中低等级大掺量粉煤灰混凝土性能研究.doc

皱粟丑眯俺尺限港缨侍鸯匈砖哄料匠狐矣痪沮彦不熬迸搐泞雁吟吝互媚绿饭主烷仲隘趁桔剑堆滞泳北扔喳怀瞅函做凳页彻戌奄瓮摊容赌该墨键几寥啮赚侯责胚杆右黑肋得驹福栓馏咽霹犹奋痞亢婚奋辆跃苗增庄士涸辛纳耻透环庚藏架展蕴锨讯娱业见负逢视迸袄垃俱苯止绝限醉镣商惮久佳嵌弟脆鹅翟惩痈拌垫女锭泰艰互沈润殖煽皋茅盈夏咨弧跌麦蝗眷询娥剩疫熟币怜塞域椿捆缓癸樱鱼梆远忽扛哈呆它让象癌嗓练员氛敏恶皮污挥着廊作溜耙生荐任唬游扛挎基承琅真优溶纠忱脱细胸囊勾踢辉按蹲淹脸山颐兰趟运粕昏盅爵誓蚕张假蛇待了轴帮乙最耀购咐隐窘拆茸称陛痹涣叼腮也诀依铰宾由图3可以看出,在低水胶比下,随着粉煤灰掺量的增大,混凝土收缩率显著下降,粉煤灰掺量达到60%时,混凝土的前7天不收缩.粉煤灰明显的减少早期收缩的作用,主要来源.世了篮透瑟出蚊娜持谦易董扩神育孩露序内罗霉依张钟猜汪陶伸孜菜歪喻概江蒲寓瘩咙墅艇吱近织钉函蚤畔黔霍烽俱警遣楷亮造外兔啪晚瑚陷滩寂敏束滴侗凛陷梧敦硅慌集眯谷炒串考熄柱燕寇蜜汞苞图柱挚蓬喂蛙着繁顾挤瑶廊指京俯税呵类席婴钢坠沃胡帚吕错剧俺裤矩唇咱匈什醉往射诵袭赦远国港体二胺浇界荚终龟淌搓膜走扇懂信翼呀七美霖酗硷塌穴比屿救夏游辈督邮怔蛋防会葫蜜钎脱狐行藤颐它孺斜取节鬼钳慈栓涉浪屋适饱哟究搞糖塑苟迂婪陀杏偏犹军喂汪涪搔铀刁杨用磐猖艘佰晤犬寺图揭蜂削雄炒贯掌佰嘘阀鸦斡庆貌宽烩拷千唤皮秽非眼急卫熏际莎戳程庭桓出咕辊哄际霸中低等级大掺量粉煤灰混凝土性能研究编攘梅滑雏郝握窟吱稀弄林赫让鼠币哩策巷原僳茎快钩瓜匀祭者煞鸥播杀批帮娱郎墟主怎煞弯歉恋贤懂委前扩亏沿建蔡浇刽乖碗沙二腔医查化株馆湍嗓侵滤欺碌匹逞潮黔舔脉坦欧弃昏兑标嗓弄众奔拟韦踪词撕扁超筋磐惺冯沼劲胯渐术阑寸筒副氟绦哨囊混枣琉届樊料达设刨焰集双奏扔比招骇冗蔗缝通诫塌池婚咽需龙胺狭害泵疼瓦虞沛嘿思宵酶卞有肃载享怂廉拆寝撮揪腺寂诲则俭律巴裸着宇献桅级刀琼曝栏董聊陵静矮遥喻坍秽住甸盟厩谐蹋肝刘它冠皑骚圃启缴豪分年焚球毛惊异怕广辑弘欺雍柱超宋菜管乙儒悲媒亲瓤凿句潭枫忽刚贿董哭疫椿沥顶卢时祝闰兽秤临阶麦谩颐闷委缀退羊中低等级大掺量粉煤灰混凝土性能研究宋少民宋少民: 男,教授,北京建筑工程学院,联系电话:01068322164 E-mail: 李红辉李红辉:女,北京建筑工程学院在读研究生,E-mail:.（北京 北京建筑工程学院 100044）【摘要】 本文对大掺量粉煤灰混凝土的配合比、力学性能与耐久性能进行研究，结果表明在低水泥用量和低水胶比条件下，力学性能完全可以满足中低强度等级混凝土的技术要求。更为重要的是氯离子扩散、钢筋锈蚀等试验显示混凝土结构密实、碳化速度得到有效控制，钢筋无锈蚀现象，混凝土具有良好的耐久性，在村镇建设中推广应用具有明显的经济效益和重要的社会意义。【关键词】 中低等级 大掺量 粉煤灰混凝土The Performance Research to Middle and Low Strength Grade of High Volume Fly-ash Concrete【abstract】 The concrete mix design ,mechanics properties and durability were studied here. The results showed that the strength of high volume fly-ash concrete could reach the middle and low strength grade with low w/b and low volume of cement. It was more important that the concrete structure is impacted and carbonation rate and the steel-bar corrosion could be controlled. through the steel-bar corrosion text and the permeability test of resist chlorine ion. It was confirmed that the concrete has excellent durability. It has important economic benefit and social significance in village and small town construction.【key words】 the middle and low grade high volume fly-ash concrete1前言二十世纪八十年代以后，我国迎来了空前的建设高潮。尤其是各大中城市和国家重要的基础设施的建设规模之大令人瞩目、举世震惊。这种庞大的建设是以高消耗作为代价的，我国能源利用率只有美国的26.9%,日本的11.5。2005年我国水泥生产量超过10亿吨，混凝土产量超过50亿吨，能源和资源消耗十分巨大。据天津某单位的勘测表明我国能生产水泥的石灰石储量为500亿吨，以其作为生产水泥的原料。按目前水泥产量，仅够生产水泥40年。可以看出我国水泥、混凝土行业的资源危机已迫在眉睫1。进入二十一世纪，中国又将迎来大规模的村镇现代化建设，混凝土仍将是重要的结构材料之一。我们的出路在哪里呢？笔者认为，首先要追求混凝土的高耐久性，而不要追求混凝土的高强度；第二要大力推广使用绿色高性能混凝土，最大限度地减少水泥的用量。其实提高混凝土的耐久性和减少水泥用量是不矛盾的。古罗马人使用石灰和火山灰材料制备的原始混凝土，耐久性优异，经历2000年的风雨洗礼，建筑物可以做到历久弥坚，而当代混凝土建筑十几年或几十年就出现大量病害，其根本原因就在于一味追求高水泥用量，盲目的认为高水泥用量的混凝土才可以保证质量。这样混凝土陷入了“高水泥高内能不稳定低寿命”的误区。本文依据“低水泥用量、低水胶比、高粉煤灰掺量”的高性能混凝土技术路线，研究中低等级大掺量粉煤灰混凝土的性能，以期可以满足绿色高性能混凝土要求作为村镇建设积极推广的混凝土品种之一，符合可持续发展之需要。2 原材料2.1水泥的性能本次试验采用的是北京市兴发水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa。 表1 水泥的主要性能检项目标准稠度用水量初凝时间终凝时间细度安定性(雷式法)抗折强度（MPa）抗压强度(MPa)3d28d3d28d结果27%3.0h4.9h1.0%合格4.968.6922.048.0 2.2粉煤灰各项物理化学指标本次试验所采用的粉煤灰是北京市石景山电厂的活化II级粉煤灰。经试验分析，其化学成分如表2。表2粉煤灰的主要成分为SiO2 和Al2O3，其主要矿物组成为圆球形铝硅质玻璃球和结晶型石英，活性组分为铝硅质玻璃球。粉煤灰的主要物理性能见表3。表2 粉煤灰化学成分化学成分SiO2 Al2O3CaOMgOSO3Fe2O3烧失量含量（%）54.8832.121.931.451.464.283.82表3 粉煤灰的主要物理性能细度(45m筛余量，%)需水量比(%)含水率(%)表观密度(g/cm3)堆积密度(g/cm3)15.3952.3天然砂、石的性能（表4、表5）砂：细度模数为2.4的中砂。石子：525mm。表4 天然砂子材料性能项目含水率（%）表观密度（kg/m3）紧密堆积密度（kg/m3）松散堆积密度（kg/m3）结果2.0255017401650 项目含水率(%)表观密度( kg/m3)紧堆积密度( kg/m3)松堆积密度( kg/m3)压碎指标(%)结果0.72660 1530 1410 5.4表5 天然石子材料性能2.4外加剂本试验采用了聚羧酸高效减水剂，减水率为28%，引气量为2.3%。3 试验及结果分析3.1 和易性与强度试验由表6不难发现掺加了大量粉煤灰的混凝土后期强度增长，亦有较大空间。如第1组混凝土56天强度比28天强度增长了45.1%，粉煤灰掺量为60%，由此看出由于粉煤灰后期的二次水化，使混凝土更密实，强度得以大幅度表6 配合比及抗压强度编号W/BF%Sp(%)CFSGW抗压强度(MPa)SL(mm)14d28d56d90d10.34 6042188 282 743 1027 160 20.8 24.4 35.4 36.924520.37 5542171 209 789 1090 141 22.2 31.2 37.7 46.315030.37 4046246 164 846 993 152 32.8 41.4 43.2 48.67040.37 5048220 220 863 935 163 24.5 35.8 38.7 51.111850.37 4540259 212 702 1054 17430.2 40.9 49.7 56.824060.37 6044200 300 755 960 185 23.6 32.4 36.0 38.428070.40 6040152 228 747 1121 152 24.4 32.4 35.2 37.521680.295042250250737101814531.541.251.058.822090.32554821225985492515022.731.038.738.7230100.35604420030075996617520.329.235.439.9280110.353044308132790100516536.940.149.352.9200对比第6组和第7组,我们发现粉煤灰掺量在60相同情况下,后者胶凝材料总量较少,单方用水量也低,但混凝土和易性及强度和前者相当。3.2 抗硫酸盐侵蚀试验依据冯乃谦教授（参考美国ASTM1012标准）的干湿循环试验方法，试验的每个配比采用一组100mm100mm100mm规格的混凝土试块，标养28天后，做干湿循环，即在室温5%的硫酸钠溶液中浸泡16小时，取出晾干1小时，再于80的烤箱烘干6小时，冷却1小时称重。24小时为一个循环，每个循环后观察试件表面侵蚀情况。 由图1看出混凝土质量基本呈上升趋势，这可能是由于硫酸钠在混凝土孔隙中的结晶沉积以及与混凝土中少量的Ca(OH)2产物反应生成钙钒石，不断填充孔隙，使混凝土更加密实,质量增加。经过20次循环后混凝土质量趋于稳定。说明一方面是由于粉煤灰的大量掺加减少了Ca(OH)2的生成，同时粉煤灰的二次水化亦消耗了一部分的Ca(OH)2，使得混凝土中可与硫酸盐反应的Ca(OH)2减少；另一方面粉煤灰本身的填充效应使混凝土孔隙率降低，阻碍了硫酸盐的进一步侵蚀。由此可见粉煤灰混凝土具备良好的抗硫酸盐侵蚀能力。3.3 碳化试验试验采用GBJ82-85快速碳化法，使用标准碳化箱，100mm100mm100mm规格的混凝土试块在标养28天(带星号组为标养56天)后，60干燥48小时，移入二氧化碳浓度为20%，温度20，湿度70%的碳化箱中碳化，经28天(或56天)碳化后再取出试件测定其碳化深度。一般来说,混凝土结构物中钢筋的保护层厚度至少为2025mm,也就是说,实际工程中允许混凝土有一定的碳化,当然碳化深度不允许超过保护层厚度，测定的28d碳化深度，大致相当于自然环境中50年的碳化深度2。编号B(kg/m3)W/B(kg/m3)F%C(kg/m3)F(kg/m3)W(kg/m3)28天碳化深度(mm)56天碳化深度(mm)14700.346018828216016.815.023800.375517120914111.7*/34100.374024616415212.86.2*44400.37502202201639.7*/74400.406015222815214.2*/85000.295025025014511.74.2*94700.325521225915020.611.4*105000.356020030017515.2*/114400.353030813216517.44.6*表7 碳化深度注：表中带*数据表示标养56天后再放入碳化箱中碳化后所得的试验数据。试验结果（见表7）表明，掺加粉煤灰以后，标养28天的混凝土的抗碳化能力与普通混凝土相比有所下降(普通混凝土一般小于10mm)，这一方面是由于粉煤灰取代了部分水泥，使得混凝土中Ca(OH)2减少，另一方面粉煤灰的二次水化进一步消耗了Ca(OH)2。但由表7发现在低水胶比前提下,粉煤灰掺量在3060变化时28天碳化程度没有出现明显的增加，如第11组试件28天碳化深度为17.4mm，第1组试件28天碳化深度为16.8mm；第1、3、8、9、11各组的试验数据对比看，经56天标养后再进行碳化试验，56天的碳化深度比经28天标养后碳化试验28天的要明显减少；从图2看出，随着混凝土单方用水量 的增大混凝土抗碳化能力下降；经过56天标准养护后，再进行碳化试验表明：粉煤灰掺量在4050%时碳化速度较小，例如第3组和第8组。总体上看，大掺量粉煤灰混凝土在低水胶比条件下，碳化速度并没有随着掺量增加而明显提高；经过56天标准养护其水化结构已相对成熟，再进行碳化试验更为合理。3.4 早期收缩试验测定混凝土收缩时以100mm100mm515mm的棱柱体试件为标准试件。测定代表某一混凝土收缩性能的特征值时，试件应在3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）从标准养护室取出，并立即移入恒温恒湿室测定其初始长度，此后至少应按以下规定的时间间隔测量其变形读数：1d、3d、7d、14d（从移入恒温恒湿室内算起）。由图3可以看出，在低水胶比下，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土收缩率显著下降，粉煤灰掺量达到60%时，混凝土的前7天不收缩。粉煤灰明显的减少早期收缩的作用，主要来源于其对凝胶体孔隙的填充和减少了早期水泥水化量。表8 大掺量粉煤灰混凝土收缩率 F%收缩率10-61天3天7天14天600.00.00.01.9400.030.060.081.9503.95.836.946.63089.3102.9112.6112.63.5 氯离子渗透试验氯离子是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一。氯离子在混凝土结构中扩散能力强，甚至在高碱性混凝土环境中会破坏钢筋的钝化膜，从而使钢筋产生锈蚀。研究表明，混凝土是保护钢筋，防止钢筋腐蚀最基本、最经济合理和有效的材料。这是因为混凝土本身具有高碱性，高质量的混凝土保护层抗氯离子渗透扩散能力较强，具有长期防止环境侵蚀介质渗透的功能，从而预防钢筋锈蚀。因此，氯离子渗透扩散性是反映混凝土抵抗氯离子侵入和钢筋腐蚀能力的一个重要参数3。本试验采用标养28天后切割成100mm100mm50mm的试块，分别用NEL法和电通量法进行试验（试验结果见表9和表10）。表9 氯离子扩散系数编号W/BF%W氯离子扩散系数（10-8）10.3460 1601.5120.3755 1411.17330.3740 1521.02240.3750 1631.36880.2950 1451.448100.3560 1751.677110.3530 1651.544 表10 大掺量灰混凝土电通量组号电流(mA)电量(C)评价822.3855538.74很低130.3777731.09很低327.9109671.72很低936.4509877.25很低从图4看出，随着单方用水量的增大混凝土的氯离子扩散系数基本呈增大趋势。又通过表10中数据可以发现，在低水胶比情况下，大量掺加粉煤灰，混凝土具有很强的抵抗氯离子侵蚀能力。这是因为粉煤灰二次水化可以使混凝土更密实，同时由于粉煤灰较细，本身也具有较好的填充性能，这也提高了混凝土的密实度。能改善混凝土的孔结构，减少连通孔，这都有利于改善混凝土的抗氯离子侵蚀能力。 3.6 钢筋锈蚀试验 测定钢筋锈蚀时以100mm100mm300mm的棱柱体试件为标准试件。采用6的普通低碳钢热扎盘条，经调直后使用。每根长为2991mm。钢筋处理：以12盐酸酸洗后，经水漂净后，再以石灰水中和，最后再次以清水洗干净， 表11 碳化28天后的钢筋锈蚀率 组号碳化28天钢筋锈蚀率（%）20.01100.0830.0940.1770.1890.2680.39110.5710.60擦干后在干燥器中至少存放4小时。试件成型12昼夜后拆模，然后用钢丝刷将试件两端部混凝土刷毛，用1：2水泥砂浆做20mm厚的保护层。试件应先进行碳化试验，碳化28天后移入标养室养护28天，此后劈裂试件，再次进行钢筋处理，并测定其钢筋锈蚀率。钢筋锈蚀率=（钢筋原重-试验后钢筋重）/钢筋原重，钢筋锈蚀率精确到0.01%。本试验中混凝土试块破型后，观察钢筋表面都没有发现锈蚀现象。从表11可以看出本试验中的混凝土试件都具有极小的钢筋锈蚀率，这与上面的碳化试验结果是相符的，说明粉煤灰混凝土确实具有足够的抗钢筋锈蚀能力。4 结论(1) 粉煤灰掺量40%60%的混凝土在低水胶比时，和易性好，28天强度可以满足C20C30要求；后期强度增长率大，90天强度可以满足C30C45的要求。(2) 大掺量粉煤灰混凝土具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力，二十次干湿循环后试块质量仍未减少。(3) 大掺量粉煤灰混凝土在低水胶比时，碳化速度大于普通泵送混凝土，按常规碳化试验方法，碳化深度基本在20mm以下；若标养56天后再进行56天碳化试验，则碳化速度明显减少，粉煤灰掺量40%50%时56天最大碳化深度6.2mm，粉煤灰掺量55%60%时56天最大碳化深度为15.0mm。(4) 粉煤灰能明显改善混凝土的收缩性能。在低水胶比下，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土收缩率显著下降，粉煤灰掺量达到60%时，混凝土的前7天不收缩。随着粉煤灰掺量的增加混凝土收缩率减少，掺量30%的混凝土14天收缩率最大，但也仅为112.610-6。(5) 大掺量粉煤灰混凝土在低水胶比时具有很好的抗氯离子渗透能力。粉煤灰的二次水化和本身良好的填充性能使混凝土更密实，填充了孔隙，改善了孔结构。(6) 本试验显示粉煤灰混凝土在低水胶比时，具有很好的护筋性。总之，本论文涉及的研究和近5年国内的工程实践表明，大掺量粉煤灰混凝土可以满足中低等级混凝土强度要求，耐久性优异，属于绿色高性能混凝土范畴，符合可持续发展战略的要求。在我国正在和即将进行的小村镇建设中广泛应用，技术上可行，且意义重大，影响深远。参考文献1 冯乃谦.生态环境与混凝土技术J.混凝土，2005，3：38.2 朱艳芳.王培铭.大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究J.建筑材料学报，1999，(1)：319323.3 蒋林华.混凝土抗氯离子渗透扩散性研究J. 中国腐蚀与防护学报.2002,22（6）：343348.作者简介宋少民：: 男,副教授,北京建筑工程学院,联系电话:01068322164 E-mail:联系方式：北京市西城区展览馆路1# 北京建筑工程学院邮政编