大掺量粉煤灰混凝土抗渗抗冻耐久性研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 (总 第 2 6 6 期 ) Nu mb e r 1 2 i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RJ AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 2 4 大掺量粉煤灰混凝土抗渗抗冻耐久性研究 王鹏 ，杜应吉 ( 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 咸阳 7 1 2 1 0 0 ) 摘要： 大掺量粉煤灰混凝土作为一种经济的绿色高性能混凝土， 在工程建设中逐步得到广泛应用。 混凝土的抗渗， 抗冻性能是评价混 凝土结构耐久性的重要指标。 结合实际工程， 研究了大掺量粉煤灰混凝土的抗渗及抗冻性能， 对其作用机理进行了分析， 试验结果表明： 当粉煤灰掺量为 6 0 时， 大掺量粉煤灰混凝土的抗渗及抗冻性能最好； 随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土的抗压强度早期下降幅度较大， 后 期强度增长较快； 在工程建设中大量的应用粉煤灰混凝土仍可满足实际工程需要 ， 降低工程造价， 节约资源。 关键词： 大掺量粉煤灰；抗渗；抗冻；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 2 0 0 7 6 0 3 Re s e ar c h on f r os t - - r e s i s t an c e a nd a nt i - - pe r mea bi l i t y dur a bi l it y of hi gh v ol ume f l y as h c on c r e t e WANGP e n g ， DUY in g -fi ( C o l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e a n dA r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g ， No r t h we s t A&FUn i v e r s i t y ， Xi a n y ang 7 1 2 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Hi 曲 v o l um e fl y a s h c o n c r e t e a s a g r e e n e c o n o mi c p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ， s t e p b y s t e p i n p r o j e c t c o n s t r u c t i o n i s wi d e l y u s e d Co n c r e t e i mp e r me a b i l i t y a n d fro s t r e s i s t anc e a r e i mp o r t a n t i n d i c a t o r s t o e v a l u a t e t h e d ura b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s Co mb i n e d wi th the a c t u a l c h a n ne l pr o j e c t ， s t u d i e s o f t h e h i g h fl y a s h a c t o n t h e p r o p e rt i e s o f c o n c r e t e p e r me a b i l i ty f r e e z e a n d ana l y z e s i t s me c h ani s m o f a c t i o n ， r e s u lt s s h o we d t h a t ： Wh e n the fl y a s h 6 0 ， I mp e rm e a b i l i ty a n d a n t i fr e e z e o f h i【g h v o l um e fl y ash c o n c r e t e a r e t h e b e s t ； Wi t h the i n c r e a s e o f fl y a sh ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e t h a n the e arl y d e c l i n e s l a r g e ， r a p i d g r o wt h i n t h e l a t e s tr e n g t h ； a l arg e n u mb e r o f a p p l i c a t i o n s o f fl y a s h c o n c r e t e i n p r o j e c t c o n s t r u c t i o n c a n me e t the e n g i n e e r i n g n e e d s ， r e d u c e p r o j e c t c o s t a n d s a v e r e s o u r c e K e ywo r d s ： h i 曲 v o l um e f l y a s h ； ant i p e rm e a b i l i t y ； f r o s t r e s i s t a n c e ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引言 近年来， 大掺量粉煤灰混凝土已日趋发展成熟， 并逐步在桥 梁、 道路、 水利、 房建、 港口等工程中得到广泛的应用【1 。 粉煤灰取代 水泥不仅可以减轻环境负荷， 而且普通混凝土中掺入粉煤灰， 既起 到微细集料的作用， 又可以改善界面微观结构， 细化了孔结构， 再 加上粉煤灰的活性效应， 改善了混凝土的性能口 。 然而多年来， 在粉 煤灰的掺量问题上一直持比较保守的态度。 混凝土能否长期作为 最主要的建筑材料， 关键在于能否节约能源， 处理工业废渣， 减少 环境污染日 。 粉煤灰混凝土是以耐久 生 为目标设计的混凝土， 随着 我国工程建设的不断发展， 特别是有抗渗及抗冻要求的各种混凝土 工程， 应当合理大量的使用粉煤灰， 以节约水泥， 降低工程造价及 提高结构耐久性为目标。 目前对于粉煤灰混凝土抗渗及抗冻耐久 性的研究较多， 但对大掺量粉煤灰混凝土抗渗及抗冻的研究还有 待进一为步加强。 本研究结合实际混凝土工程研究大掺量粉煤灰 混凝土的抗渗性能、 抗冻性能及抗压强度的变化规律， 为大掺量粉 煤灰混凝土在工程建设领域中的 广泛应用捌 定的理论依据。 强度分别为4 5 5 、 9 1 MP a ； 粉煤灰选用宁夏大坝电厂生产的I 级 粉煤灰， 细度 4 8 ， 需水量比9 1 ， 烧失量 0 4 7 ； 砂料： 选用宁 夏粗砂 ， 细度模数 2 8 ， 表观密度 2 6 6 g c m3 ， 含泥量 3 7 ； 石料 ： 选用宁夏铡 I I 镇北堡碎石， 堆积密度为 1 3 4 4 k g m 3 ， 吸水率 0 5 ； 外加剂选用高效减水剂采用宁夏灵武鑫海实业总公司生产的 NF 5 A； 引气剂采用金星混凝土外加剂有限公司生产的J O P型。 1 2 试验 配合 比设 计 本次试验采用超量取代法( 超量取代系数 K = I 3 ) ， 试验配 合比见表 1 。 表 1 粉煤灰 混凝土配合 比 试验 粉煤灰减水剂 含气量 材料用量 ( k g m ) 编号 水胶 比 掺量 掺 量 萌 1 试验原材料、 配合比设计 2 试验结果及分析 1 1 试验原材料 水泥采用宁夏“ 赛马” P 04 2 5 级水泥， 2 8 d 抗压强度， 抗折 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 6 - 0 9 基金项 目：国家“ 十一五” 科技支撑计划重点项目( 2 0 0 6 B A D 1 1 B 0 3 ) 7 6 2 1 粉煤灰掺量对抗渗生 能的影响 混凝土的抗渗性一直被认为是评价混凝土耐久性的重要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 指标 ， 这是由于混凝土的渗透性反映了外部介质在混凝土中渗 透 、 扩散和迁移的难易程度， 而混凝土的劣化或破坏就是外部 介质侵入混凝土内部造成的4 1 。 混凝土建筑物的渗漏和冻融破 坏更是严重影响其耐久I 生， 为了研究粉煤灰混凝土耐久性， 就不 得不考虑其抗渗性能。 本次抗渗试验测定粉煤灰掺量为0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 时， 试件的渗水高度和粉煤灰掺量之间的关系， 试验结果见表 2 。 表 2 粉煤灰混凝土抗渗试验结果 从表 2可以得出， 5组试件的抗渗性能均高于抗渗等级的 要求， 粉煤灰混凝土抗渗性能整体呈先增大后减小的趋势， 由此 可以判断粉煤灰混凝土的抗渗性能存在最优掺量。 从试验结果 可以看出， 在粉煤灰掺量为 2 0 6 0 时， 基准混凝土的抗渗性 能与粉煤灰混凝土相比较差， 主要是由于其内部存在有连通的 渗水孔道 ， 这些孔道主要来源于水泥浆多余水分蒸发和泌水后 留下的毛细孔道 ， 以及粗颗粒下缘聚积的水隙闷 。 并且可以得 出， 粉煤灰掺量为 6 0 时， B 试件的渗水高度与基准混凝土相比 降低了5 2 ， 抗渗性能最好。 从总体抗渗性能上看， 掺粉煤灰混 凝土的抗渗性能随着粉煤灰掺量的增加而提高， 对比B 。 和B 试 件， 粉煤灰掺量为 8 0 时， 粉煤灰混凝土的渗水高度较基准混 凝土略微增加 ， 这主要是由于粉煤灰掺量过大时， 部分粉煤灰 替代砂， 因为粉煤灰的颗粒较小， 不能充分的填充孔隙造成的， 但仍可满足该工程的抗渗等级 P 6的要求， 可见在粉煤灰掺量较 大的情况下仍具有良 好的抗渗效果。 本次试验可以得出， 当粉煤灰掺量6 0 时， 混凝土的抗渗 性能基本上呈上升趋势。 分析其原因： 这是由于粉煤灰颗粒较小 且被熟石灰活化， 改善了粉煤灰的颗粒结构 ， 使粉煤灰具有一 定的胶凝性 ， 既填充了水泥水化后的微t J , L 隙， 又加速了水泥 水化， 使混凝土的密实度得以提高， 改善了混凝土的微孔结构问 。 同时， 由于粉煤灰的形态效应， 能减少单位用水量 ， 进而减少多 余水在混凝土硬化后所形成的直径较大的孔隙。 再者， 基准混凝 土中水泥石集料界面过渡区存在较多的 C a ( O H) 晶体， 这些晶 体有择优取向、 定向排列的现象 ， 粗大的 C a ( O H) ： 晶体对界面 的黏结强 ， 非常有害。 而粉煤灰的微集料效应 ， 使微细的粉煤灰 颗粒充当着 C a ( O H) 的结晶晶种角色， 使氢氧化钙晶体细化 ， 取向更为随机 ， 有效地限制氢氧化钙晶体的择优取向刀 。 正是在 这些效应的共同作用下， 使得粉煤灰混凝土的密实性得到提高， 这对于改善混凝土的抗渗， 抗冻以及耐久性都是有益的。 2 2 粉煤灰掺量对抗压强度的影响 抗压强度也是评价混凝土结构耐久性的重要指标 ， 根据 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 中的相关规定 ， 进行粉煤 灰混凝土抗压强度试验， 试验结果见表 3 。 从表 3中可以得出， 随着粉煤灰掺量的不断增大， 混凝土 的 7 d强度下降幅度较大。 对比 和 B ， 7 d抗压强度下降了 3 6 2 。 随着龄期的增长， 粉煤灰混凝土的抗压强度增幅较大， 粉 煤灰掺量为 6 0 8 0 时 ， 2 8 d龄期和 6 0 d龄期的抗压强度已 趋近或超过基准混凝土。 随着龄期的增长 ， 6 0 d龄期抗压弹性 表 3 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度及抗压弹性模量影响的试验 结果 模量与 2 8 d 龄期抗压弹性模量相比， 基本上也呈增加趋势， 掺量 为 6 0 时， 增高 l l ， 掺量 8 0 时与 2 8 d龄期基本接近， 但是 增幅不是很明显。 这与以往对粉煤灰混凝土的研究结论是一致 的， 即掺粉煤灰混凝土的早期强度下降较大 ， 而对后期强度影 响不大， 后期强度增幅较高 ， 主要是由于粉煤灰的火山灰效应 所决定的， 粉煤灰与水泥进行二次水化反应发挥胶凝作用， 必须 首先破坏粉煤灰中微珠表面致密的玻璃质表层以及水泥水化 产物氢氧化钙和 C S H在粉煤灰颗粒表面形成的包裹层。 这一 过程是比较缓慢的， 随着龄期的增长， 粉煤灰活性提高 ， 火山灰 反应速度加快 ， 活性效应和胶凝作用越来越明显， 火山灰反应 形成的C S H凝胶使混凝土后期强度增长很快 8 】 。 可见 ， 掺人粉 煤灰有利于提高混凝土的密实度 ， 进而提高粉煤灰混凝土的抗 渗和抗冻性， 且在粉煤灰掺量为 8 0 时， 也可满足 C 2 0的设计 强度等级要求。 2 3 粉煤灰掺量对抗 冻性能的影响 抗冻性能是评价混凝土结构耐久性最具代表性的指标 ， 冻 融破坏严重影响混凝土结构的生命周期。 冻融作用下， 由于混凝 土的膨胀和收缩而产生交替变形， 从而导致混凝土结构破损。 解 决以及如何提高我国混凝土建筑物的抗冻性能 ， 已经成为工程 领域最为关注的安全问题 ， 目前对于混凝土冻融破坏的机理研 究较多， 但是国内外尚未形成较为一致的观点。 这使得实际工程 中对如何提高混凝土抗冻性 ， 以及对掺粉煤灰混凝土在一些重 要工程部位的应用等问题存在不同看法 ， 所以研究大掺量粉 煤灰混凝土的抗冻性能显得尤为重要。 本次试验根据 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 中的相关规定 ， 进行粉煤灰混凝土 的快速冻融试验， 研究粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响， 在 满足抗冻等级要求的前提下加大粉煤灰掺量到 8 0 ， 进行 2 8 d 龄期的抗冻融试验， 为了进一步研究粉煤灰混凝土的抗冻性能， 在 2 8 d龄期抗冻试验的基础上进行 6 0 d龄期粉煤灰混凝土抗 冻试验， 结果见表 4 。 由表 4可以得出， 2 8 d龄期粉煤灰混凝土的抗冻性能随着 粉煤灰掺量的增加而降低， 粉煤灰掺量 6 0 时， 相对动弹模量 下降较为缓慢 ， 粉煤灰掺量6 0 时 ， 下降较大。 冻融 1 5 0 次后， 粉煤灰混凝土质量损失均未超过 5 ， 相对动弹模量均在 9 0 左 右。 粉煤灰掺量为 8 0 时， 冻融 1 0 0 1 5 0次， B 4试件的质量损失 增大 3 6 ， 相对动弹模量分别降低 4 4 ， 但是仍满足抗冻要求， 在工程上应用是可行的。 粉煤灰掺量为 6 0 时， 质量损失率低于 基准混凝土且相对动弹模量高于 9 0 。 试验结果可以得出， 粉 煤灰掺量为 6 0 时， 抗冻性能最好， 原因在于粉煤灰的填充效 应和火山灰效应改善了混凝土的孔结构。 对比6 0 d龄期和 2 8 d 龄期粉煤灰混凝土相对动弹模量的变化 ， 6 0 d 龄期的相对动弹 模量均高于 2 8 d 龄期 ， 粉煤灰掺量为 6 0 8 0 时， 相对动弹模 量分别提高 3 和 6 ， 可见龄期对粉煤灰混凝土的抗冻性能有 显著影响， 主要是由于粉煤灰的火山灰效应形成了新的胶凝物 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表4 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能影响的试验结果 质， 提高了混凝土的致密程度， 减少了水分的渗透路径造成的。 综上分析可得大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性能随龄期增长有 一 定提高， 可满足混凝土工程的抗冻要求。 3结 论 ( 1 ) 掺人大量的粉煤灰后 ， 混凝土的抗渗性能有了明显的 改善， 且在掺量为 6 0 时， 抗渗性能最好 ， 对于有抗渗要求的混 凝土工程大量的掺用粉煤灰提高抗渗能力和降低工程造价 ， 有 重要实际意义。 ( 2 ) 粉煤灰混凝土的强度随粉煤灰掺量的增加， 早期强度 降低幅度较大， 后期强度有较大的增幅， 且 6 0 d龄期强度均达 到或趋 近于 C 3 0混凝 土。 ( 3 ) 随着粉煤灰掺量的增加 ， 混凝土的抗冻性能呈下降趋 势， 粉煤灰掺量为 6 0 时， 粉煤灰混凝土的质量损失率较小及 相对动弹模量在 9 0 以上， 抗冻性能最佳且随着龄期的增长 ， 抗 冻性能得到提高。 ( 4 ) 通过对大掺量粉煤灰混凝土的抗渗和抗冻性能的试验 研究， 可以得出在工程中应用大掺量粉煤灰混凝土是完全可行 的， 以期为今后工程建设加大粉煤灰利用力度， 节约资源提供 一 定 的理论支持 。 中的应用 粉煤灰， 2 0 1 0 ： 2 2 ( 4 ) 2 】吕德生， 王振华 新疆天然骨料粉煤灰混凝土抗渗性研究【 J 水利与 建筑工程学报， 2 0 0 8 ， 6 ( 2 ) ： 6 7 8 0 3 李维 ， 王献军粉煤灰高性能混凝土的试验研究 J _ 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 0 9 1 1 2 4 杨钱荣掺粉煤灰和引气剂混凝土渗透性与强度的关系【 J J 建筑材料 学报， 2 0 0 4 ， 7 ( 4 ) ： 4 5 7 - 4 6 1 5 5 赵蕴林 粉煤灰对混凝土抗压强度、 抗渗性性能的影0 8 J 1 四川轻化 工学院学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 2 ) ： 6 9 7 1 【 6 唐金明， 于 3 3 - 3 4 山东交通科技， 2 0 0 1 ( 4 ) 7 】崔自治， 王咏梅粉煤灰与粉煤灰混凝土性能们宁夏工程技术， 2 0 0 5 ， 4 ( 1 ) ： 9 0 - 9 2 8 8 杜敏大掺量粉煤灰混凝土力学性能的研究【 J 湖南交通科技 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 2 ) ： 9 4 9 7 9 9 潘刚华， 等 j 5 ( 1 ) ： 3 7 4 l 建筑材料学报， 2 0 0 2 ， 作者简介 联 系地址 参考文献 ： 1 】李中原， 辛酉阳， 李修 c ：m大掺量粉煤灰混凝土在大体积混凝土工程 联系电话 上接第 7 5页 ( 3 ) 用海砂或尾砂替代标准砂制备的水泥胶砂流动度比标 准砂的小很多， 砂的圆度越大， 棱角越少 ， 流动性越好。 河砂的 抗折强度与标准砂相近； 海砂由于颗粒较圆， 与水泥浆黏结力 较小 ， 抗折强度不如其他好 ； 尾砂粗糙的颗粒与水泥浆黏结力 较大， 抗折强度发展迅速。 河砂的抗压强度也与标准砂相近 ； 海 砂的抗压强度 比河砂稍低 ， 差别不大； 尾砂颗粒裂缝多 ， 缺陷 多， 在颗粒内部发生了破坏， 抗压强度最低。 ( 4 ) 海砂制备 C 6 5 混凝土的工作性能与河砂极为相似， 尾 砂制备 C 6 5 等级混凝土时比河砂黏， 工作性能比河砂差。 混凝土 各龄期抗压强度中尾砂最大 ， 河砂和海砂差别不大， 这与集料 的圆度大小顺序一致。 参考文献 1 】 苏东甫， 王桂全我国海砂资源开发现状与管理对策探讨 海洋开 发与管理， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 6 4 6 7 ( 2 】 洪乃丰 海砂腐蚀与“ 海砂屋” 危害 J 工业建筑， 2 0 04( 1 1 ) ： 6 5 6 7 3 】 张泳 沿海地区海砂利用及所引发问题的研究们 四川建筑， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 2 9 1 3 O 【 4 】 陈坚， 胡毅 海砂混凝土耐久性研究现状综述 混凝土， 2 o l o ( 1 1 ) ： 7 8 王鹏( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 水工结构耐久性 研究。 陕西省杨凌区西北农林科技大学南校区水利与建筑工程 学院 5 l 号信箱( 7 1 2 1 0 0 ) 1 3 5 7 1 9 9 5 1 9 7 l l 7 一l l 8 5 肖建庄， 卢福海， 孙振平 淡化海砂高性能混凝土氯离子渗透性研 究【 J 】 工业建筑， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 4 6 【 6 】傅沛兴 比粒匿一种表示砂石粒度的新概念叨 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 1 ) ： 1 - 5 7 黄华县， 欧阳东， 等_模拟海砂混凝土氯离子渗透性试验研究 J 1 混凝 土 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 2 2 4 【 8 S AN T A MAR I N A J C， C AS C AN T E G E f f e c t o f s u r f a c e r o u g h R e s s o n w a v e p r o p a g a t i o n p a r a me t e r s J G e o t e e h n i q u e ， 1 9 9 8 ， 4 8 ( 1 ) ： 1 2 9 1 3 7 f 9 19 WA D D E L L H V o l u m e ， s h a p e a n d r o u n d n e s s o f r o c k p a r t i c l e s J J o u ma l o f G e o l o g y ， 1 9 3 2 ( 4 0 ) ： 4 4 3 5 1 1 0 】 王稷良， 等 机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响 J 】 武汉理工大 学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 2 0 2 4 作者简介 联系地址 联 系电话 ： 尹飞龙( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 在读硕士研究生， 主要研究方向为建 筑材料和结构耐久性。 广州市黄埔大道西 6 0 1 号 暨南大学土木工程试验楼二楼 ( 5 1 0 6 3 2 ) 1 8 9 22 4 9 7 9 9 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m