土木工程材料论文2-粉煤灰改善混凝土的强度及耐久性研究.docx

北京交通大学Beijing Jiaotong University土木工程材料论文粉煤灰改善混凝土的强度及耐久性研究学院：XX学院 班级：土木XXXX 学号：XXXXXXXXX姓名：XXX 教师：XX 二零一X年X月摘要：为提高混凝土的绿色度和工程应用性能，对大掺量粉煤灰混凝土进行了系统的应用基础研究。研究了大掺量粉煤灰混凝土的强度发展规律、抗碳化性能、抗渗性能及抗冻性能：掺加20%60%粉煤灰的混凝土7d强度均比基准混凝土低，当粉煤灰掺量大于40$时，28d的抗压强度略低于基准混凝土，但60d时，混凝土强度基本接近甚至高于基准混凝土，并且后期强度有较大的增长空间。通过掺加20%60%粉煤灰的试验数据表明，混凝土的抗渗能力在加入粉煤灰之后获得了显著提高，并且随粉煤灰掺量的增加而增强，粉煤灰改善了水泥石孔径分布，有利于提高混凝土的耐久性。关键词： 大掺量粉煤灰 混凝土 耐久性 强度一、 粉煤灰粉煤灰是从发电厂煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一。目前我国是粉煤灰等工业废渣排放的第一大国，但粉煤灰的利用率仅为42%。随着国民经济的发展，粉煤灰排放量还将逐年大幅增加。因此，合理地推广应用粉煤灰，不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境，具有重要的现实意义。但目前国内外对作为结构混凝土掺合料的粉煤灰的掺量有一定限制，只有很小一部分品质优良的粉煤灰才被允许用于混凝土结构工程。优质粉煤灰取代部分水泥应用于混凝土中，不但可以减少水泥的用量，降低水化热，降低成本，更能够改善混凝土的性能，提高混凝土的质量。但是，因为粉煤灰的活性比水泥低，掺量大时，对混凝土的强度，尤其是早期强度有较大的影响。所以，目前大掺量粉煤灰混凝土主要用于混凝土强度等级要求低的工程，而在高强混凝土中，粉煤灰掺量一般不超过30。另有研究表明，超细粉煤灰颗粒粒径远小于水泥的粒径，在低水胶比混凝土中主要起着微集料作用，且填充效果较好。因此，在低水胶比条件下，采用大掺量粉煤灰配制高强度混凝土成为可能。二、 粉煤灰对混凝土性能的影响 粉煤灰是一种呈玻璃态实心或空心的球状微颗粒，比水泥粒子小的多，比表面积大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化铝。掺入混凝土中的粉煤灰主要产生以下几方面影响。1、活性效应： 在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性成分Si02和Al203与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成大量水化硅酸钙凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会像树根一样伸入颗粒空隙中，填充空隙，减少了Ca(OH)2在界面的择优取向排列，大大改善了界面区结构，促进了混凝土后期强度的增长。2、微集料密实填充及颗粒形态效应： 均匀分散在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优良，硬化混凝土微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。3、交互作用： 水泥、粉煤灰、外加剂等不同组分间会产生物理、化学的交互作用。例如，水泥水化生成的Ca(OH)2是粉煤灰的活性激发剂，而被激发了的粉煤灰一旦水解，降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。目前生产的水泥含碱量不断提高，粉煤灰的使用大大节约水泥熟料，并可抑制碱一骨料反应。粉煤灰中C小含量少，水化产生的热量少，减少了混凝土构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险；粉煤灰水化消耗大Ca(OH)2，混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通混凝土强的多。在大体积混凝土中掺入一定量的粉煤灰是减少水化热从而避免温度裂缝的有效措施。水泥的水化反应是一个放热反应，产生的热量(水化热)能使混凝土达到相当高的温度。由于混凝土导热性能差，大体积混凝土在浇筑初期容易造成内外温差；此外，随龄期增长，混凝土又会逐渐降温而发生体积收缩，这样的温度变化会产生温度应力，导致混凝土发生裂缝。用粉煤灰代替一部分水泥，既能使混凝土各项性能满足设计要求，又能降低混凝土内部温度，有利于减小温度应力。三、 不同掺量粉煤灰混凝土的强度表1:不同掺量粉煤灰混凝土的抗压强度试验结果编号水胶比实测坍落度抗压强度/Mpa7d28d60dA10.4217533.241.447.9A20.4217030.144.249.0A30.4118525.244.647.8A40.4120023.140.645.2A50.4220018.238.147.5A60.4120014.435.845.4B10.3918535.048.247.5B20.3919033.248.549.6B30.3818528.846.252.5B40.3820023.549.550.8B50.3718022.845.853.4B60.3819018.642.051.8C10.3619040.257.857.3C20.3620036.855.658.6C30.3520032.254.555.8C40.3518526.552.258.6C50.3520021.550.960.6C60.3418520.145.858.7D10.3317042.262.468.9D20.3318038.860.269.1D30.3218535.255.862.3D40.3219532.854.563.8D50.3120032.552.664.2D60.3118031.648.562.2由表2可知，不同系列掺粉煤灰的混凝土7d强度均比基准混凝土要低。同一系列中当掺量大于40%时，28d时抗压强度略低于基准混凝土。但60d时，掺粉煤灰的混凝土强度基本接近甚至高于基准混凝土。一般而言，混凝土中掺粉煤灰后，其早期强度一般会随掺量的增加而降低。这是因为在常温下，粉煤灰反应比水泥慢，粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到及时的补偿。但大掺量粉煤灰高性能混凝土中各组分的配比可以有较大的灵活性，同普通混凝土相比，大掺量粉煤灰高性能混凝土28天后强度还有很大的增长n耵。这是因为混凝土硬化过程中，粉煤灰中活性SiO2和Al203逐渐与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成硅铝酸钙,降低混凝土中液相碱度，促进水泥水化。另外，粉煤灰与水化生成的Ca(OH)2反应生成纤维状水化硅酸钙凝胶C-S-H，取代六方板状的Ca(OH)2，对硬化水泥浆体起增强作用，促进混凝土后期强度增长，粉煤灰的颗粒越细，微小玻璃球形颗粒越多，比表面积越大，粉煤灰的活性成分也越容易和水泥中Ca(OH)2化合，其活性越高，而且随着颗粒细度增加，粉煤灰的比重，标准稠度需水量减少，浆体的密实度及强度增大。此外，大掺量粉煤灰高性能混凝土强度发展同温度密切相关；温度高，其强度发展很快，基本与普通混凝土发展速度同步;温度低，强度发展速度远低于普通混凝土。由表还不难发现掺加了大量粉煤灰的混凝土后期强度亦有较大增长空间。第A6组混凝土60d强度比28天强度增长了26.8。第B6组混凝土60d强度比28d强度增长了23.3。两者粉煤灰掺量均为60，由此看出由于粉煤灰后期的二次水化，混凝土更密实，强度得以大幅度提高。掺有粉煤灰的砼试块后期强度并不低于未掺的砼强度，这主要有以下两方面的原因：1、掺入粉煤灰减少了砼中的毛细孔隙，改善了界面层。粉煤灰在砼内部的碱性环境下，被激活水化，生成C-S-H凝胶水化物，减少有害的Ca(OH)2量，从根本上改善了水化浆体特别是界面过渡层的微观结构。粉煤灰的火山灰反应要在拌合后37天才开始，由于其和水泥水化产物迅速而充分的反应，使砼强度和抗渗性能很快提高，所以其强度后期增长显著。2、加入高效减水剂，解决了低水灰比与拌合物工作度之间的矛盾，且具有高度分散水泥颗粒和消除絮凝的作用，弥补了掺粉煤灰的砼早期强度低的缺陷，这样一来，砼早晚期强度均有大幅度增长。可见，将粉煤灰加入砼，其后期强度较高，从英国对使用30年后的大掺量粉煤灰砼结构物进行钻芯测定来看，其后期强度大幅度增长，碳化浓度小，即使用了有碱性的骨料也未发生明显的碱骨料反应。四、 大掺量粉煤灰混凝土的耐久性1、耐久性概述 高性能的关键是高耐久性。混凝土耐久性受诸多因素影响，包括自身内部结构因素和使用环境变化造成的外部因素，其中混凝土内部结构的差异是影响耐久性的主要因素，只有提高粘土内部结构的密实性，才能提高抵抗外部环境变化造成的侵蚀性破坏，从而提高混凝土的耐久性。长期以来，衡量混凝土耐久性强弱的指标很多，但是真正能综合反映混凝土内部结构变化对宏观耐久性影响程度的是抗冻性指标，因此，目前国际上普遍以抗冻性作为评定混凝土耐久性的指标，即使所研究的混凝土并非用于严寒地区工程。目前关于冻融破坏的机理有两种假说：静水压假说和渗透压假说。1、静水压假说。静水压假说认为孔隙水的存在是混凝土发生冻融破坏的关键。水结冰时体积增大约9%，因此认为混凝土的孔隙中如果水占据的体积超过了91.7%，则当温度降低到0以下的某一个负温时，孔内水分结冰，所产生的膨胀压力足以破坏混凝土结构。文献表明，毛细管水饱和时，结冰产生的最大静水压力与材料渗透系数成反比，与毛细管水的含量和降温速度成正比，与空气泡间距的平方成正比。但是有研究表明，冰冻破坏并不一定与水结冰的体积膨胀有关。使用苯代替水，使得混凝土预饱和，虽然苯在结冰时产生收缩，但是水泥浆同样膨胀。因而产生了渗透压假说。2、渗透压假说渗透压是由孔内冰和未冻水两相之间的自由能之差引起的。冰的蒸汽压小于水的蒸汽压，这个压差使得附近尚未冻结的水向冰冻区迁移，并在该冰冻区转化为冰。此外，混凝土中的水含有各种盐类，冰冻区水结冰后，未冻溶液中的盐的浓度增大，与周围溶液相中的盐的浓度的差别也产生了一个渗透压。因此，作为施加于混凝土的破坏力的渗透压是冰一水蒸汽压差及盐浓度差两者引起的。因此，冰冻对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力以及冰一水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。多次冻融交替循环使得破坏作用积累，犹如疲劳作用，使冻融产生的微裂纹不断扩大，最终导致结构破坏。影响混凝土抗冻性的主要因素有：冰冻温度和速度、可冻水的含量、水饱和程度、材料的渗透性、冰水混和物流入泄压气泡的距离等等。这些因素有的由环境决定，有的则是由材料自身的特性所引起的。对于粉煤灰混凝土的抗冻性研究中较多的研究了粉煤灰掺量为15%-20%的混凝土，文献表明：粉煤灰混凝土抗冻性能力随粉煤灰掺量的增加而降低；和相同强度等级普通混凝土相比，28天龄期的粉煤灰混凝土试件抗冻性试验结果偏低，但是对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性能的文献比较少。2、试验结果及分析表2：大掺量粉煤灰混凝土抗冻性试验测试结果混凝土编号混凝土含气量测试项目冻融循环次数050100A11.6%相对动弹模1009895重量损失率00.2250.422A21.7%相对动弹模1009795重量损失率00.1120.025A31.4%相对动弹模1009494重量损失率00.0080.229A41.6%相对动弹模1009892重量损失率0-0.112-0.243A51.6%相对动弹模1009794重量损失率00.213-0. 143A61.5%相对动弹模1009794重量损失率00.268-0.164说明：表中重量损失率中出现负值表不重量较冻融试验前增加；从表中可以看出，无论粉煤灰的掺量多少，粉煤灰混凝土的相对动弹模随冻融循环次数的增加而下降，大掺量粉煤灰混凝土在冻融循环过程中，由于快速冻融产生的严重的侵蚀作用，在冻融循环的后期出现了成型面表层1mm左右的剥落现象，表现为重量损失率随冻融次数增加。这里需要补充的是，在冻融循环的早期，试件的重量并没有预想的减小，反而有较小的增加。这同许多文献介绍的完全一致，可以解释为冻融后试件表面形成大量的微裂纹，水分通过微裂纹进入试件中，引起了重量