低品质粉煤灰与超细石灰石粉制备高性能混凝土的研究.pdf

第3 5 卷第3 期 2 01 2 年 5 月 非金 属 矿 Non M e t a l l i c M i ne s Vl01 3 5 N o 3 M a y ，201 2 低品质粉煤灰与超细石灰石粉制备高性能混凝土的研究 孙庆巍 。 朱 涵 崔正龙 ( 1 天津大学 建筑工程学院，天津3 0 0 0 7 2 ；2 辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要针对阜新地产低品质粉煤灰和石灰石粉 ， 采用试验分析的方法全面系 统地研究了 低品质粉煤灰和石灰石粉复掺混凝土的性能。结 果表明， 超细石灰石粉能提高混凝土早期强度并显著改善其工作性能， 粉煤灰则能有效提高混凝土后期强度并改善其耐久性能， 通过物理活化、 采 用低水胶比和外掺超细石灰石粉 ， 低品质粉煤灰 同样可以制备 出高性能混凝土 ， 为建筑业的可持续发展开辟 了一个大宗利用低 品质粉煤灰的有效 途 径 。 关键词低品质粉煤灰石灰石粉高性能混凝土坍落度强度耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 0 5 - 0 4 St ud y o n Hi gh - pe r f or m a nc e Co nc r e t e M a de wi t h Lo w- qua l i t y Fl y As h a nd Supe r - fine Li m e s t o ne Po wde r S u n Qi6 g we i Z h u H a n C u i Z h e n g l o n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n Un i v e r s i t y , T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ； 2 I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d Civ i l E n g in e e r i n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i ty, F u x i n ， L i a o n in g 1 2 3 0 0 0 ) A b s t r a c t A i mi n g a t l o w q u a l i t y fl y a s h a n d l i me s t o n e p o wd e r o f F u x i n ， c o mp r e h e n s i v e r e s e a r c h t o i n f l u e n c e o f l o w q u a l i ty fl y a s h an d l i me s t o n e po wd e r o n mi x e d c o n c r e t e p e r f o r m an c e wa s d o ne b y m e t h o d o f e x p e r i me n t a l a n a l y s i s Re s u l t s h o ws t h at s u p e rfi n e l i me s t o n e po wd e r c a n e n h a n c e e a r ly s e n g t h o f c o n c r e t e and i mp r o v e i t s wo r k a b i l i ty remark a b l y , fl y a s h c an e nh a n c e l o n g -t e r m s t r e n g t h o f c o n c r e t e an d i mp r o v e i t s d u r a b i l i ty, l o w- q u a l i t y fly a s h c a n a l s o p r o d u c e h i g h p e r f o rm an c e c o n c r e t e b y p h y s i c a l a c t iva t i o n ， l o w wa t e r t o b i n d e r r a t i o an d m i x i n g s u pe rfin e l i me s t o n e p o wd e T h e r e s e arc h i n a u g u r a t e an e f f e c t i v e a p p r o a c h t o u t i l i z e s u b s t a n t i a l l o w q u a l i ty fl y a s h f o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y Ke y wo r d s l o w- q u a l i t y fl y a s h l i me s t o n e p o wd e r h i g h -p e r f o r ma n c e c o n c r e t e s l u mp s t r e n gth d ura b i l i ty 粉煤灰是我国排放量较大的工业废弃物之一， 对 其有效利用一直是近年来研究的热点。 目前研究较 多的是将其用在混凝土生产 中， 用来替代部分水泥 ， 不但可 以大量消耗粉煤灰， 减少水泥使用量， 而且有 着减少水化热、 改善混凝土拌合物的流变性、 提高混 凝土的耐久性等诸多优异性能。然而， 现行规范对低 品质粉煤灰在建筑工程 中的应用有着严格的限制 1 ， 而我国电厂产出的粉煤灰绝大部分是 级灰和等外 灰 ， I 、 级灰只 占总产量 的 5 2 1 ， 这就导致我国的 粉煤灰利用率一直无法提升。因此因地制宜地探索 利用低品质粉煤灰的有效方法， 有着较高的经济效益 和社会效益。 地处辽宁省西部的阜新市是我国较大的煤炭生 产基地 ， 每年有上百万吨粉煤灰排放 ， 不但 占用大量 土地， 更给当地带来严重的生态破坏与环境污染。本 研究以阜新 电厂排放的粉煤灰为原料， 采用物理活化 技术并与地产石灰石粉复掺 ， 制备出绿色高性能混凝 收 稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 1 4 基金 项 目：国 家 自然科学基金 ( 5 1 0 7 8 2 6 1)；辽宁省教 育厅基金 ( 2 0 0 8 2 8 2)；中国煤炭工业协会2 0 1 1 年度科 学技术研究指导性计 划 项 目 ( MT KJ 2 0 1 1 3 4 3 )。 5 土 ， 对其强度、 工作性和耐久性进行了研究， 旨在为当 地合理开发利用粉煤灰资源提供参考 。 1 实验部分 1 1 原料粉煤灰： 取自阜新发电厂的原状粉煤灰， 其性质指标见表 1 ， 由表 1 可见， 该粉煤灰品质等级 为级灰； 石灰石 ： 取 自阜新县建设镇石灰石矿 ， 为 生产机制砂时产生的细砂和石屑， 化学成分见表 2 ； 水泥： 阜新鹰山水泥厂生产的P 0 4 2 5 水泥， 表观密度 3 1 g c n 1 3 ， 8 0 g m筛余为 6 4 ； 细骨料 ： 阜新 白玉都河 砂 ， 细度模数 2 9 ， 表观密度 2 5 7 g c m3 ； 粗骨料 ： 阜新 公官营子碎石 ， 规格 5 3 1 5 mm； 拌和用水 ： 自来水 ； 外加剂 ： 上海花王化学有限公司生产的高效高性能 A E减水剂 ， 减水效果 1 0 2 5 。 表1 粉煤灰性质指标 ， o o 表2 石灰石粉的化学成分 o o 1 2 设备X MQ 一 6 7 锥形球磨机， H J W- 6 0 强制式混 第3 5 卷第3 期 非金属矿 2 0 1 2 年5 月 凝土搅拌机， Z H D G- 8 0型混凝土试验用振动台， YH 2 0 B型标准恒温恒湿养护箱 ， WA W- 1 0 0 0 A微机控制 电液伺服万能试验机 ， T L D混凝土坍落度仪 ， 慢冻法 T DS冻融试验箱， L R NY - 1 型多功能氯离子渗透仪 ， I MGS型混凝土硫酸盐干湿循环试验机 。 l -3 实验方法用球磨机将粉煤灰磨细至比表面积 5 0 0 mk g ， 将石灰石粉磨细至比表面积 1 2 0 0 m ， 按 照表 3配合比制成相关试验所需标准试块， 其中基准 试块J Z 0 为无掺合料的水泥混凝土， J Z 1 为用原状粉 煤灰取代 5 0 水泥， J Z 2 为用磨细粉煤灰取代 5 0 水 泥， C L系列试块为用磨细石灰石粉取代 J Z 2掺合料 中5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的磨细粉煤灰， 按照 G B T 5 0 0 8 1 - 2 0 0 2 普通混凝土力学l生能试验方法标准 进行抗压强度试验， 按照 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标准 分别进行抗氯 离子渗透试验、 抗冻试验和抗硫酸盐侵蚀试验。 表3 混凝土试验配合比 ( k g m ) 编号 水泥 粉煤灰石灰石粉 砂 石 水 减水剂 J Z0 4 0 0 0 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 J Z1 2 0 0 2 0 0 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 J Z 2 2 0 0 2 0 0 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CLl 2 0 0 1 9 0 1 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CL 2 2 0 0 l 8 0 2 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CL 3 2 0 0 1 7 0 3 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CL 4 2 0 0 1 6 0 4 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CL5 2 0 0 1 5 0 5 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 CL6 2 0 0 1 4 0 6 0 9 6 0 1 2 8 0 1 4 0 4 2 结果与讨论 2 1 石灰石粉掺量对混凝土强度的影响强度是混 凝土性能的重要指标， 能较全面地反映混凝土的综合 性能。试验时按照设计好的相应配合比制成 1 5 0 mm 1 5 0 m m 1 5 0 IT IIT I 立方体试块进行抗压实验， 结果见 表 4 。 表4 抗压强度与坍落度试验结果 6 从表 4中可见， 掺入原状 粉煤灰后混凝土强度 下降很多， 而掺入磨细粉煤灰后混凝土强度有明显回 升 ， 说明对低 品质粉煤灰实施物理活化能有效发挥其 活性。但不论掺入哪种粉煤灰， 混凝土试块早期强度 都较低， 2 8 d 强度才有明显升高， 这符合粉煤灰早期水 化慢的规律。 不 同石灰石粉掺量下试块的抗压强 度， 见图 1 。 由图 1 可见 ， 随着石灰石粉 掺量 的增 大， 混凝土试 块的 3 d和 7 d抗压强度明显先升高后降低 ， 掺量为 1 5 - 2 0 时达到最高， 而 2 8 d和 6 0 d 抗压强度则总 体呈下降趋势， 说明适量的石灰石粉会提高混凝土早 期强度 ， 但石灰石粉 的掺入对后期强度不利 ； 在龄期 方面 ， 随着龄期延长， 粉煤灰开始水化 ， 这时无论石灰 石粉掺量如何， 试件强度都有较大增长 ， 只掺磨细粉 煤灰的 J Z 2甚至接近水泥混凝土。 8 0 垒 6 0 40 出 螺 2 0 0 ， Z8 6U 龄期d 图1 不 同石灰 石粉掺量 下试块的抗 压强度 低品质粉煤灰往往团状聚集且表面有一层致密 玻璃相结构阻碍其水化反应， 通过粉磨， 将团状粉煤灰 打碎， 并破坏其致密的玻璃相外壳， 使内部具有活性的 s i 0 2 和 o 3 释放出来， 同时粉煤灰细度增大， 可供发 生水化反应的活性表面增多， 因此经粉磨加工物理活 化后的粉煤灰活性有较大提升； 因粉煤灰取代部分水 泥后减少了水泥用量， 并且粉煤灰早期水化反应速度 缓慢， 活性较低， 所以试块早期强度低； 石灰石粉磨成 很高的细度后， 可表现出优异的 填充效应， 使颗粒级配 得到明显改善， 浆体更为密实， 另外， 石灰石粉在水化 时起到微晶核效应 ， 超细石灰石粉颗粒作为一个个成 核场所， 为水泥浆体中水化产物 C S - H提供大量的成 核基体， 降低浆体中水化产物浓度， 促使水泥中水化产 物不断向溶液中迁移， 加速水泥水化进程， 这种加速效 应在水化早期尤其明显， 因而适量石灰石粉可以提高 粉煤灰混凝土早期强度。但石灰石粉对后期强度贡献 不大， 而粉煤灰此时开始发生水化， 大量消耗水泥产物 中的 C a ( O H ) ， 生成更多的 C S - H凝胶， 使混凝土结构 水泥石与集料之间的界面这一薄弱环节得到强化， 成 为后期强度增长的重要来源。 2 2 石灰石粉掺量和水胶比对混凝土拌合物工作性 能的影响一艘 隋况下 ， 加粉煤灰特别是低品质粉煤 孙庆巍朱 涵崔正龙 低品质粉煤灰与超细石灰石粉制备 高性能混凝土的研究 耋 一 0 5 0 4 垡 0 3 * 0 2 0 1 0 _ _ _ _ _ _ _ 0 5 1 0 1 5 2 0 25 3 O 石灰石粉掺量 图3 坍 落度 为 1 9 0n ml 时的水胶 比 变化 2 - 3 石灰石粉掺量和水胶比对混凝土耐久性的影响 2 3 1 石灰石粉掺量和水胶比对抗渗f 生的影响 ： 目前 对掺有石灰石粉混凝土的抗渗透性能尚存在争议 ， 有 人认为石灰石粉能改善混凝土孔结构， 因而对抗渗性 的提高有利， 也有研究表明石灰石粉会降低混凝土抗 渗性 3 】 ， 鉴于混凝土结构抗氯离子渗透性能对耐久性 和使用寿命 的重要性 ， 本研究采 用 R C M 法 ， 用直径 1 0 0 n ll T l 、 高度 5 0 n lln的圆柱体试件进行抗氯离子渗 透试验， 试验结果见图 4 。由图 4 可见， 在水胶比固定 的情况下 ， 随着石灰石粉掺量的增大 ， 渗透系数逐渐 变大。根据前面分析， 石灰石粉对浆体有填充、 密实 作用， 可阻断渗透通道 ， 因此混凝土抗渗性应变好， 为 7 找出抗渗性降低的原因， 实验保持坍落度为 1 9 0 II IIT I ， 并随石灰石粉掺量增大逐渐减少用水量再做抗氯离 子渗透实验， 试验结果也列于图4中， 可见此时抗渗 性明显提高。 0 5 1 0 1 0 20 20 0 石灰 石粉 掺量 图4 试块的抗氯 离子渗透试验结果 通过试验研究说明， 开始抗渗性降低的原 因是 由 于超细石灰石粉 的掺入， 会置换出孔隙中的游离水， 因此在水胶比固定 的情况下， 会增大实际水胶比， 使 浆体浓度降低 ， 增大试块 中的孔隙率 ， 导致抗渗性下 降， 因此， 要想发挥出石灰石粉在混凝土工作性方面 的优势而又不降低其抗渗性， 必须相应减小水胶比， 这一点非常重要 ， 否则掺石灰石粉对耐久性会起到反 作用。 2 3 2 石灰石粉掺量和水胶比对抗冻性 的影响： 抗冻 性能是结构耐久性能的一项重要指标 ， 所以本研究采 用 “ 慢冻 法”对 1 0 0 m m 1 0 0 m mx l 0 0 I n I F l 复 掺混 凝 土立方体试块进行了抗冻试验， 这里主要考查了石灰 石粉掺量和水胶比对抗冻性的影响， 试验结果见图 5 。 图中试块 T L 4 、 T L 5除水胶比降低为 0 - 3 外 ， 其它材料 用量配合比与 C L 4 、 C L 5 相 同。 20 1 5 褂 1 0 唾5 O 2b 5U 1 0U 1 bU ZUU 冻融循环次数 次 图5 试块的抗冻性试验结果 由图 5可见， 随着石灰石粉掺量增大， 混凝土抗 冻性有所改善 ， 但影响比较有限， 而水胶 比对抗冻性 影响较大， 减小水胶比， 可较明显提高混凝土抗冻性， 见试块 T L 4 、 T L 5 。这是 因为水胶比决定可冻结水的 量， 因此水胶比低的混凝土抗冻性好， 对复掺粉煤灰 和石灰石粉的混凝土， 由于超细石灰石粉的填充效应 和粉煤灰的火山灰效应一起发挥作用， 可改善单掺粉 煤灰混凝土的微观结构从而提高其抗冻性 ， 有研究表 明4 1 ， 掺石灰石粉的砂浆中的有害孔明显低于掺粉煤 灰砂浆， 但从本实验看出， 实现这一点的前提必须是 采用适当低的水胶比来有效减少可冻结水的含量。 5 O 5 0 5 O 5 0 4 4 3 3 2 2 1 1 一 z 邑 。 一 o 第3 5 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 2 年5 月 2 _ 3 3 石灰石粉掺量和水胶比对抗硫酸盐侵蚀能力 的影响： 石灰石在硫酸盐环境 中耐蚀能力较差 5 - 6 石 灰石粉的掺入尤其对抵抗碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀 不利， 而粉煤灰的耐硫酸盐侵蚀能力则强于普通混凝 土， 因此， 本实验对粉煤灰与石灰石粉复掺情况下混 凝 土的耐硫酸盐性能进 行了研究， 对石灰石粉的掺 量、 水胶比等因素变化下的试块耐硫酸盐侵蚀规律进 行 了分析 ， 采 用 1 0 0 i n n l x 1 0 0 mmx l O 0 m i l l 立方体试 块， 将其浸入质量分数为 5 的 N a 2 S O 4 溶液中进行 抗硫酸盐侵蚀试验， 结果见图 6 。 干湿 循环 次数 次 图6试块 的抗硫 酸盐侵蚀试验 结果 从图 6可看 出， 随着干湿循环次数增加， 试块的 耐蚀性能均先升高后降低 ， 单掺粉煤灰 的试块耐蚀 能力最强， 随着石灰石粉的掺入， 混凝土耐蚀能力明 显下降， 且下降的速度随石灰石粉掺量增加而加快， 水 胶比为 0 ： 3 5时， 试块均 可达到 K S 9 0 及 KS 1 2 0的 抗硫酸盐等级， 当水胶比降低为 0 - 3后 ( 见试件 T L 4 、 T L 5 ) ， 试块可达到 K S 1 5 0的抗硫酸盐等级， 耐蚀能力 明显增强。因为在硫酸盐环境中， 混凝土孔隙中会生 成石膏晶体和钙矾石， 使孔隙得到填充， 表面密实度 得到提高， 所以早期抗压强度有所增强， 但随浸泡时 间延长， 生成大量的石膏和钙矾石产生较大的膨胀压 力， 使混凝土试件表面产生裂缝 ， 侵蚀介质容易迅速 侵入， 特别是随着石灰石粉掺量的加大， 在硫酸盐溶 液中可导致碳硫硅钙石反应， 造成表面软化和脱落， 强度迅速下降， 耐久性能变差， 石灰石粉掺量越大腐 蚀得越严重 ， 而粉煤灰的大比例掺入不但减少了水 泥用量， 使水泥水化产生的 C a ( O H h相应减少 ， 同时， 粉煤灰水化也可以大量消耗 C a ( O H ) ， 这都会使混凝 土中能与侵蚀介质发生反应的C a ( O H ) 2 减少， 从而 明显改善混凝土抗侵蚀性能； 此外， 粉煤灰水化生成 c s H凝胶填塞了混凝土中的毛细孔隙， 使侵蚀介质 的通道受阻， 磨细粉煤灰和超细石灰石粉的微集料效 应， 可对拌合物进行有效的填充 ， 再加上采 用低水胶 比， 可在保持良好工作性的情况下， 使浆体具有较高 浓度， 这都会有效改善孔结构， 减少孔隙率， 使侵蚀介 质难以侵入和腐蚀， 因此控制石灰石粉掺量和减小水 胶比， 是提高复掺混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的关键。 3 结论 低品质粉煤灰经过磨细活化之后， 活性有较大提 高； 1 5 2 0 掺量的磨细石灰石粉与粉煤灰复掺， 可有效提高粉煤灰混凝土早期强度并由粉煤灰水化 来提供混凝土的后期强度； 在改善工作性方面， 粉煤 灰和石灰石粉有叠加效应 ， 特别是超细石灰石粉能显 著改善混凝土流变性能 ； 通过试验合理选择石灰石粉 的掺量和降低水胶比， 可以有效改善混凝土孔结构进 而提高其耐久性。通过物理活化、 优选水胶比和超细 石灰石粉掺量， 低品质粉煤灰同样可以制备出绿色高 性能混凝土。 参考文献： 1 】水利水电科 学研究院 GB J 1 4 6 9 0粉煤灰混凝 土应用技 术规 范 【 s 】 北京 ： 中国计划 出版社 ， 1 9 9 1 2 柯 国军， 杨 晓峰 ， 彭红 ， 等 化 学激发粉煤灰活性机 理研 究进展 煤炭 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 3 ) ： 3 6 6 3 7 0 3 宋少民， 杨柳， 徐 国强 石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝土耐 久性 能的影响 J 土木 工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 3( 增刊 ) ： 3 6 8 3 7 2 4 】 刘数华， 阎培渝 石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影 响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 6 9 - 7 2 【 5 邓德华， 肖佳 ， 元强， 等 石灰石粉对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性 的 影响及其机理 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 2 4 3 1 2 4 8 6 I i a s s a r EEB o n a v e t t i VL ， T r e z z aMA， e t a 1 T h a u ma s i t ef o r m a t i o ni n l ime s t o n e fi l l e r c e me n t s e x p o s e d t o s o di u m s u l p h a t e s o l u t i o n a t 2 0 明 C e mC o n erC o mp o , 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 7 7 8 4 她 ( 上接 第 4页) 7 Mit c h e l l J S a n t a ma r i n a J C B i o l o g i c a l c o n s i d e r a t i o n s in g e o t e c h n i c a l e ng i n e e rin g J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l a n d Ge o e n v i r o n m e n t a l En g i n e e fi n g ， 2 0 0 5 ， 1 3 I ( I o ) ： 1 2 2 2 1 2 3 3 8 F e mand e s E A p p l i e d mi c r o b i o l o g y and b i o t e c h n o l o gy i n t h e c o nse r v a - t i o n o f s t o n e c u l t u r a l h e r i t a g e ma t e r i a l s Ap pl i e d M i c r o b i o l o gy a n d B i o t e c h n o l o g y , 2 0 0 6 ， 7 3 ( 2 ) ： 2 9 1 2 9 6 9 De Mu y n c k W De B e l i e N， V e r s l r a e t e W I mp r o v e ment o f c o n c r e t e d u r a - b i 1 w t h e a id o f b a c t e r i a C P r o c e e d i n g s o f the F i r s t I n t e r n a ti o n a l C o n f e mn c e o nS e l f H e a l i n gMa t e r i a l s No o r d wi j k阻nZ e e Ne the r l and s ： S p ri n g e r , 2 0 0 7 ： 1 1 1 8 1 0 王瑞兴， 钱春香 微生物沉积碳酸钙修复水泥基材料表面缺陷 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 5 7 4 6 5 1 1 钱春香 ， 王剑云 ， 王瑞兴 ， 等 微 生物沉积方解石的产率 【 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 1 8 6 2 1 1 2 R a ma c h a n d r an S K R a ma k r i s h n an V Bang S S R e me d i a t i o n o f c o n - c r e t e u s in g mi c r o o a n i s ms ACI M a t e r i a l s J o u rn a l ， 2 0 01 ， 98 ： 3 9 【 1 3 An d e r s e n F A， B r e c v i c L I n f r a r e d s p e c t r a o f a mo r p h o u s and c r y s t a l l i n e c a l c iu m c a r b o n a t e【 J 】 A c t a C h e mi c a S c and i n a v i c a ， 1 9 9 1 ， 4 5 ：