膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土强度与碳化的影响.pdf

第 4 3卷第 8期 2 0 1 2年 8月 Vo 1 4 3 No 8 AU g 2 0 1 2 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o w 7 5 5 膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土强度与碳化的影响 宋少 民，贾博雅 ( 北京建筑工程学院 北京市绿色建筑与节能技 术重点试验室 ， 1 0 0 0 4 4 ， 北京 ) 摘 要 ： 在 大掺量粉煤灰混凝土 中， 粉煤灰掺量越大 ， 混凝土强度和抗碳化性 能下降幅度越大 ， 而膨胀剂的 加 入对大掺量混凝土强度有改善作用 ， 对 自然碳化性 能影响不大 ， 但可提高抵抗强制碳化能力。 大掺量粉煤灰混 凝土后期强度 的发展规律表明其强度验收龄期应延迟到9 0 d 。得出一个最优辅助胶凝材料掺量组合 ， 粉煤灰掺 量为5 0 6 0 ， 膨胀剂掺量为6 ， 在此条件下胶凝材料具有 良好的膨胀与强度 的协调性 。 关键词 ： 膨胀剂 ； 粉煤灰混凝土 ； 混凝土强度 ； 碳化 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 7 5 5 0 3 I NFLUENCE oF EXPANSI oN AGENT oN S TRENGTH AND CARBONI ZATI oN oF HI GH VoLUM E PoW DERED CoAL AS H CoNCRETE SONG Sh a o-mi nJ I A Bo y a ( B e ij i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，B e ij i n g K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n B u i l d i n g a n d E n e r g y E f f i c i e n t T e c h n o l o g y ，1 0 0 0 4 4 ，B e i j i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ： I n h i g h v o l u me fly a s h c o n c r e t e ， t h e h i【g h e r o f fl y a s h v o l u me ， t h e c o n c r e t e s t r e n g t h a n d c a r b o n i z a t i o n r e s i s t a n c e Ex p a n s i o n a g e n t ma y a me l i o r a t e t h e s t r e n g t h o f h i g h v o l u me fly a s h c o n c r e t e ，a n d i t h a s l i t t l e i n flu e n c e o n n a t u r a l c a r b o n i z a t i o n a n d c o u l d i mp r o v e t h e r e s i s t a n c e a g a i n s t c o mp u l s i v e c a r b o n i z a t i o n De v e l o p me n t l a w o f L o n g a g e p e rio d s t r e n gth o f h i g h v o l u me fly a s h c o n c r e t e i n d i c a t e s t h a t i t s s t r e n gth e v a l u a t i o n a g e s h a l l b e p r o l o n g e d t o 9 0 d a y s Th e r e i s a n o p t i mu m mi x i n g p r o p o i o n f o r a u x i l i a r y c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s ， wh e r e fl y a s h o c c u pi e s 5 0 t o 6 0 a n d e x p a n s i o n a g e n t t a k e s u p 6 I n t h i s p r o p o r t i o n ， c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s h a v e f a v o r a b l e c o o r d i n a t i o n b e t we e n e x p a n s i o n a n d s t r e n gth Ke y wo r ds ：e x p an s i o n a g e n t ；fl y a s h c o n c r e t e ；c o n c r e t e s t r e n gth ；c a r b o n i z a t i o n 我国膨胀剂的开发和应用已有2 0 多年历史 国内外 很多学者对同时掺加膨胀剂和粉煤灰的混凝土也做了 相关的研究，大多数的研究都是针对混凝土的膨胀率、 养护条件 、 补偿收缩和水灰比等方面l - 4 1 。 对膨胀剂对大掺 量粉煤灰混凝土的抗压强度和抗碳化性能方面的研究 也有所涉及5 j6 1 。 但一般研究混凝土粉煤灰掺量较少， 且研 究的龄期较短 。 所得结论对于大掺量粉煤灰混凝土不一 定适用。鉴于众多学者已提出将大掺量粉煤灰混凝土的 验收龄期 由原来的2 8 d 上升到9 0 d ， 本文以此为出发点， 研究较长龄期条件下 ， 膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土的 抗压强度和抗碳化能力的影响。 l 试验方法 1 1 试 验原 材料 ( 1 )水泥 ： 采用P 0 4 2 5 水泥 ， 质量须符合 通用硅 酸盐水泥 ( G B 1 7 5 2 0 0 7 ) 的规定。标准稠度用水量为 2 7 8 。 初凝时间为1 8 0 mi n ， 终凝时间为3 2 0 mi n ， 3 d 抗 折强度为3 9 MP a ， 抗压强度 为1 6 0 MP a ； 2 8 d 抗折强度 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 6 2 7 作者简介 ： 宋 少民 ( 1 9 6 5 一 ) ， 北京市人 ， 教授 ， e - m a i l ： s o n g s h a o mi n b u c e a e d u c n 为7 1 MP a ， 抗压强度为4 4 5 M P a 。 ( 2 )骨料 ： 粗骨料堆积密度为1 5 1 0 k g m ， 表观密 度为2 6 5 0 k g m ， 孔隙率为4 2 0 ； 细骨料堆积 密度为 1 6 6 0 k g m ， 表观密度 为2 5 6 0 k g m ， 孔隙率为4 2 9 。 ( 3 )外加剂 ： 采用萘系减水剂( 固体含量为4 0 ) 。 ( 4 )粉煤灰 ： 采用 级粉煤灰 ， 细度1 1 2 ( 4 5 m筛 余量 ) ， 需水量 b 1 0 2 。 ( 5 )膨胀剂 ： 采用H C S A 高效混凝土膨胀剂。 1 2 试验 方 法及混 凝 土的配 合 比 混凝土强度试验采用边长为 1 0 0 m m的立方体试 件。粉煤灰掺量( 5 O ， 6 0 ) 和养护时间( 1 4 d ) 保持不 变 的条件下 ， 试验通过变化H C S A 膨胀剂 的掺量 ( 6 ， 8 ， 1 0 )来研究水泥一 粉煤灰一 膨胀剂复合胶凝材料 的抗压强度和碳化深度 ， 试验配合比如表1 所示 。混凝 土成型后 ，带模湿养护7 d ，碳化试验条件为养护1 4 d 后 ， 在 自然条件下自然碳化 。 2 试验结果与讨论 2 1 膨胀 剂掺 量对 混凝 土抗 压 强度发 展规律 的影 响 混凝土的抗压强度随HC S A 膨胀剂 的掺量和龄期 变化 曲线如图1 所示。可看出 ， 掺加膨胀剂能提高混凝 7 5 6 建筑技术 第 4 3 卷第 8期 表1 混凝土配合比 k g m 序号 水泥 粉煤灰 砂子 石子 水 水 胶比 减水剂 膨胀剂 O F 5 O 2 o O 2 o o 8 l O 9 7 0 1 4 9 04 0 9 2 O 6 F 5 0 1 7 6 2 0 0 8l O 9 7 0 1 4 9 0 4 0 8 O 2 4 8 F 5 0 1 6 8 2 0 0 8 1 O 9 7 0 1 4 9 0 4 0 9 2 3 2 1 OF 5 0 1 6 0 2 0 0 81 0 97 0 1 4 9 0 41 8 O 4 0 0 F 6 0 1 6 0 2 40 81 0 97 0 1 4 5 O - 3 9 9 2 0 6 F6 0 1 3 6 2 4 0 81 0 9 7 O 1 4 5 0 4 0 8 O 2 4 8 F6 O 1 28 2 4 0 81 O 9 7 0 1 4 5 O - 3 9 9 2 3 2 1 0 F 6 0 1 2 O 2 4 0 81 0 9 7 0 1 4 5 0 4 0 8 O 4 0 注 ： 6 F 5 0 代 表膨 胀 剂掺 量 为6 粉 煤 灰 掺 量 为5 0 的混 凝 土 ， 依 次 类 推 。 土的抗压强度。 总体 上看 ， 掺加膨胀剂的混凝土在各龄 期的强度都有不 同程度的提高。当龄期达到1 8 0 d 时 ， 6 膨胀剂掺量的混凝土 ， 强度高于8 和1 0 掺量的混 凝土。 在5 0 粉煤灰掺量条件下 ， 相对未掺加膨胀剂的 混凝土 ， 膨胀剂掺量为6 的混凝土2 8 d 强度提高了8 0 MP a ， 龄期达到1 8 0 d 时 ， 强度提高了5 0 MP a ； 在6 0 粉 煤灰掺量条件下 。 相对未掺加膨胀剂的混凝土 ， 膨胀剂 掺量为6 的混凝土2 8 d 强度提高了1 5 MP a ， 龄期7 0 d 时， 强度提高了7 9 MP a ， 龄期达到1 8 0 d 时 ， 强度提高了 8 2 MP a 。不 同胶凝材料组成混凝土在2 8 d J 7 0 d 龄期 内的强度增长速率较快 。而7 0 d 到1 8 0 d 的增长速率相 对较慢 。 在此期间增长值一般不N5 MP a 。且并未明显 表现 出混凝土强度随着膨胀剂的增加而变高的趋势。 在实验过程中发现 ， 掺加8 膨胀剂的混凝土试件脱模困 难， 掺) J H 1 0 膨胀剂的混凝土试件的模具大部分胀裂 ， 所 以掺加8 1 0 膨胀剂的混凝土膨胀量过大 ，虽对混凝 龄 期 d ( a ) 龄期 d f b ) 图1 不同膨胀剂掺量对大掺量粉煤 灰混凝 土抗压强度的影响曲线 ( a ) 第一组 ； ( b ) 第二组 土强度影响不大 ， 在实际工程中并不可取。膨胀剂掺量 为6 的混凝土在两种不同粉煤灰掺量条件下的强度增 长都较 为稳定 ， 故可认为其膨胀剂掺量较为合适 ， 对大 掺量粉煤灰混凝土的强度发展有利。 2 2 膨 胀剂 掺量 对混 凝土碳 化 深度的 影响 膨胀剂掺量对大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的影 响如图2 所示。一般而言 ， 混凝土的碳化深度随时间延 长而逐渐变大 。 大掺量粉煤灰混凝土 ， 粉煤灰 占胶凝材 料比例超过5 0 后 ，可能结构密实度与氢氧化钙晶体 数量失去良好的协调性 ，故混凝土抗碳化性能有所降 低 。然而 ，掺加膨胀剂可在早期形成一定数量的钙矾 石 ， 可能减小孔隙率， 使得混凝土的结构更加 密实 ， 希 望能提高混凝土的抗碳化能力。由图可知 ， 到达 1 8 0 d 龄期时，不同膨胀剂掺量的混凝土抗碳化能力表现出 的规律并不明显 。这可能是掺加较多膨胀剂的混凝土 有胀裂， 微结构缺陷增加导致的。 一般而言， 掺加6 的 H C S A 膨 胀 剂对 改 善大 掺 量粉 煤 灰 混凝 土 的抗 碳 化 能 力虽有影响 ， 但不够显著。当粉煤灰掺量为5 o H ,2， 2 8 d 混凝土碳化深度为0 1 m m， 1 8 0 d 混凝土碳化深度为 5 5 mm：当粉煤灰掺量为6 O 时 。 2 8 d 混凝土碳化深度 为0 5 i n to。 1 8 0 d 混凝土碳化深度为7 0 m m。 膨胀剂掺量 为1 O 时 ，对大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力改善 不是很明显。2 8 d 之前由于混凝土有较好的养护条件 ， 故其碳化速率较为缓慢。2 8 d 之后其碳化速率明显加 快 ，可见前期的养护条件对混凝土的抗碳化能力的提 高也有显著的帮助。 1 o o 1 5 O 龄 期 d ( a ) 1 0 0 1 5 0 龄期 d ( b ) 图2不同膨胀剂掺量对大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的影响曲线 ( a ) 第一组 ； ( b ) 第二组 2 0 1 2 年 8 月 宋少民 ， 等 ： 膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土强度与碳化 的影响 7 5 7 2 - 3 粉煤 灰掺 量对 混凝 土抗压 强 度发展 规 律的 影响 不同粉煤灰掺量对含膨胀剂掺量为6 的混凝土抗 压强度影响如图3 ( a ) 所示。试验结果表明 ， 由于大掺量 粉煤灰掺入产生的结构多孔和界面过渡区薄弱导致了 混凝土强度的减弱。 粉煤灰掺量为5 0 和6 0 时 混凝土 在每个测定龄期的抗压强度都随粉煤灰含量的增加而 降低。粉煤灰混凝土的强度增长主要集中于7 0 d 龄期以 前 ， 在7 O d 到1 8 0 d 龄期过程中， 强度增长幅度很小 ， 由此 可见 ， 在本试验条件下 ， 大掺量粉煤灰混凝土粉煤灰 占 胶凝材料比例超5 0 后 ， 强度在9 0 d 以前增长幅度较大 此后强度变化不大。 水胶比在0 4 0 ， 胶凝材料在4 0 0 k g m 。 左右 ， 到达1 8 0 d 龄期时， 掺加膨胀剂的大掺量粉煤灰混 凝土的强度等级基本维持在C 3 0 iJ C 3 5 之间 ，可见已经 基本达到了中等混凝土的强度等级要求。 大掺量粉煤灰 混凝土完全可应用在普通的混凝土结构工程中。 2 4粉煤 灰掺 量对 混凝 土 自然 碳化 深度 的影 响 粉煤灰掺量对含不同膨胀剂掺量的混凝土抗碳化 深度影响如图3 ( b ) 所示 。 试验结果表明 ， 粉煤灰掺量为 5 0 和6 0 时， 在本研究配合比下 ， 每个测定龄期基本 表现出混凝土碳化深度随粉煤灰含量的增加而增加。 由 于粉煤灰掺入过大 ， 可能结构多孔 ， 且氢氧化钙数量较 小 ， 使得C 0 2 市 日 对容易侵入到混凝土结构的内部 ， 导致混 凝土抗碳化能力减弱。 养护1 4 d ， 混凝土的2 8 d 碳化深度 较小 ， 可见养护对大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力有 显著的改善作用 。在混凝土强度发展后期， 其碳化深度 仍有升高的趋势 ， 但增长速率较慢。 2 5粉煤 灰掺 量对 混凝 土强 制碳化 深度 的影 响 在自然碳化条件下 ， 掺加膨胀剂对混凝土早期抗碳 化能力无明显改善。强制碳化和自然碳化在化学动力学 上不一致 ， 因此把在自然条件下1 8 0 d 的试件放入碳化箱 继续强制碳化2 8 d 后，将掺) J I 6 HC S A 膨胀剂的大掺量 粉煤灰混凝土( 5 0 0 o ， 6 0 ) 与不掺膨胀剂的大掺量粉煤 灰混凝土( 5 0 ， 6 0 ) 碳化深度做对比( 表2 ) ， 可更好地 反映其抗碳化性能。 量兰一 龄期 d ( a ) 2 8 7 0 1 2 0 l 8 0 龄期 d ( b ) 图3 不 同粉煤灰掺量对掺 j I3 6 膨胀剂混凝土影响示意 ( a ) 抗压强度 ； ( b ) 碳化深度 表2 大掺量粉煤灰混凝土强制碳化对比 mm 试 验组 不养护 7 d 2 8 d O F 5 0 1 8 1 4 1 2 6 F 5 0 1 4 1 1 1 O O F 6 O 3 l 2 7 2 3 6 F 6 O 2 1 1 9 1 8 3 结语 ( 1 )掺加6 膨胀 剂对于粉煤灰 占胶凝材料比例 超过5 0 的混凝土强度发展有利 ，当膨胀剂掺量高于 此值时 ， 可能产生破坏膨胀 ， 影响混凝土强度。研究表 明 ，掺加6 膨胀剂5 0 U 6 0 粉煤灰掺量混凝土2 8 d 强度提高了8 MP a I 5 MP a ， 1 8 0 d 强度提高了5 MP a H 8 2MP a。 ( 2 )掺加6 膨胀剂 ， 对于粉煤灰掺加量为5 0 混 凝土强度提高主要体现在2 8 d 以前 ：对于粉煤灰掺加 量为6 0 混凝土强度提高主要体现在7 0 d 以前。 ( 3 )在本试验条件下 ，大掺量粉煤灰混凝土粉煤 灰 占胶凝材料 比例超过5 0 后 ，强度在9 0 d 以前增长 幅度较大， 此后强度变化不大。 因此大掺量粉煤灰混凝 土强度的验收龄期应延长到9 0 d 。 ( 4 )混凝土碳化深度随粉煤灰的增加而增大 ， 膨 胀剂对大掺量粉煤灰混凝土 自然碳化影响不明显 ： 但 1 8 0 d 后经强制碳化 ， 结果显示掺加膨胀剂的大掺量粉 煤灰混凝土抗碳化能力有明显提高 ， 均在2 0 m m以下 ， 低于保护层厚度 ， 符合规范要求。 ( 5 )水胶比在0 4 0 ， 胶凝材料在4 0 0 k #m s 左右 ， 到 达1 8 0 d 龄期时 ， 掺加膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土强 度等级基本维持在C 3 0 IJ C 3 5 之间， 可见已经基本达到 了中等混凝土的强度等级要求 ， 具有工程应用条件 。 参考文献 1 吴中伟 ， 张鸿直 膨胀 混凝土 E M 北京 ： 机械工业出版社， 2 0 0 4 2 赵顺增 ，刘立HC S A膨胀剂与化 学# F D I 剂 、水泥 的适 应性研究 J 膨胀剂与膨胀混凝土，2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 - 5 3 李飞 ， 覃维祖 H C S A 膨胀剂在高掺量粉煤灰混凝土 中作用效果 的 试验研究 J 膨胀剂与膨胀混凝土 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 - 8 4 陶新明掺膨胀 剂水泥基 胶凝 材料膨胀率 的影响因素 J 建筑材 料，2 0 0 9 ( 5 ) ： 3 9 4 1 5 王栋民 ， 金欣 ， 欧阳世翕 水泥一 膨胀 剂一 磨细矿渣复合胶凝材料膨 胀 与强度发展 的协调性研究 J 硅酸盐学报，2 0 0 2 ，3 0 ( 2 ) ：5 9 6 3 6 王栋民 ， 金欣 ， 王洪涛 ， 等水泥一 膨胀 剂一 磨细矿 渣复合胶凝材料 膨 胀与强度性能及水化产物 显微结构研 究 c 北 京 ： 中国硅酸盐 学会 2 0 0 1 7 刘娟红 ， 宋少民绿色高性能混凝土技术与工程应用 M 北京 ： 中 国电力出版社 2 0 1 1 8 宋少民 ， 计桂玢 基于饱 和面干骨料 的粉煤灰混凝土配合比设计与 性能研 究 J 建 筑技术 ， 2 0 1 1 ,4 2 ( 9) ： 8 4 7 8 4 9