粉煤灰品质对大体积混凝土性能的影响.pdf

第43卷第20期 2012年10月 人民长江 Y angt ze Ri ver VoI 43N o20 Oct， 2012 文章编号：10014179( 2012)20006604 粉 煤 灰 品 质 对 大 体 积 混 凝 土 性 能 的 影 响 郭文康12，王述银12，3 ( 1长江科学院结构与材料研究所，湖北武汉430010；2国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉 430010；3水利部水工程安全与病害防治技术研究中心，湖北武汉430010) 摘要：粉煤灰是大体积混凝土重要的掺和料，其品质对大体积混凝土的性能有重要影响。为解决某工程大坝 混凝土I 级粉煤灰供应不足的问题探讨了用级粉煤灰替代I 级粉煤灰的可能性。试验表明，通过适当增 加水泥用量和采用优质高效减水剂等方法，掺级粉煤灰同样可以获得物理力学性能和耐久性均较高且满 足工程技术要求的大坝混凝土。讨论了粉煤灰品质指标影响混凝土各项性能的作用机理，提出了大坝混凝土 合理使用粉煤灰的原则。 关键词：粉煤灰；大坝混凝土；极限拉伸值；强度 中图法分类号：TV 43文献标志码：A 近年来，随着粉煤灰品质不断提高，粉煤灰由过去 一般作为混凝土填充料变为如今作为功能性材料。粉 煤灰的品质对掺粉煤灰混凝土的性能有很大影响，优 质I级粉煤灰由于其含碳量低、颗粒细、球形颗粒含量 高，使其形态效应、微骨料效应和火山灰效应得以充分 发挥，能起到固体减水剂的作用，一般可使混凝土用水 量减少5一15，与高性能减水剂配合使用，可大幅 度降低混凝土的单位用水量，降低大体积混凝土早期 水化热，提高混凝土的抗裂性和耐久性。由于优质I 级粉煤灰产量有限，且大坝工程一般位于偏远山区，运 输距离长，大坝混凝土对粉煤灰的需求量较大等原因， 导致经常出现I级粉煤灰供应紧张的现象，为保证大 坝的连续施工，有必要研究当I级粉煤灰供应不足时， 用级粉煤灰替代I 级粉煤灰的可行性。因此，本文 对数家I级粉煤灰和级粉煤灰的物理化学品质进行 试验，同时通过混凝土性能试验比较不同品质粉煤灰 对大坝混凝土性能的影响，为合理利用不同品质粉煤 灰、确定合适掺量和其他配合比参数提供技术依据，提 出大坝混凝土合理使用粉煤灰的原则。 1试验材料 试验采用湖北荆门葛州坝水泥厂生产的三峡牌 425中热硅酸盐水泥，经品质检验满足国家相关标准 指标要求。选用曲靖、阳逻、首阳山、汉川、白马、宜宾 6家电厂生产的I级粉煤灰，贵阳、凯里、盘县、来宾、 曲靖、安顺、宣威、田东8家电厂生产的级粉煤灰。 选用江苏博特J M 一1I 常温型缓凝高效减水剂、北京冶 建JG 一3缓凝高效减水剂及江苏博特JM 一2000引气 剂。人工石灰岩砂细度模数为263，石粉含量为 138。粗骨料由石灰岩加工而成。 2粉煤灰品质 6家电厂生产的I级粉煤灰和8家电厂生产的 级粉煤灰按国家标准进行了品质检验，检验结果列于 表1和表2。 检验结果表明，6家电厂的I级粉煤灰，均达到I 收稿日期：20120710 基金项目：水利部公益性行业专项经费项目( 200901066) 作者简介：郭文康，男，硕士研究生，主要从事水工混凝土及其原材料的研究。Em ai l ：guow enkan986 163COrn 通讯作者：王迷银，男，教授级高级工程师，主要从事水工建筑材料的研究。Em ai l ：ni ck6176 si naCO ITI 第20期郭文康，等：粉煤灰品质对大体积混凝土性能的影响 67 级粉煤灰的技术要求，但品质指标变化范围较大，如需 水量比为8793，烧失量为145一382。比 较6种I级粉煤灰主要品质指标可知，首阳山I级粉 煤灰的需水量比最小，汉Ji II级粉煤灰的细度最小且 抗压强度比最高，首阳山I级粉煤灰的烧失量最低。 8家电厂的级粉煤灰检验结果均达到标准中有 关品质要求。比较8种级粉煤灰的主要品质指标可 知，安顺粉煤灰的细度和需水量比均最小，宣威粉煤灰 的烧失量最低，田东粉煤灰的抗压强度比最高。 表1I 级粉煤灰品质检验结果 窒竺竺堡竺!g：! 竺：2些!竺 曲靖48 932560472 32734 首阳山44 87 145 047225883 宜宾 10093246222253846 白马 9791382250260839 阳逻40 9127l068227886 汉川 3292 258 114213916 G BT1596200512955030 一一 表2级粉煤灰品质检验结果 3掺不同品质粉煤灰的大坝混凝土性能 采用某工程28d强度等级为C 20，90d设计指标 为C 9028W 8F100( 极限拉伸值08510。4) 的大坝 常态混凝土配合比，分别掺不同品质粉煤灰进行大坝 常态混凝土性能对比试验。试验内容主要包括：抗压 强度、轴拉强度、极限拉伸值、抗渗性、抗冻性、绝热温 升等。 31大坝常态混凝土配合比 掺I级粉煤灰混凝土性能试验配合比见表3。在 大坝混凝土试验配合比的基础上，为了使掺不同级 粉煤灰的混凝土物理力学性能及耐久性能够满足设计 技术要求，部分掺级粉煤灰混凝土的水泥用量比掺 I 级粉煤灰混凝土增加5kgm 3，且选用减水率和抗 压强度比稍大的高效减水剂。此外，针对不同粉煤灰 需水量比不同，调整混凝土单位用水量和引气剂掺量， 以使含气量和坍落度达到设计要求。通过试拌确定掺 不同级粉煤灰的混凝土配合比，试验参数列于表4。 表3大坝混凝土试验配合比 粉煤灰 tt !ti 25 1查查望塑堡苎堡查互!互坚 型：!坐：竺 31951424866775l450300 o5o004 表48种级粉煤灰的大坝碾压混凝土试验配合比 32掺不同品质粉煤灰大坝混凝土的性能 对6种掺I 级粉煤灰和8种掺级粉煤灰的碾压 混凝土的坍落度、含气量及其抗压强度、轴拉强度、极 限拉伸值等力学性能进行试验，结果分别列于表5、6。 表5掺I 级粉煤灰的大坝混凝土力学性能试验结果 表6掺级粉煤灰大坝混凝土力学和抗渗性能试验结果 321抗压强度 从表5试验结果可知，6种掺I级粉煤灰大坝混 凝土28d龄期的抗压强度在276313M Pa之间，平 均强度为291M Pa，均达到设计要求。其中掺阳逻I 68 人民长江 级粉煤灰的混凝土28d龄期抗压强度最高，掺宜宾、 首阳山两种I级粉煤灰的混凝土抗压强度最小。 从表6试验结果可知，掺级粉煤灰大坝混凝土 28 d龄期抗压强度为272368M Pa，平均强度为 313 M Pa，均达到设计要求，且有一定富裕。掺I 级、 级粉煤灰大坝混凝土的28d抗压强度增长率平均 值分别为143和148。掺级粉煤灰大坝混凝土 28d龄期平均抗压强度和强度增长率均高于掺I 级 粉煤灰混凝土。 322 轴拉强度 对表5、表6中掺I 级和级粉煤灰大坝混凝土， 分别取两个龄期(7d、28d)的6组和8组数据，分析 轴拉强度(R。) 与抗压强度( R，)的关系，得到相互之 间的回归关系式，见图1。分别取掺I 级粉煤灰和掺 级粉煤灰数据的平均值，计算轴拉强度与抗压强度 的比值，得到掺I级粉煤灰混凝土28d龄期的拉压比 为0106，掺级粉煤灰混凝土28d龄期的拉压比为 0104，由此可知两种碾压混凝土各龄期拉压比相当。 经计算，掺I级粉煤灰混凝土28d龄期平均轴拉 强度为308M Pa，掺级粉煤灰混凝土28d龄期的平 均轴拉强度为330M Pa，可以看出，掺级粉煤灰碾 压混凝土各龄期的平均轴拉强度和28d龄期轴拉强 度增长率均略高于掺I 级粉煤灰碾压混凝土。 2629323538 抗压强度肝a (b)掺II级粉煤灰 图1掺不同粉煤灰大坝混凝土轴拉强度与抗压强度关系 323极限拉伸值 从表5、表6的试验结果可知，掺不同品质粉煤灰 大坝混凝土的28d龄期极限拉伸值均达到设计指标 要求。对表5、表6中掺I 级和级粉煤灰大坝混凝 土，分别取两个龄期(7d、28d)的6组和8组数据，分 析极限拉伸值(s。)与轴拉强度(R。)的关系，见图2。 计算掺I 级粉煤灰的6组数据和掺级粉煤灰的8组 数据的平均值，I级粉煤灰混凝土28d龄期的极限拉 伸值平均值为098X 10；级粉煤灰混凝土28d龄 期的极限拉伸值平均值104 X10。 掺级粉煤灰大坝混凝土28d龄期的极限拉伸 值略高于掺I 级粉煤灰碾压混凝土。不同品质粉煤灰 大坝混凝土的极限拉伸值与轴拉强度均有较的线性关 系。 ：、 昌 一 X 趔 晕 辑 睡 g (a)掺I级粉煤灰(b)掺II级粉煤灰 图2掺不l 司品质粉煤灰混凝土极限拉伸值 与轴拉强度关系 324耐久性能 对6种掺I级灰的大坝混凝土试样进行了90d 龄期的抗冻性能、抗渗性能试验，试验结果列于表7， 对8种掺级灰大坝混凝土进行了90d龄期的抗渗 性能试验，选择4种具有代表性的试验结果列于表6、 表8。 从表6和表7试验结果可知，掺I级、级粉煤灰 混凝土90d龄期的抗渗等级均大于W 8，掺I级粉煤 灰渗水高度在0512cm ，掺级粉煤灰渗水高度 在0518cm ，表明混凝土的抗渗等级高于设计指 标，掺级粉煤灰渗水高度稍大于掺I 级粉煤灰混凝 土。 抗冻指标是混凝土耐久性的表征指标，抗冻等级 的高低反映了混凝土抵抗冻融、风化、碳化等的能力。 6种I级粉煤灰混凝土的抗冻试验结果表明，经过100 次冻融循环后，质量损失率为035，相对动弹模 量为60874。虽然混凝土抗冻能力主要与其 含气量有关，但对于不同的粉煤灰，其抗冻能力有差 别，掺白马粉煤灰和曲靖粉煤灰的混凝土抗冻能力低 于其他4种粉煤灰的混凝土。4组掺级灰碾压混凝 土经过100次冻融循环后，质量损失率为005， 相对动弹模量为763888。在保证含气量满 足设计要求的情况下，I级、级粉煤灰碾压混凝土均 达到抗冻等级的设计要求。经过相同冻融循环次数 后，I 级粉煤灰混凝土较级粉煤灰混凝土的质量损 失率和相对动弹模量均损失较大。 表7掺I 级粉煤灰大坝混凝土抗冻、抗渗性能试验结果 试验粉煤灰 编号品种 质量损失率相对动弹模量 90d抗渗水高度 25次50次75次100次25次50次75次100次冻等级 em 注：90d抗渗等级大于W 8。 3 3 3 3 3 3 墨要魁赠 划挥 第20期郭文康，等：粉煤灰品质对大体积混凝土性能的影响 69 表8掺级粉煤灰碾压混凝土抗冻性能试验结果 试验粉煤灰 90d质量损失率90d相对动弹模量 编号品种 25次50次75次100次25次50次75次100次 C 一3来宾0 030405885885884877 C 一4盘县0 000892892892888 C 一7田东01 020305860850814763 C一8宣威0 000 188888688487，7 注：90d抗冻等级大于F100。 325绝热温升 硅酸盐水泥熟料矿物是在高温条件下反应形成的 不平衡产物，因此处于高能状态，水泥水化后，熟料矿 物即与水发生水化反应，达到稳定的低能状态，同时以 热量形式放出能量1。混凝土绝热温升值是指在绝 热条件下，由水泥的水化热引起的温度升高值。分别 选取掺I级、级粉煤灰混凝土各一组(试验编号为D I和c一7) 进行绝热温升试验，验证粉煤灰品质对 混凝土绝热温升的影响。 比较绝热温升试验结果可知，不同品质的粉煤灰 对碾压混凝土的早期绝热温升有一定影响，一般活性 高的粉煤灰，混凝土早期的绝热温升略高，但本试验中 掺级粉煤灰混凝土的早期绝热温升反而高于掺I级 粉煤灰混凝土，原因是掺级粉煤灰的混凝土水泥用 量较掺I级粉煤灰的混凝土增加5kgm 3，导致其28d 龄期绝热温升稍大于掺I 级粉煤灰的混凝土，且其最 终绝热温升较掺I 级粉煤灰混凝土高约4。C 。因此， 粉煤灰品质对碾压混凝土最终绝热温升影响较小，因 此，最终绝热温升主要取决于胶凝材料的用量。 326 粉煤灰品质对混凝土性能的影响 粉煤灰品质主要受细度、需水量比、烧失量、抗压 强度比等指标参数的影响。粉煤灰的细度对混凝土性 能有着重要的影响心1，细度越细，火山灰反应越快，对 混凝土强度的贡献越大，能改善孑L结构，减少干缩变 形。 用水量是影响混凝土结构和性能的最敏感因素之 一，粉煤灰的需水量比在客观上反应了粉煤灰对混凝 土单位用水量的影响。烧失量是指粉煤灰中未燃烧完 全的碳，较大的烧失量将增加粉煤灰的需水量比，对引 气剂有较强的吸附能力，影响混凝土抗冻性能。 从表1、表2粉煤灰品质检验结果可知，I级粉煤 灰各项品质指标均高于级粉煤灰。一般粉煤灰对混 凝土性能影响规律是：细度越细，需水量比、烧失量越 小，混凝土的抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值越大，且 抗渗和抗冻性能也应相对较好。但本文试验结果确恰 恰相反，掺级粉煤灰大坝混凝土的抗压强度、轴拉强 度、极限拉伸值、抗冻性能均略高于掺I级粉煤灰混凝 土。原因主要有以下几个方面： (1)部分掺级粉煤灰混凝土(编号为：C一1、C 一2、C一7、c一4)为了达到设计技术指标，水泥用量较 掺I 级粉煤灰的混凝土均增加了5kgm 3，这对提高 混凝土物理力学性能和耐久性起了关键的作用。由试 验结果可知，掺级粉煤灰混凝土各方面性能相对掺 I级粉煤灰高的试样，基本上都是增加水泥用量的试 样。 (2)掺I 级、级粉煤灰混凝土所用的外加剂品 种不同，前者选用的是江苏博特J M II 常温型缓凝高 效减水剂+JM 一2000引气剂组合，后者选用的是北京 冶建JG 3缓凝高效减水剂+江苏博特JM 一2000引 气剂组合，JM l I 和JG一3两种减水剂的28d抗压强 度比分别为120和135，后者明显高于前者。因 此，掺用JG 一3缓凝高效减水剂对掺级粉煤灰混凝 土28d的物理力学性能和耐久性能的提高有利。 4结论 掺I级、级粉煤灰大坝混凝土28d龄期的抗压 强度、轴拉强度、极限拉伸值、抗冻性、抗渗性和绝热温 升均能达到设计要求，且略有富裕。 相对于碾压混凝土而言，大坝常态混凝土的粉煤 灰掺量较低，因此粉煤灰品质对大坝常态混凝土性能 的影响相对较小。适当提高水泥用量并掺用优质高效 减水剂的级粉煤灰同样能达到甚至超过I级灰的作 用效果。 粉煤灰品质对大坝常态混凝土的绝热温升没有明 显影响，混凝土的绝热温升主取决于水泥等胶凝材料 的用量。 考虑到后期强度的增长，大坝常态混凝土应优先 使用I级粉煤灰，当I 级粉煤灰供应不足时，在适当提 高胶凝材料用量并掺用优质高效减水剂的基础上，可 选择各项参数值达到国家标准要求且性能稳定的级 粉煤灰。 参考文献： 1 K um arM eht aP，Paul oJMM ont ei roConcret e：M i crost m et ureProper t i es，andM at erialsM S1：M cGraw H ill ，2006：220221 2 张承志商品混凝土 M 北京：化学I业出版社，2006 ( 编辑：郑毅) (下转第74页) 74 人 民长江2012年 Pl ant s i nvest i gati onandveget at i onrest orat i onexper i m ent in Poyang Lakesandl and M O M i ngha01”，Y A N GJi e2，D U A NJi an3，ZHA N GJi e2，SO N GY uej un2 ( 1Jiangxi Pr ovincialInst i t ut e of W ater Sci ence，N a nchang330029，Chi na； 2Ji angxi Pr ovincialResear chInst i t ut ef or Soi l andW at er Conser vat i on，N anchang330029，China；3C ol legeofLandscape A r chi tectur eandA A 。Jiangxi A gri cul turalU niver- si t y，N anchang330045，C hi na) Abstr act： Inor dertorest oret hesandl and vegetat ion of PoyangLake，the localvar iousherbaceous pl ant sandi nt roduced pl ants，tr ees andshr ubsare m ixedlypl anted i nthe experi m ent alarea，inaddi ti on，i nvest igati ons oncover ed degr eeofpl ants， nut ri entcontent ，gr assbi om assandbi odiversi tyar econduct edTheresul t sshowt hatherbaceous pl ant si ncludi ng Penniset umal o pecur oi des，Set ar iapal m i fol i a，Cynodondactyl on，Paspalumw et t st ei ni i andt heshr ubs i ncl udingPi nusel liot tii，R obini apseud oacaci a，L i qui dam bar f or m osanaand Lespedezabil obar arecul t i vat edi n PoyangLakesandl and，w hi chcanpl ay arol ei nin creas ingcoverage ofvegetat ion，im provingsoil qual ity ands peci es di ver si t y K eyw or ds：l akesandl and；plantinvest igati on；veget ati onr estor at i on；Poyang Lake (上接第61页) Study onm echanical pr opert y oft unnel l ini ng andst r uctur al saf ety assessm ent W EI Q i an，SH ENGQ i an，CH ENJi an，LEN GX ianl un，C U IZhen (Insti tuteofR ock andSoi lM echanics，C hi nese A cadem yofSci ences，W uhan 430071，Chi na) Abst r act ： W e appl y t he equival ent sect ionm et hodtocons i derthe s pr ay concr eteandst ee larchof pr im ar ysuppor t oft unnel l i ni ng ast he hom ogeni zed beamsect i onBasedonf i nit eel em entm ethod，theaxi sf orce，s hearforceandbendi ngm om entoff in- i ng ar ecal cul atedThestr uctur al safet y of s pr ayconcr et e，s teel ar chandthesecondary l i ni ng areassessed by the envel ope dia gr am s of bear ingcapacityIn viewofareal com posit el i ni ngpr oject ofr ai lwayt unnel，t hem odeloftunnel l i ni ng ises tabl is hed by t hepresent edm et hod，andt hesafe t yeval uat ionand loadingcharact er i st i cs oft he com posi t el i ni ngs areconductedTheres ul t s showt hatt hei nsuffi ci ent st rengt h of secondaryl i ni ng concret e m ayl ead to l i ni ngcr acks，and t hei rcalculatedl ocat i onsarei nw el l conf orm i t yw i t ht he m easuredThe i m pr ove m ent ofconcret e st rengt h cancont rolt he cracki ng of com posi t el i ni ngseffect i vel y K eyw ords：pr i m ar ysuppor t ；secondaryli ni ng；equival ent sect ion appr oach；envel opediagr am s of bear ingcapaci ty；s af et yas sessm ent (上接第69页) 】，一】 Infl uenceof fl y ash quali t y onm assconcret e per f or m ance G U OW enkan91，2一，W A N G Shuyi nl ，2，3 (1D epart m entofSt r uct ur es and M at eri al s，Changj i ang River Sci ent i fi c Resear ch I nst it ut e，W uhan430010，Chi na； 2R e searchC enterofN at i onalD amSafet yEngi neeri ngTechnol ogy，W uhan430010，China；3Resear chC enterofW aterEngi neer - i ngSafet y andD i sas terPr event ion ofM i nist r yof W aterResources，W uhan430010，C hi na) Abst r act ： A sanes sent i alm ixt ur eofm assconcr et e，t hequal ityoff l yashhas an i m port anteffect onperf or m anceofm asscon creteInordertoaddr esst he pr obl emofs hor t age ofG ra deI f l y ashfordamconstr uct ion，the poss i bi l i t y ofG radeII f l y ashasa r epl acem ent ofG radeIf lyashi sexpl oredI tisveri fi edbyt est st hatt hr ough incr eas ingcem ent cont entappropr iatelyandadopt i ng hi gIl qualit ysuperpl as ticizer ，excell entphysical andm echani cal pr opert i es and dur abi l i t y oft hedamconcr etem i xe dw i t hG rade II f l y ashw i l lbeobt ai nedW edis cusst hei nfl uent i alm echani s mof f l y ashOilt heconcret e propert i es ，andpresent t he pr inciple ofrat i onal appl icati on of f l y ashi ndamconcr et e K eyw or ds：f l yash；damconcr et e；ul ti m ate t ensi l e val ue；st rength