度增加。 另一方面， 随着我国经济建设 飞速发展， 基础建设规模的加大， 建筑材料需求大量增加， 天 然砂石也随着开采量的增加日益匮乏， 正面临短缺。 建筑废料 的再生利用， 是解决建筑垃圾处理量， 减少天然骨料使用量， 减少建筑材料运输量的重要出路。粉煤灰是燃煤电厂排出的 主要固体废物， 我国每年的排放量达数亿吨， 大量的粉煤灰不 加以处理， 就会产生扬尘， 造成大气污染。利用粉煤灰的特性 对它进行研究和应用， 也越来越受到人们的广泛重视。 再生混凝土是在混凝土配制过程中掺入经除土、 破碎、 筛 分等工艺制成的再生骨料。 实验研究表明， 再生混凝土的主要 技术性能相对于普通混凝土有所降低，再生混凝土和普通混 凝土的本质区别在于骨料的不同。 再生骨料的特点、 力学性能 及搅拌到混凝土内界面过渡区的性能，是影响再生混凝土性 能的主要因素l 11 。粉煤灰具有形态效应、 活性效应、 微集料效 应的物理化学性质。本文研究粉煤灰对改善再生混凝土性能 的影响。 基金项 目： 金华市科技局科 技项 目( 2 0 1 1 - 3 0 8 6 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 5 作者简介 ： 许 元， 女， 1 9 6 3年生， 浙江东阳人 ， 副教授 ， 高级工程师 ， 主 要研究方 向土木工程材料应用 。地址 ： 浙江省 东阳市广福 东街 1号， E ma i l ： 3 7 5 4 4 8 9 7 2 q q c o m。 7 2 新型建筑材料 2 0 1 2 7 1 试验 1 I 试验方案 ( 1 ) 用水灰比1 0 的稠度来配制强化浆液， 研究粉煤灰对 再生骨料性能的影响； ( 2 ) 将粉煤灰按不同比例取代水泥， 研究其对混凝土施工 性能和强度的影响； ( 3 ) 用快速氯离子迁移系数法， 研究粉煤灰掺量对再生混 凝土氯离子渗透性的影响。 1 2 主要试验材料 粗骨料： 取自某道路改造工程的废弃混凝土， 经破碎、 筛 分、 清洗等工序， 选择5 0 3 1 5 m m连续级配； 水泥： 选用浙江 兰溪某公司生产的P 0 4 2 5 级水泥， 4 5 m筛筛余2 5 ， 其性 能指标见表1 ； 粉煤灰： 选用浙江台州某电厂产 I 级灰， 其性 能指标见表2 ， 化学成分见表3 。 表 1 P 0 4 2 5 级 水泥 的性能指标 细度 烧失量 标准稠度 胶砂 混凝土 ( 4 5 Ix m筛筛余) ， ， 用水量 比， 用 水量 比 用水量比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 许元： 粉煤灰对再生混凝土性能影响的研究 2 试验结果和分析 2 1 对吸水率、 含水率、 表现密度、 压碎指标的 影响与分析 试验分别采用纯水泥浆液、 纯粉煤灰浆液、 水泥( 占 7 0 ) 和粉煤灰( 占3 0 ) 混合浆液对再生粗骨料进行浸渍， 浸渍后 与天然碎石骨料、 未强化再生骨料进行物理力学性能的比较。 本试验主要以J G J T 2 4 o _ _ 2 0 1 l 再生骨料应用技术规程 和 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 建筑用卵石、 碎石 为依据测试再生粗骨 料的吸水率、 含水率、 表观密度、 压碎指标值等技术性能指标， 结果见表4 。 表 4 骨料 的性能指标 由表4可知， 未强化的再生骨料与天然骨料相比， 物理性 能下降较多， 吸水率提高了 1 2 7 6 ， 含水率提高了2 7 0 0 ， 表观密度下降了1 0 1 ， 压碎指标提高了4 2 0 。 经过浆液浸 渍后再生骨料的 物理性能比 未处理的再生骨料有了较大改 善， 吸水率降低了4 7 1 6 _3 ， 含水率提高了4 6 5 1 2 7 0 ， 表观密度提高了5 7 6 7 ， 压碎指标降低了1 0 7 1 4 5 。 表明粉煤灰浆液浸渍作用比单纯水泥浆浸渍作用对骨料的物 理性能改善略好。 由于再生粗骨料颗粒棱角多， 表面粗糙， 孔隙率大， 引起 再生粗骨料吸水率和含水率大比率增大以及表观密度降低。 而再生骨料表面粘附的原有混凝土硬化水泥砂浆含量达 4 0 以上闭 ， 在破碎过程中， 其内部往往会产生大量的微裂缝， 它破坏了粗骨料本身的结构，直接影响再生骨料抵抗压碎的 能力， 使其压碎指标上升。 再生粗骨料经浆液浸渍后， 表面被裹了厚厚一层浆液， 浆 液硬化后在一定程度上降低了骨料的吸水率； 含水率和表观 密度的提高说明浆液在一定程度上填充了再生粗骨料的微裂 纹， 降低了再生粗骨料的孔隙率及孔隙中的含气量； 再生粗骨 料经浆液强化后， 压碎指标有所降低， 证明浆液对再生粗骨料 的孔隙有填充作用， 对内部产生的微裂缝有粘合修复作用， 从 而提高了再生粗骨料本身的强度。根据对再生粗骨料进行的 电镜扫描分析研究，混凝土破碎时产生的大量裂缝宽度一般 为 1 5 9 5 0 0 m 13 1 。从试验数据上看， 对再生骨料内部裂纹及 孔隙进行填充修复， 用优质粉煤灰浆液( 细度 9 8 ) 比水泥 浆液( 细度 2 5 0 ) 效果好。 2 2 对和 易性和抗压强度的影响与分析 本试验根据J G J 5 5 2 o 0 0 普通混凝土配合设计规程 要 求进行配合比设计，再生骨料混凝土立方体标准试块配制强 度 ， 。 = 3 8 2 3 M P a 。 水灰比为0 4 3 ， 砂率3 5 ， 全部使用天然中 砂， 粗骨料最大粒径3 1 5 m m ， 连续级配， 粉煤灰掺入量分别 为胶凝材料总量的0 、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 。采用人工拌和， 自 然养护。测试抗压强度试件尺寸为 1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m。配合比和试验结果见表5 。 表 5 混凝土配合 比和试验 结果 混凝 土配合 1： 15 ( k g m ) 柏 水 水泥 粉煤灰 三 志、 砂 坍落度 抗压 强度 ram ， MPa NC U 1 9 5 4 5 3 0 l l 4 8 0 6l 8 l 3 0 3 9 1 RC一 0 1 9 5 4 5 3 0 0 1 1 4 8 61 8 1 8 2 8 0 RC一1 0 1 9 5 4 08 4 5 0 1 1 48 6 1 8 3 7 2 9- 2 RC一 2 0 1 9 5 3 6 2 91 O 1 1 48 6l 8 4 9 2 98 RC一 3 0 1 9 5 3 1 7 1 3 6 O 1 1 48 6 1 8 7 8 3 1 2 RC一 4 0 1 9 5 2 7 2 1 81 0 1 1 4 8 6 1 8 1 2 8 2 96 由表5 可见， 再生混凝土采用基准配合比( R C 一 0 组) 时， 坍落度非常小， 只有 1 8 m m ； 随着粉煤灰掺量增加， 坍落度逐 渐增大， 当粉煤灰掺量达3 0 ( R C 一 3 0组) 时， 坍落度明显提 高， 当掺量增加到4 0 ( R C 一 4 0 组) 时， 接近普通混凝土坍落 度的要求。决定混凝土和易性的是水灰比、 材料性质等因素。 当其它条件不变时， 加入粉煤灰可明显提高混凝土的坍落度， 这是因为粉煤灰颗粒问具有静电斥力，在水泥浆体中处于分 散状态， 并有效分散水泥颗粒聚集， 增大了浆液的流动性； 粉 煤灰的球状颗粒在水泥颗粒问具有滚珠润滑作用，减少颗粒 间的摩擦力， 不增加混凝土用水量也能起到减水作用， 改善了 浆液的性质， 粉煤灰明显有助于混凝土和易性的改善。 掺入粉煤灰的混凝土强度有不同程度提高，但在混凝土 基准配合比下， 再生混凝土2 8 d 抗压强度值均达不到C 3 0 强 度等级的要求， 比配制强度降低1 8 4 2 6 8 。 当粉煤灰掺入 量为3 0 时( R C 一 3 0 组) ， 增强作用最大， 比R C 一 0组提高了 3 2 M P a 。粉煤灰对混凝土强度作用主要有3 个方面： 一是粉 煤灰中的火山灰活性物质S i O ： 及A 1 0 与水泥的水化物氢氧 化钙发生二次活性反应， 生成强度更高的水化硅酸钙4 1 ， 不仅 增大水泥石中水化胶凝物质的数量，而且使混凝土强度也相 应提高； 二是粉煤灰的形态效应， 具有分散水泥颗粒， 扩大水 泥的水化空间， 促进水泥更充分水化， 提高水泥浆密实度的作 用， 从而提高骨料与水泥浆的界面强度； 三是优质粉煤灰需水 比小于水泥，在相同稠度下，水化缓慢的粉煤灰可以提供水 分， 使水泥水化得更充分， 特别是在低水胶比下， 对混凝土有 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 73 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 许元： 粉煤灰对再生混凝土性能影响的研究 显著的减水增强作用圈 。试验表明， 粉煤灰的最佳掺量为3 0 ， 当掺量小于3 0 时， 粉煤灰具有加速水泥早期水化的作用， 掺 量越多， 越能提高混凝土的早期强度； 当掺量大于3 0 时， 水泥 的总量减少， 其一次水化物氢氧化钙减少， 而不能充分激发粉 煤灰的活性，此时粉煤灰活性效应所带来的混凝土强度提高， 不能补偿因水泥用量减少而引起的混凝土强度整体下降。 2 3 对氯离子渗透性的影响与分析 混凝土氯离子扩散系数是研究混凝土耐久性的一项关键 指标， 它受多种因素影响。本文采用快速氯离子迁移试验法， 测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数，以研究粉煤 灰掺量对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响。 再生混凝土制成 1 0 0 m in x 2 0 0 l n m标准试件， 其它如再 生混凝土设计强度、 配合比与上述抗压试件相同， 粉煤灰掺量 分别为 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 ，标准养护分别到2 8 d 、 5 6 d 、 8 4 d 后， 取试件正中间的一部分1 0 0 m m x l 0 0 ra m ) ， 切取 为2 个试件( 1 0 0 m m x 5 0 m m ) ， 以最后一次切面为抗氯离子 渗透性的测试面。用R C M装置进行试验，阴极溶液为N a C 1 溶液( 1 0 质量浓度) ， 阳极溶液为N a O H溶液( 3 m o l L 摩尔 浓度) ， 显色指示剂为A g N O 溶液( 0 1 m o l L 摩尔浓度) ； 试验 初始电 压控制在3 0 v， 温度控制在2 0 2 5 ， 持 续时间2 4 h 。 试验结束， 试件用净水冲洗、 擦干， 在压力试验机上沿轴向劈 成2 个半圆柱体，用喷涂显色指示剂的方法测定氯离子渗透 深度。按下式计算氯离子扩散系数嘲 。 D 0 2 3 8 vf ( 2 7 3 + 3 L X a一 ) 。 一 _) IA 一 v 一 2一 式中： D 厂一混凝土的非稳态氯离子迁移系数， m 2 s ； ( 7 一所用电压的绝对值， v ； 一 阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值， ； 试件厚度， m m； r氯离子渗透深度的平均值， m m ； 试验持续时间， h 。 粉煤灰掺量与氯离子扩散系数的关系见表6 。 表 6 粉煤灰掺量与氯离子 扩散 系数 的关系 7 4 新型建筑材料 2 0 1 2 7 由表 6司见： ( 1 ) N C 一 0 与R C 一 0 组试件相比，再生骨料混凝土的抗氯 离子渗透能力明显低于普通混凝土，不同龄期氯离子扩散系 数增大了5 3 1 一 6 8 1 。 在混凝土内部氯离子迁移主要驱动 力是扩散作用和毛细孔吸附作用，它通过骨料与水泥浆界面 中孔隙及混凝土泌水形成毛细孔进行渗透和扩散。 试验数据说 明再生骨料的孔隙率明显高于天然骨料， 而再生骨料在破碎过 程中表面产生的大量内部微裂缝， 更有利于氯离子的渗透。 ( 2 ) 抗氯离子扩散系数下降与龄期有显著相关性， 标准养 护龄期越长，氯离子扩散系数越低； 5 6 d的测试值比2 8 d 的 下降8 3 1 9 5 ， 8 4 d比5 6 d 下降1 0 4 2 2 0 。 混凝土硬 化过程是一个长期的化学反应过程，龄期对混凝土中胶凝材 料的化学反应影响较大， 随着龄期的增长， 胶凝材料中的活性 材料反应越充分， 混凝土密实度越高， 内部的孔结构越能得到 不断改善。有研究资料显示， 粉煤灰的活性反应在2 8 d 只有 1 0 左右， 养护时间延长能发挥粉煤灰的综合效应， 更有效提 高水泥水化程度 。 ( 3 ) 粉煤灰掺量对氯离子扩散系数有显著的影响， 粉煤灰 起到2 个方面的作用， 一方面， 优质粉煤灰颗粒小对孔隙和毛 细孔具有填充和细化作用， 也就是粉煤灰集微料效应， 一定程 度上提高了混凝土密实度； 另一方面， 由于水泥水化物氢氧化 钙晶体定向排列聚集在混凝土中骨料与砂浆结合界面，使得 该区域形成较多孔隙， 粉煤灰能改善水泥的水化环境， 促进水 泥二次水化反应， 既减少了骨料界面过渡区内氢氧化钙的富 集量， 又能生成不溶于水的C s H凝胶， 堵塞孔隙和微裂缝， 优化了再生混凝土的孔结构，这些都能显著降低氯离子扩散 系数。当粉煤灰的掺量为3 0 左右时， 再生混凝土抗氯离子 扩散系数最低。 有研究表明阴 ， 虽然粉煤灰与水泥水化物 C a ( 0 H ) 发生 火山灰反应， 增加了C S H凝胶的数量， 改善了混凝土的孔 隙结构， 但当粉煤灰掺量过高时， 混凝土中的初级水化产物 C a ( O H ) ： 的数量不足， 会影响粉煤灰火山灰效应的发挥， 导致 混凝土抗渗透能力降低。当粉煤灰掺量在一定范围时， C S H 凝胶恰好以一定的数量与骨料及水化物粘结在一起，不仅使 混凝土强度较高， 而且抗氯离子渗透能力最强。 3 结语 ( 1 ) 再生骨料经水泥浆液与粉煤灰浆液浸泡后， 其吸水率、 含水率、 表观密度、 压碎指标等性能指标都有明显改善， 其中 粉煤灰浆浸渍作用效果比单纯水泥浆液浸渍略好。 ( 2 ) 粉煤灰能较好改善再生混凝土和易性， 当掺量为4 0 ( 下转第 8 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张量， 等： 高铝水泥和硅酸盐水泥复合体 系凝结硬化性能的试验研究 线 1 ) 。 在大约2 7 5 ra i n 时贯入深度曲线 1 和曲线3 出现交叉， 的曲线相吻合。 二者的声速曲线在相同的时间点上也出现了交叉。 ( 3 ) 不同测试手段的结合使用， 有助于了解复合水泥体系 通过将声速曲线与水化放热速率曲线和水化放热量曲线 这一复杂系统的凝结硬化性能，为产品的质量控制和配方开 比较可以发现， 前者的演变趋势与水化放热峰的出现以及水 发提供技术依据。 化放热量的大小相对吻合。 在高铝水泥一 硅酸盐水泥一 石膏三 元 体系 中 ， 早 期的 水 化 产 物 主 要 是 钙 矾 石 阿 。 钙 矾 石的 形 成 时 参考文献： 间和形成的量决定了水化放热峰出 现的时间 和放热量的大 1 l J a k o b W o lff s b e rg ， 张 量欧 洲地 面 构 造 及F L O W K IT 系 列产品 【J 小。 水化放热峰的位置对应着声波传播速度的迅速提高， 从而新型建 筑材料， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 5 2 7 说明钙矾石的形成和增加使复合水泥体系失去流动性、形成 2 1 J E f F 9 8 5 -2 0 0 5 ， 地 面用水泥基自 流平 砂浆 s 】 初始结构并获得强度增长。 3 】胡冲， L o ft s A m a t h i e u 应用铝 酸盐水 泥的高性能砂浆 c 首届全 通过比较3 种不同测试仪器获得的试验结果，我们可以 国商品 砂浆学术会议论 文集， 2 0 0 5 ， 上海 从中了解不同组分在配方中的作用。 例如， 在以硅酸盐水泥为 4 1姜伟基， 地面自 流平砂浆技术 探讨【 c 】 第二届中国国际干混砂 主的复合水泥体系中，图2中曲线3 的贯入深度曲线显示促 浆生产 应用技术研讨会论文 集， 北京， 2 0 0 6 凝剂碳酸锂加快了从初凝到终凝这一阶段钙矾石的形成速 5 兰明 章， 郑旭， 硅酸盐水 泥一 高铝 水泥一 无水 石膏 复合胶凝体系的 度；而其初始阶段的声速却低于未掺加添加剂的图3中曲线 实验研究【 c 第三届中国国际建筑干混砂浆生产应用技术研讨 1 ， 说明缓凝剂起到了调节开放时间的作用。如果结合声速曲 会论文集， 北京， 2 0 0 8 线和水化放热速率曲线放热峰的位置，对不同阶段的水化产 6 1 D e G a s p a r o A ， K i g h e l m a n J ， Z u r b r i g g e n R ， e t o 1 自 流平地面砂 物进行定量分析，完全可能获得对复合水泥这一复杂体系凝 浆的 性能机理及应用 J 1 新型建 筑材料， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 4 - 7 结硬化规律的全面了解。 不同测试手段的结合使用， 可以为砂 7 1刁桂芝 硅酸盐水泥与铝酸钙水泥复合性能和水化机理的研究 浆产品的配方开发和质量控制提供必要的技术依据。 D 】 北京： 中 国建筑材 料科学 研究院， 2 0 0 0 3 结论 8 1 叨 瑚南 ( 1 ) 单纯采用维卡仪无法连续准确地表达复合水泥体系 9 张维君， 王珠忠， 田兴杰扁温高压下超声波检测水泥石强度的 凝结硬化的全过程。 研究 J 微计算机信息， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 7 5 7 7 ( 2 ) 超声波测试技术可以全程连续观察复杂的复合水泥 1 0 韩建国， 阎 培渝 水灰比 和碳酸锂对硫铝酸盐水泥水化历程的 体系的凝结硬化过程，声波传播速度随时间变化的曲线与维 影响 J 1 混凝土， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 5 - 7 A 卡仪的贯入深度曲 线以及水化放热速率和放热量随时问变化 _ H _ 。 H _ _ H _ r _ H 。 卜 H 卜 _ H _ H H _ _ H _ _ H 卜 _ _ _ _ H H H _ _ 卜 H _ ( 上接第 7 4页) 1 7 6 时， 其坍落度能基本达到混凝土工作要求。 ( 3 ) 粉煤灰对再生混凝土有减水增强作用， 在掺量为1 0 、 2 0 、 3 0 时， 再生混凝土强度有增长趋势， 掺入4 0 时， 强度有 所下降， 其中掺入3 0 时增强最大， 增强3 2 M P a 左右， 就增强 效果来说， 粉煤灰最佳掺量为3 O 。 但在基准配合比 下， 掺入粉 煤灰的再生混凝土2 8 d 抗压强度达不到C 3 0 的设计强度要求。 ( 4 ) 粉煤灰能改善再生混凝土的抗氯离子渗透能力， 增强 混凝土的耐久性。标准配合比下， 粉煤灰掺量为3 0 时氯离 子扩散系数最低。养护龄期的延长与抗氯离子扩散系数下降 有显著相关性， 龄期越长， 氯离子扩散系数越低。 参考文献 ： 1 许元 再生混凝土增强技术研究动态叨 山西建筑 ， 2 0 1 0( 2 ) ： 1 7 5 一 8 8 新型建筑材料 2 0 1 2 7 f 2 肖建庄 ， 刘琼， 李文贵 再生混凝土细微 观结构和破坏机理研究 J 1 _ 青 岛理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0( 4 ) ： 2 4 2 9 3 水中和， 潘 智生， 朱文琪 ， 等 再生集料混凝土的微观结构特征 J 】 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ， 2 5( 1 2 ) ： 9 9 1 0 2 4 魏秀瑛， 张同文 粉煤灰对高性能混凝土综合性能影响 的研究 J 湖南科技学 院学报 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 5 4 5 7 5 】 许元 超细粉煤灰对不 同级 配再生混凝土增强技术 的研究f J 1 混 凝土与水泥制 品， 2 0 1 1 ( 1 O ) ： 6 3 6 5 6 1 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久 性能试验方法【 S 7 】 高鑫 ， 庄梓 豪， 周春 英， 等 加气 混凝 土的水化硅酸钙结晶度与强 度 、 收缩 性能的关系 c 第十 届全国水泥和 混凝土化 学及应用 技术会议论文摘要集 ， 2 0 0 7 ： 3 1 0 3 l 2 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m