大掺量粉煤灰混凝土铺装强度性能的试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 O 期 (总 第 2 6 4期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 0 7 大掺量粉煤灰混凝土铺装强度性能的试验研究 毛 明杰 1 , 2 ,3 。杨秋宁 1 ,2 , 3 ( 1 宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ；2 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术中心，宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ； 3 旱区现代农业水资源高效利用教育部 工程研究中心，宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要： 高粉煤灰在道路路面铺装用混凝土中的掺人量 ，对水泥取代率 3 0 以上的大掺量粉煤灰混凝土的强度性能指标进行了测评。 重点对影响道路铺装设计的基础参数， 混凝土抗弯强度进行了长期检测分析。 结果表明： 混凝土在掺人了粉煤灰后， 2 8 d 后期抗弯强度较 普通混凝土增长显著， 截止一年期测试结束后仍有增加趋势； 其抗弯强度增长率随着粉煤灰掺人量的增大而提高， 且高于同种配合条件下 粉煤灰混凝土抗压强度的增长率； 大掺量粉煤灰混凝土满足材料抗弯强度要求， 适用于道路路面铺装工程。 关键词： 大掺量粉煤灰；铺装混凝土；抗弯强度 ； 抗压强度 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标 志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 2 0 0 2 St r eng t h c ha r a c t er i s t i c s of hi gh vol ume f ly as h c o nc r e t e MA O Mi n g -j i e Y ANG Q i u - n in g ( 1 S c h o o l o f C i l a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r in g ， N i n g x i a U n i v e r s i t y ， Yi n c h u an 7 5 0 0 2 1 ， C h i n a ； 2 E n gi n e e r i n g T e c h n i q u e R e s e a r c h C e n t e r f o r Wa t e r S a v i n g I r ri g a t i o n a n d Wa t e r R e s o u r c e s i n N in g x i a ， Y i n c h u a n 7 5 0 0 2 1 ， C h i n a ； 3 E n gin e e r in g R e s e a r c h C e n t e r o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n f o r E f fi c i e n t Ut i l i z a t i o n o f Mo d e mA g r i c u l t u r e Wa t e r R e s o u r c e s i n Ar i d ， Yi n c h u a n 7 5 0 0 2 t ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ch a r e c t e r i s t i c o ft h e s t r e n g t ho f h i g hv o l u mefly a s h c o nc r e， d e s c r i be sl o n gt e r m i n c r e aseo ffle x ura l s t r e n g t h o fh i v o l u mefl yash c o n c r e t e i s e x p e c t e dS h0 n t e rm s e n g t h i s l o w d u e t o l a t e r e a c t i o n o f fl y a s hTh e h i v o l u me n y a s h c o n ere d e v e l o p s c o n s i de r a b l y t h e fle x u r a l s t r e n g t h h i #er t h a n n o rm a l p a v e me n t c o n c r e t e a ft e r the a g e o f 9 1 d a y s T h e fl e x ura l s t r e n g t h i n c r e a s e s mo r e t h a n the i n c r e a s e o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o fl o n g t e rm T hi s r e s u l t s i n u s e o ft h e p a v e me n t c o n c r e t e， s i n c e the s e n g t h o f t he p a v e me n t c o n c r e t e i s d e t e rm i n e d b y fl e x ura l s t r e n g t h On the o t h e r s i d e ， s t r e n g t h o ft h e mo s t s t r u c t u r a l c o n c r e i s d e t e rm i n e d by c o mp r e s s i v e s e n g t h Ke y wor ds ： h i g h v o l u me fl y a s h； p a v e me n t c o nc r e t e； fle x u r a l s t r e n g t h； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引言 我国粉煤灰的产量仅 2 0 0 9 年就达到了 3 7 5 亿 t f 】 ， 位居世 界前列。 但利用率较低， 通常用于建材生产、 建筑工程等方面。 在道路工程中， 多用于路基和基底层。 绝大部分粉煤灰仍因得不 到有效利用， 被排入贮灰场 、 沉淀池中储放。 不但浪费了粉煤灰 资源， 而且对周边环境和公众健康构成了巨大的威胁。 另一方面， 随着粉煤灰混凝土技术的进步发展 ， 粉煤灰混 凝土在道路铺装工程 中， 因其施工方便快速 ， 价格便宜 ， 且强 度、 弹性模量、 稳定性及耐磨蚀性均优于沥青混凝土的特性 ， 愈 来愈多的被用于道路工程中。 而我国混凝土规范中粉煤灰置换 水泥率标准为 1 0 2 0 左右， 很少达到 3 O 口 。 本研究将粉煤 灰取代水泥率 3 0 以上配制的混凝土， 称为大掺量粉煤灰混凝 土( Hi g h Vo l u me F l y As h C o n c r e t e ， 以下略称 HV F A混凝土 ) 。 为了提高 HV F A混凝土的强度性能， 国内外研究者已做了多方 面的研究， 并取得了多种有效的方法。 然而当H VF A混凝土用于 路面， 因受载率较坝体混凝土频繁， 且无需考虑水化热影响， 粉 煤灰掺和量多在 1 5 - ,- 4 0 之间， 最大未超过 4 0 t3 。 因此若能 用粉煤灰大于 4 0 置换率之上取代水泥作为胶凝材料 ， 生产 H VF A混凝土， 用于道路路面工程中， 将会更大程度提高粉煤 灰的使用量 ， 在满足社会建设发展的同时， 既降低了工程造价 ， 又保护了生态环境， 节约了土地资源， 意义深远。 1试验 概 况 1 1 试验 方 法 混凝土力学性能按 G B J 8 1 8 5 普通混凝土力学性能试验 方法 ， 细度按 G B 8 0 7 4 8 7 水泥比 表面积测定方法( 勃式法) 试验。 粉煤灰按 G B l 5 9 6 9 7 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 进行试验。 1 2 试验材料 水泥： 采用宁夏水泥厂赛马牌 P O 4 2 5级水泥。 表观密度为 3 1 2 g ， c m ， 比表面积 3 3 0 0 c m2 g 。 粉煤灰 ： 取 自宁夏石化分公司， 表观密度为 2 3 0 g e ra3 ， 比 表面积 4 3 6 0 c m 2 g 。 4 5 m筛余 1 9 、 烧失量 4 2 、 该粉煤灰筛 余量较小， 属 级粉煤灰。 化学成分见表 1 。 表 1 粉煤灰化学成分 材料名称C a O S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 Mg O S O 3 K 20 N a 2 0 L o s s 粉煤灰 3 2 4 5 7 9 2 7 7 4 6 0 4 8 0 2 1 1 O 1 0 6 3 3 0 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 4 _ 2 9 基金项 目：宁夏自然科学基金( N Z 1 0 4 4 、 N Z 1 0 4 7 ) ； 宁夏大学自然科学基金( n d z r 0 9 3 ) 20 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骨料： 采用天然砂石骨料， 质地坚硬， 颗粒级配良好。 粗骨料使 用粒径 5 2 0 mr r l ， 表观密度 2 7 3 g c m 的碎石， 吸水率为 0 7 5 。 细骨料全部使用表观密度为 2 5 8 g c m3 ， 吸水率为 1 1 5 的河砂。 1 3混凝 土配合 比 试验针对混凝土铺装路面， 设计抗弯强度 5 0 MP a ， 坍落度 指标 2 5 c m且各配合比下每立方米混凝土中粗骨料用量一定。 为使试验结果具有可比性， 保持水胶比不变， 只改变粉煤灰的掺 量， 即取代水泥的量为 0 、 3 0 、 5 0 、 6 0 ( 以下略称 F 0 、 F 3 0 、 F 5 0 、 F 6 0 ) 。 原配合比设计有 7 0 混凝土， 但所定龄期后达不到设计 强度， 所以本研究上限取代率取为 6 0 。 外加剂使用聚羧酸系高 效能 A E减水剂。 混凝土配合比见表 2 。 表 2 混凝土配合比 1 4 试件的制作与试验 混凝土搅拌使用容积 1 0 0 L强制立式搅拌机。 先加入水泥、 粉煤灰和细骨料 3 0 S 搅拌均匀后， 再加入水和减水剂搅拌 6 0 S ， 最后加入粗骨料搅拌 1 8 0 S 后 ， 观测其坍落度同时将混凝土拌 合物注模， 2 4 h后拆模 ， 放入养护池养护， 试件尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 4 0 0 m i l l的棱柱体。 试验段跨度 3 0 0 mm。 每种配合各 制作 1 2件试件。 达到设定龄期后( 龄期为 7 、 2 8 、 9 1 、 1 8 2 、 3 6 5 d ) 取出， 自然晾干之后进行试验 。 分别采用 1 点( 中央处 ) 及 2点 ( 3 等分 ) 加荷， 本研究取 2点试验的6件试件结果进行分析。 为 方便 比较， 在抗弯试验后 ， 对断裂的两半块混凝土试块侧面进 行抗压试验， 测试试件的抗压强度。 2 试验 结果 2 1 抗 弯强度 为评价不同掺人量下混凝土早后期力学性能的发展规律， 对试件一年间抗弯强度测试结果进行分析。 截止 9 1 d抗弯强度 发展与龄期关系如图 1 所示。 结果表明， 掺有粉煤灰的混凝土较 未掺混凝土， 因单位水泥量较少， 2 8 d抗弯强度随着粉煤灰取代 率的增加而降低 ， 且强度值均低于未掺混凝土。 7 至 6 、 鏊 s 娶 3 U 2U 4U 6U 8 0 l UU 龄期 ， d 图 1 龄期 9 1 d抗 弯强度 变化 水泥取代率 0的试件 F 0 ，龄期 2 8 d后抗弯强度无明显增 长。 与之相比， F 0以外掺有粉煤灰的混凝土试件， 龄期 2 8 d 后抗 弯强度增长显著。 F 3 0试件 9 1 d抗弯强度接近同龄期未掺 F 0 试件值。 各掺量粉煤灰混凝土 2 8 d后因水化反应， 强度指标增 长显著。 一 年龄期的抗弯强度与龄期关系如图 2所示 。 未掺加粉煤 灰的试件 F 0截止龄期 3 6 5 d抗弯强度较 2 8 d后无明显增长。 龄 期 ， d 图 2 抗弯强度试验结果 掺有粉煤灰的试件， 9 1 d 后抗弯强度增长显著。 试件 F 5 0 龄期 1 8 2 d时、 试件F 6 0 龄期 3 6 5 d时其抗弯强度已超过未掺试件F 0 ， 并有继续增长的趋势。 2 2 抗压 强度 试件抗压强度随龄期的发展关系如图 3 所示。 结果显示， 同抗弯强度与龄期的关系相似， 除试件 F 0以外 ， 龄期 2 8 d后各 试件的抗压强度增长显著， 截止龄期 3 6 5 d 为止仍显增长趋势。 试件 F 3 0龄期 9 1 d以后其抗压强度逐渐超过同养护条件下未 掺加粉煤灰混凝土试件 F 0 。 试件 F 5 0 、 F 6 0截止 3 6 5 d抗压强度 仍低于同条件下 F 0试件 ， 与抗弯强度的增长情况不同。 龄期 ， d 图 3 抗压 强度试验结果 2 3 抗 弯 强度 比与抗 压强度 比 的比较 为评价较长龄期下强度的增长效果， 分别以 2 8 d抗弯强度 及 2 8 d抗压强度为基准， 计算不同龄期下抗弯强度比( 各龄期 抗弯强度 2 8 d 抗弯强度 ) 和抗压强度比( 各龄期抗压强度 2 8 d 抗压强度 ) 。 结果见表 3 。 如表 3所示， 龄期 2 8 d后， 各试件随着 粉煤灰取代率的增加抗弯及抗压强度增长率提高。 且抗弯强度 增长率大于同条件下抗压强度的增长率。 表 3 抗弯强度比与抗压强度 比的比较 此为粉煤灰与水泥水化反应后， 水化产物 C S H的填充效果 使混凝土密实性增大， 强度提高。 由此推定混凝土抗拉强度也有 增强。 由于铺装用混凝土设计时， 抗弯强度指标优于抗压强度， 因此可以判定 H VF A混凝土适用于道路路面铺装施工。 3结论 本文针对用于道路路面铺装的 H v F A混凝土， 检测分析其 下转第 2 7页 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 不 同体积掺量混凝 土抗弯韧性指标 对于素混凝土的韧性指数设为 l ， 在本试验中， 当钢纤维掺量 0 5 聚丙烯 0 1 5 时， 混凝土的弯曲韧性指数， 5 、 ， 。 、 达到最高， 分别比素混凝土提高了3 5 、 7 4 、 1 7 1 倍 ， 分别为 4 5 4 ， 8 4 3 ， 1 8 1 。 说明混凝土掺入钢纤维和聚丙烯纤维后 ， 混凝土弯曲韧性指数 和残余强度均有了更进一步的显著提高。 但是， 并不意味着纤维 掺量越大越好， 纤维掺量越大， 导致混凝土的初始缺陷就越大。 继续增大纤维掺量， 混凝土弯曲韧性指数的增长速度明显减缓， 个别力学性能指标可能还有下降。 3结论 ( 1 ) 钢纤维的掺入对于纤维混凝土的初裂荷载影响不大， 而对混凝土的峰值荷载以及韧性指数的提升均有明显的增强 作用， 但是聚丙烯纤维在抑制初始裂缝 ， 提高初裂挠度中有着 较大的贡献。 ( 2 ) 混凝土在掺人钢一 聚丙烯混杂纤维后， 弯曲韧生得到很大 提高。 当钢纤维掺量为 0 5 一 1 0 ， 聚丙烯纤维掺量为 O 1 一 0 1 5 时， 纤维混凝土弯 曲韧性指数 ， 5 介于 3 9 6 ,- -4 5 4之间， ， 10 介于 6 9 8 8 4 3 之间， 介于 1 5 2 l 8 1 之间； 残余强度 R 介于 5 1 7 2 - 8 7 9 1 之间， 。 介于 3 2 6 1 5 9 5 3之间。 理想的弹性材料弯曲 上接第 2 1 页 一 年间抗弯强度及抗压强度的特性发展情况。 结论如下： ( 1 ) 较无粉煤灰试件 F 0龄期 2 8 d以后抗弯强度无增长相 比，掺有粉煤灰的混凝土试件 2 8 d以后抗弯强度增长显著， 且 3 6 5 d 后仍有继续增长趋势。 ( 2 ) 龄期 2 8 d以后抗弯强度的增长率随着粉煤灰取代率的 增大而提高。 由此可知， 粉煤灰置换率越高， 粉煤灰水化反应强 度发展效果越明显。 ( 3 ) H VF A混凝土抗弯强度增长率大于抗压强度增长率， 此 为粉煤灰与水泥水化反应产物 c s H的填充效果使混凝土密 实性提高。 可推定抗拉强度也有增强。 因此可以判定 H VF A混 凝土适用于道路路面铺装施工。 上接第 2 4页 究 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 1 8 2 1 2 】冯辉荣 ， 罗仁安 ， 樊建超 “ 沙琪玛骨架” 绿化混凝土的研制试验f J 】 上 海大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 1 1 ( 6 ) ： 6 3 9 6 4 4 3 】高建明， 许国东， 吕锡武 多孔混凝土综合生态效应的试验研究 J J 东 南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 7 9 4 7 9 8 【 4 】陈瑜 ， 吴学毅 路面多孔水泥混凝士制备技术研究综述【 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 1 2 3 1 2 6 5 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ， 水泥胶砂流动度测定方法 s 】 中华人民共和国国 韧性指数的值分别为 5 、 1 0 和 3 0 ， 残余强度 R = 1 0 0 ， 这说明混杂 纤维混凝 土已经表现 出较好 的韧性。 ( 3 ) 在试验中， 当钢纤维和聚丙烯纤维体积掺量达到 1 和 O 1 5 时， 混凝土的弯曲韧性指数最大， 如果在此基础上继续增加 钢纤维和聚丙烯纤维含量， 纤维混凝土弯曲韧陛可能仍有提高， 但 对弯曲韧胜指数的提升幅度很小。 结合混凝土的工作性能以及经 济因素综合来考虑， 推荐使用上述的钢纤维和聚丙烯的体积掺量。 参考文献 ： 1 】张明远 ， 倪铁权， 卢哲安 层布式钢纤维混凝土路面荷载应力分析f J 长江大学学报 ： 自科版理工卷， 2 0 0 7 2 郭丽萍， 孙伟 ， 郑克仁， 等磨细矿渣和粉煤灰掺量对混凝土弯曲疲 劳性能的影D NJ 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 3 石国柱 冈 纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能试验研究 D 郑州： 郑州 大学， 2 0 0 5 【 4 】 梅华东 层布式钢纤维混凝土弯拉强度增强机理及细观力学分析 D 】 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 6 5 】 朱海堂 ， 高丹盈， 谢丽， 等钢纤维高强混凝土弯曲韧性的研究l J 1 _ 硅 酸盐学报， 2 0 0 4 6 孙增智， 申爱琴， 胡长顺聚丙烯酰胺对混凝土抗折强度和弯曲韧性 的影响 J 交通科技， 2 0 0 4 7 毕巧巍， 赵鹏飞 混杂纤维轻骨料混凝土的力学性能及抗碳化性能叨 大连交通大学学报， 2 0 0 8 【 8 】 赵鹏飞， 毕巧巍， 杨兆鹏 纤维轻骨料混凝土力学及抗渗性能研究【 J J _ 低温建筑技术 ， 2 0 0 8 【 9 】 杨明华 公路隧道路面柔性水泥混凝土应用研究【 D 武汉： 武汉理工 大学， 2 0 0 5 1 0 欧阳斌 聚丙烯纤维混凝土在地下室墙中的应用研究【 D 杭州： 浙江 大学 ， 2 0 0 5 作者简介 联系地址 联 系电话 权莉( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 工程师， 国家一级建造师， 研究方向： 混 凝土抗裂研究。 河南省南阳市河南油田水电厂基建管理部( 4 7 3 1 3 2 ) 1 3 5 9 8 2 7 O 5 9 0 参 考文献 ： 【 1 杨爱伦， 江雍年 ， 赵星敏 ， 等煤炭的真实成本一 2 0 1 0 年中国粉煤灰调 查报告 R 绿色和平 2 G B J 1 6 4 9 0 ， 粉煤灰混凝土应用技术规范i s 1 9 9 0 3 扇正典， 浜田砘夫， 等 一廿、卜7 了 ， 、 y 。耘压5 2 、夕l J 配合 I 二 亨为寅稳的研究 I J 1 土木学会 文集， 2 0 0 2 ， 7 1 8 ( v 一 5 7 ) ： 1 9 3 1 作者简介： 毛明杰( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 副教授， 博士， 主要研究方向结构工程 及新型建筑材料。 联系地址： 宁夏银川西夏区贺兰山西路 4 8 9 号 宁夏大学土木与水利 学院( 7 5 0 0 2 1 ) 联系 电话 ： 0 9 5 1 2 0 6 2 4 4 6 家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 6 】 郑木莲， 陈拴发， 王秉纲基于正交试验的多孔混凝土配合比设计方 法【 J J 同济大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 3 1 9 1 3 2 3 作者简介 联 系地址 联 系电话 钟文乐( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 副教授， 主要从事建筑施工技术的理 论研究与工程应用。 江苏省泰州市迎春东路 8 号 高职院求是楼( 2 2 5 3 0 0 ) l 5 0 0 61 7 5 5 0 8 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m