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水泥与混凝土广东建材2 0 1 0 年第6 期 不同掺量粉煤灰对混凝土力学性能的影响 谈峰玲王安正陈清己 ( 中南大学土木建筑学院) 摘要：粉煤灰可以综合改善混凝土的各项性能，在混凝土的发展中起着越来越重要的作用。本试 验采用不同比例的粉煤灰等量取代混凝土中的水泥，测得各试件的抗压强度和劈拉强度，得出了粉煤 灰对混凝土强度影响的一般规律，并探讨了其相关机理。 关键字：混凝土；粉煤灰；力学性能 1 引言 在近代混凝土中，粉煤灰的发展方兴未艾。从上个 世纪8 0 年代后期高性能混凝土发展并获得广泛应用以 来，粉煤灰的应用更加广泛，粉煤灰在混凝土中所起的 作用已受到极大的重视。粉煤灰用作混凝土的矿物掺合 料，具有表面效应、填充密实效应和火山灰活性效应 1 】。在 混凝土中掺入粉煤灰，可以改善早期水泥的水化条件， 提高混凝土的工作性，改善水泥与外加剂的相容性，降 低水化热，使混凝土形成密实的内部结构。对粉煤灰混 凝土进行试验研究，可以更进一步了解粉煤灰混凝土的 某种或者某些重要的性能，尤其是对粉煤灰混凝土的力 学性能的研究，对其工程应用有积极的指导意义。 2 原材料与试验配合比 2 1 原材料 ( 1 ) 水泥：韶峰牌C 4 2 5 级水泥，采用边长为0 0 8 r a m 的方孔圆筛筛分筛余量为2 6 。 ( 2 ) 细骨料：湘江河砂，细度模数M x = 2 6 3 ，表观密度 2 4 1 2 k g m 3 ，堆积密度1 4 7 3 k g m 3 。 ( 3 ) 粗骨料：湘江卵石，粒径5 “ - - 2 0 m m ，表观密度 2 7 0 3 k g m 3 。 ( 4 ) 掺合料：湘潭电厂I 级粉煤灰。根据粉煤灰混凝 土应用技术规范( G B J 一1 4 6 ) 的规定，I 级低钙粉煤灰应 该符合表1 中的质量指标。 表1 粉煤灰质量指标 细度 烧失量需水量比 三氧化硫 等级( 4 5 pm 方孔筛筛余) ( )( ) 含量 ( )( ) I1 25 9 53 ( 5 ) 水：自来水。 2 2 试验配合比 4 0 通过对混凝土进行试配比较以后，决定采用以下配 合比作为基准配合比( 表2 ) 。 表2 基准配合比 材料 l 水泥I 水l 水胶比i 细骨料l 粗骨料| 砂率J 质量( k g m 3 ) l 3 5 01 7 50 56 5 61 2 1 9 0 3 5 根据所确定的基准配合比，在此基础上分别用0 、 1 0 、2 0 9 6 、3 0 的粉煤灰等量取代基准配合比中的水泥， 得到A 、B 、C 、D 四组不同粉煤灰掺量的配合比，成型抗 压、劈拉试件所用混凝土的配合比( 表3 ) 。 袁3 混凝土试件配合比 材料水泥粉煤灰 水 水胶比细骨料粗骨料 组号( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 ) A3 5 0 O ( O ) 1 7 50 56 5 61 2 1 9 B 3 1 5 3 5 ( 1 0 )1 7 5O 56 5 61 2 1 9 C2 7 07 0 ( 2 0 )1 7 5O 56 5 61 2 1 9 D2 4 5 1 0 5 ( 3 0 ) 1 7 5O 56 5 61 2 1 9 3 试验结果与分析 3 1 抗压试验 混凝土抗压强度随龄期及粉煤灰掺量的变化结果 见图1 。 从图1 中可以看出，混凝土的强度随时问的增长而 增长，并且早期的强度的增长速度较快：在同一个龄期， 混凝土强度随粉煤灰的掺量增加而降低。有资料圆指 出：以一定量的粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，当掺 量小于1 0 时，混凝土的强度有所增加；当掺量超过1 0 图1 抗压强度曲线 万方数据 广东建材2 0 1 0 年第6 期 水泥与混凝土 以后，随着掺量的增加混凝土强度有所下降：当掺量超 过2 0 以后，混凝土的强度下降趋势较大。早期的试验 结果与资料的观点相致。由于掺入粉煤灰后混凝土的 早期强度有所下降，因此，在工程允许的情况下，用后期 强度作为粉煤灰混凝土的设计标准，将取得更好的经济 效益。 3 2 劈拉试验 混凝土2 8 天的劈拉强度随粉煤灰掺量的变化见图 2 。 酷： 撼 薹 图22 8 天劈拉强度曲线 从图2 可以看出，在掺量为0 - 2 0 之间时，劈拉强 度随粉煤灰掺量的增加而增加，但是在掺量达到3 0 时 反而下降。 粉煤灰对混凝土力学性能的影响主要由以下因素 决定： ( 1 ) 活性效应( 火山灰效应) 。 粉煤灰大多是不具有水凝性的，只有在C a ( O H ) 。存 在的条件下，才显示其胶凝性，其水化过程大致如下：水 泥水化产生碱性的环境，在C a ( 0 H ) 。存在的条件下，由 于水电离产生的H 3 0 + 质子对粉煤灰颗粒的作用，使其表 面电离出S i O ：和H + 离子，H + 离子扩散后粉煤灰颗粒表 面呈电负性，C a z + 离子在静电引力下被吸收到粉煤灰颗 粒周围，而粉煤灰颗粒中的K + 、N a + 又溶入液相，于是，粉 A 一 煤灰颗粒表面剩下了含硅、铝较多的薄层，S i O ：和A i 旷 离子也从这表层逐渐溶出，与周围的C a 射离子结合并沉 淀，形成沉淀包裹层，并逐渐变厚。包裹层与粉煤灰颗粒 d 一 之间包含有极少数的液相，液相中的K + 、N a + 、S i O ：和 A i 旷离子浓度高于包裹层外的离子浓度，由此产生的 渗透压使包裹层逐渐膨胀，包裹层内液相增多，离子浓 度增大，渗透压增大，当渗透压超过一定值时，包裹层破 裂，接着又开始了新的循环。只有在粉煤灰颗粒包裹层 外K + 、N a + 、离子浓度降低后，C a Z + 离子才被吸附到包裹层 外表面，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙沉淀。由于S i 0 4 离子半径大、电荷多，扩散比A i 0 2 - 离子困难，粉煤灰颗 粒表面附近的沉淀主要是水化硅酸钙凝胶。粉煤灰中活 性S i O ：及A 1 2 0 。与水泥水化生成的C a ( 0 H ) ：发生反应， 生成具有水硬性的低碱度水化硅酸钙和水化铝酸钙，从 而起到增强作用。在水灰比较大的情况下，需要有大量 的水化产物填充于骨料与水泥颗粒的间隙，才能将其粘 结为一个整体。而粉煤灰的与水泥水化释放的氢氧化钙 反应，形成低钙C - S - H 的过程缓慢，加上氢氧化钙通过 表面生成物层向内部扩散十分困难，因此在混凝土拌和 后相当长时间里，粉煤灰的水化产物依然不多，填充空 隙的能力差，宏观表现为混凝土强度在一定的龄期里随 粉煤灰掺量增大呈下降趋势。同时，需要说明的是，在混 凝土中掺入粉煤灰，有两个方面的作用，一方面粉煤灰 作为活性的胶凝材料的组成部分，另一方面粉煤灰也可 以作为惰性的掺和料，这也是影响其强度增长规律的一 个原因。 ( 2 ) 微集料效应。 粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充空 隙和毛细空，改善了混凝土的孔结构，增加了密实度，所 以混凝士的劈拉强度随粉煤灰的掺量有所提高，但是当 掺量达到一定程度以后，由于粉煤灰水化较慢，导致混 凝土的水化产物太少，粘结不够，使得劈拉强度下降。 4 结伦 ( 1 ) 混凝土的抗压强度随时间的增长而增长。 ( 2 ) 粉煤灰掺量存在量的问题，混凝土的劈拉强度随 粉煤灰掺量的增加而提高，超过一定量以后便呈下降趋 势。 ( 3 ) 掺入粉煤灰会降低混凝土的早期强度。 【参考文献】 1