（交通运输工程专业论文）高掺量高抗折粉煤灰混凝土在路面工程中的应用研究.pdf

摘要 本文充分搜集和研究了粉煤灰混凝土在国内外的广泛应用资 料，结合2 0 4 国道盐城北段水泥砼路面改造工程和$ 3 3 3 盐海线南 洋镇区内水泥砼路面的工程，分别进行了大量的室内、室外试验， 系统地研究了粉煤灰混凝土的物理力学性能、前后期强度、耐磨性、 渗透性和抗冻性，提出粉煤灰为粉煤灰混凝土中五种组成材料之一 的概念，并提出了其混凝土配合比设计方法，认为利用合理的工艺 技术、添加粉煤灰激发剂可以制备高掺量高抗折粉煤灰混凝土，其 性能指标达到或超过普通水泥混凝土性能。 粉煤灰在公路水泥混凝土路面工程中的应用不仅减少了粉煤灰 的污染，而且改善了水泥混凝土路面的性能，尤其改善水泥砼路面 铺筑早期的抗裂性能和后期耐久性能，降低了路面的制造成本，因 此有着良好的社会效益和一定的经济效益。随着近期全国农村公路 建设的全面展开，高掺量高抗折粉煤灰路面混凝土的应用将有着更 为广阔的前景。 关键词： 水泥砼路面 粉煤灰性能水泥净浆性能 高掺量粉煤灰砼性能配合比设计施工工艺 a b s t r a c t t h et h e s i s a d e q u a t e l y c o l l e c t st h ew i d e l ya p p l i c a b l e d a t ao np o w d e rc o a l c o n c r e t ef r o mh o m ea n da b r o a d , c o n s i d e r i n g t h ec e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c e r e f o r m a t i o np r o j e c to f2 0 4h i g h - w a yy a n c h e n gn o r t hs e c t i o na n dt h ec e m e n tc o n c r e t e r o a ds u r f a c ep r o j e c to f $ 3 3 3y a hh a lc o a s t l i n en a n y a n gt o w nz o n e w eh a v ed o n e q u a n t i t yo f t e s t si n d o o ra n do u t d o o rr e s p e c t i v e l y ，a n ds y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e dt h e p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t r e n g t h ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e ，p e r m e a b i l i t ya n d f r o s tr e s i s t a n c eo f p o w d e r c o a lc o n c r e t e ，a n d p r o v i d e d t h ec o n c e p t i o nt h a tt h ep o w d e r c o a li so n eo ff i v ek i n d so fc o m p o s i t i o nm a t e r i a l so ft h ep o w d e rc o a lc o n c r e t e ，a n d d e s c r i b e di t sp r o p o r t i o nd e s i g nm e t h o d i tm a ym a k ea n dp r e p a r eh j g l lm i x e dp o r t i o n h i g hb r e a k r e s i s t a n c ep o w d e rc o a le x c i t i n ga g e n t ，i t sp r o p e r t yi n d e x e sm e e ta n d e x c e e dt h ep r o p e r t i e so fn o r m a lc e m e n tc o n c r e t e p o w d e rc o a la p p l i e dt or o a dc e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c ei sn o to n l yt or e d u c e t h ep o l l u t i o no f p o w d e rc o a lb u ta l s ot oi m p r o v et h ep r o p e r t yo f c e m e n tc o n c r e t er o a d s u r f a c e ，e s p e c i a l l yt oi m p r o v et h ee a r l y c r a c kr e s i s t a n c ea n dt h el a t ee n d u r a n c e q u a l i t yf o rm a k i n g t h ec e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c e ，t od e c r e a s et h ec o s to fm a k i n g r o a d s u r f a c e ，s oi th a sg o o d s o c i a lb e n e f i ta n dc e r t a i ne c o n o m i c a lb e n e f i t f o l l o w i n g t h ed e v e l o p m e n to fr o e e n tr o a dc o n s t r u c t i o ni nc o u n t r y s i d e ，t h eh i g hm i x e dp o r t i o n h i g h b r e a k - r e s i s t a n c ep o w d e rc o a lr o a ds u r f a c ec o n c r 哦ew i l lb ea p p h e dw i d e l y k e y w o r d s ： c e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c e p r o p e r t yo f t h en e tt h i c kl i q u i do f c e m e n t p o w d e r c o a lc o n c r e t e p r o p o r t i o nd e s i g n r o p e r t y o fp o w d e rc o a l p r o p e r t yo f h i g hm i x e dp o r t i o n e x e c u t i o n p r o c e d u r e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 导师签名：日期：趟 东南大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 粉煤灰水泥混凝土的概念 水泥混凝土是以水泥为胶凝材料，与水和骨料按适当比例配合拌制成拌和 物，再经硬化后所得到的人造石材。它具有较高的抗压强度及耐久性能，而且 可以随着配合比例的不同而得到不同性能的物理、力学性能，以满足各种工程 中的不同要求，它的主要缺点在于抗拉强度较低，容易受温度变化的影响产生 裂缝。 普通水泥混凝土是由水泥、砂、石子、水四种材料组成。工程中所使用的混 凝土，一般能够满足一些基本的要求：一是应具有一定的和易性，二是应达到一 定的强度，三是具有一定的耐久性，如：抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性及抗冲击、 耐磨性能等，四是各项材料的组成应经济合理，尽量节约水泥以降低成本。对于 太体积的混凝土，为防止温度裂缝还应考虑低热性要求。 在水泥混凝土中掺入一些磨细的矿物质材料，是一项经济而有效的措施， 即将工地附近生产的掺合料，经适当加工直接掺入混凝土中，以改进混凝土的 性能并节约水泥。粉煤灰最早便是作为一种良好的掺合料被广泛应用于水泥混 凝土中，混凝土中掺入粉煤灰后，能节约水泥、降低水化热，提高抗侵蚀性， 改善拌和物的粘聚性，提高混凝土的抗渗性，混凝土的早期强度虽较低但后期 增长幅度较大，但一般情况下，粉煤灰掺量仅为水泥与粉煤灰总量的2 0 3 0 ， 因此，通常概念上，粉煤灰只是一种添加剂、一种水泥的替代物而被应用于水 泥混凝土中。 东南大学工程硕士论文 粉煤灰水泥混凝土概念的提出，突破了传统的将粉煤灰仅看作一种混凝土 中部分水泥的替代物的观点，而是将粉煤灰看作是水泥混凝土的第五组分，即 除了水泥、砂、石子、水四种材料之外的另一种独立成份，粉煤灰水泥混凝土中 胶凝材料由水泥变为水泥、粉煤灰组成。且掺量较大，混合料比例大它的使用 不仅仅是通常所理解的减少水泥的用量，更在于提高混凝土的某种或某些重要性 能，即由粉煤灰、水泥、砂、石子、水五种材料组成的粉煤灰水泥混凝土与以往 普通砼相比，不仅具有改善环境、降低造价等优点，还具有高强度、高抗折、低 收缩率等特点，是一种新型材料。 l - 2 粉煤灰混凝土路面的研究及应用现状 一、国外粉煤灰水泥混凝土研究状态 粉煤灰混凝土的应用，国外有成功的先例。由于掺粉煤灰不仅能改善新拌 与硬化混凝土的各种性能，同时还可以获得显著的社会和经济效益，所以这种 技术已日益引起人们的重视，并进行了大量的研究与工程应用工作。英国是研 究和应用粉煤灰混凝士较早的国家之一。1 9 7 9 年至1 9 8 4 年的5 年间，英国先后 在m 2 5 公路、g a t w i e k 机场、a 5 5 公路、a 1 2 6 公路等工程中使用了高掺量、高 抗折粉煤灰混凝土，并取得了成功的经验，1 9 8 2 年，英国伦敦第二机场大面积 的停机坪，采用高掺量、高抗折粉煤灰混凝土和普通混凝土旌工，并将两条相 邻机场道路历经四年运行后进行了比较，结果表明两种路面强度和耐久性相当 但高掺量、高抗折粉煤灰混凝土路面看来有着较好的耐久性和耐磨性能，以及 显著的经济效益；1 9 9 2 年，英国对使用十年的大掺量粉煤灰混凝土进行钻芯取 样，测试混凝土抗压强度、碳化深度、氯离子的渗透性、硫酸根离子的断面分 东南大学工程硕士论文 布和薄片的岩相分析。测试结果表明：混凝土抗压强度比2 8 天时的抗压强度有 大幅度增长，碳化深度小，低到中等的渗透性和高的抗氯离子侵蚀性，在海洋 环境暴薅时氯离子浓度随深度显著降低。即使使用了活性骨料也未发生破坏性 的碱硅酸反应。1 9 8 5 年，加拿大矿产资源部试验室开发了高掺量粉煤灰混凝土， 并对3 年龄期内的各种性能数据进行了收集研究，结果显示：采用低水泥用量 和高掺量粉煤灰混凝土浇筑的混凝土块体显示出优良的性能，水泥水化热大大 降低，块体没有出现任何温度裂缝，弹性模量比强度相近的普通混凝土要高 块体不存在外部裂缝，渗透率可以忽略不计。1 9 9 0 年，加拿大能源矿产部为加 州电力研究所开展r 一4 项旨在利用几种美国产粉煤灰与水泥配制高掺量粉煤灰 混凝土的基础上，建立工程应用数据库的课题，目的在于开发粉煤灰掺量约为 水泥重量6 0 的混凝土，该项目通过大量的试验和研究，得出：采用化学组分 和细度在很大范围内的水泥与粉煤灰，可以配制出整体性能良好的大掺量粉煤 灰混凝土，这些性能包括工作度、泌水率、凝结时间、温升和各种力学性能、 耐久性能。1 9 9 2 年，美国在靠近威斯康星州p l e a s a n tp r a i r i e 电厂的一条水泥混 凝土路面工程中，采用了高于国家标准的粉煤灰掺量。分别为4 0 、5 0 和6 0 。 混凝土中还掺有高效减水剂。在一条由北达科他大学能源与环境研究中心设计 的混凝土路面工程中，也采用了7 0 1 拘c 类( 高钙) 粉煤灰。所有这一系列的 研究和试验结果都表明：高掺量粉煤灰混凝土是一种新材料、新技术，使用高 掺量粉煤灰混凝土应重在将其看作独立成分、尽量降低水胶比、注意搅拌与养 护以及与其它组分的相容性，同时必须认识到，混凝土是工程材料，需要结合 工程来认识与应用，使粉煤灰资源化。 二、国内粉煤灰水泥混凝土研究及应用现状 末南大学工程硕士论文 我国具有较丰富的粉煤灰资源，在混凝土中掺用粉煤灰也已有4 0 多年历 史。传统的傲法是在大体积混凝士中掺用一定量的粉煤灰以节约水泥并降低其 水化热温升，掺量一般为1 5 一3 0 ( 碾压混凝土除外) 。在结构混凝土中掺用粉 煤灰在我国的普及程度仍很低，即使掺用，其掺量一般也较大体积混凝土中掺 得低。1 9 9 3 年，有关单位对上海市华能石洞口发电厂排放的静电除尘细高钙粉 煤灰进行材料性能试验研究和工程试用，证明掺用高钙粉煤灰的混凝土早期强 度高，主要物理力学性能和耐久性均能符合工程结构混凝土的使用要求。 在公路工程中，用粉煤灰、消石灰胶结碎石作为半刚性路基已较为常见， 而在路面混凝土中掺用粉煤灰虽有工程实例但并不多见，有的工程仅基于改善 混凝土和易性的目的而掺入少量( 通常1 5 ) 的粉煤灰。其原因除了道路混凝 土属暴露在严峻环境下的结构物，必须具有良好的耐用性的严格要求外，还碍 于传统观念的束缚以及缺乏充足的试验研究资料与工程应用实例。近年来，同 济大学、长沙交通学院、西安公路交通大学等高等院校纷纷开展了粉煤灰混凝 土在公路工程中的应用研究，河南省新乡市公路局、福建省公路局、山东淄博 市公路局等建设单位也在公路施工中推广和使用了粉煤灰混凝土，1 9 9 9 年南京 水利科学研究院采用4 2 5 普通硅酸盐水泥和宁波北仑电厂i i 级粉煤灰，s a l 型 高效减水、激发剂，开展了粉煤灰掺量为总胶凝材料量5 0 的高掺量粉煤灰混 凝土的室内试验研究，并将试验成果应用于宁波某二级公路路面工程，结果表 明：设计的高掺量粉煤灰混凝土完全满足c 3 0 及抗折强度 4 5 m p a 的原路面混 凝土设计要求，且其2 8 d 龄期及其以后的抗折强度、抗压强度、抗磨蚀性能均 不低于全水泥普通对比混凝土。2 0 0 2 年，宏润集团宁波分公司和宁波环球混凝 士公司采用减水剂和粉煤灰双掺技术，研究大掺量粉煤灰( 3 0 以上) 对混凝土 东南大学工程硕士论文 路用力学性能及耐久性的影响，进而在工程中加以应用，结果表明其力学性能 满足路面要求，如能合理延长验收时间，充分利用粉煤灰混凝土的后期强度， 还可以增加粉煤灰掺最，且大掺量粉煤灰混凝土抗海水腐蚀能力大大高于普通 混凝土，抗氯离子渗透能力也大大增加，通过合理配比和养护其耐磨性能满 足路面混凝土要求。在近年来进行的许多大掺量粉煤灰的研究工作中，利用原 状粉煤灰的碾压道路混凝土粉煤灰的掺量达到5 0 以上，利用分选优质粉煤灰 或磨细粉煤灰的高性能混凝土其掺量也达4 0 6 0 ，但是在通常的旄工工艺下， 使用原状粉煤灰进行高掺量高抗折粉煤灰混凝土的研究还未见系统的研究报 道。 三、粉煤灰水泥混凝土的应用及发展前景 随着我国国民经济的迅速发展，我国的公路建设进入了一个以高速公路和农 村公路为代表的发展阶段，在高速公路的路面结构中，水泥混凝土路面约占2 3 ， 刚性组合式结构( 在水泥混凝土或碾压水泥混凝士板上铺筑沥青混凝土) 约占2 。 而在农村公路建设中水泥混凝土路面则成为主要路面形式，江苏省在剐刚下达的 江苏省农村公路建设实施细则中明确要求，乡通村公路必须采用水泥混凝土 路面，水泥混凝土路面以其特有的水稳性能、良好的耐久性以及较低的维护费用 等优点仍然在公路发展中占有重要的地位。作为一种高级路面结构类型，其具 有强度较高。水稳性、热稳定性、时间稳定性较好的优点，在我国已有几十年 的历史，目前我国水泥混凝土路面通车总里程已达6 9 万公里左右，而江苏省在 2 0 0 3 2 0 0 7 五年内，还将新建2 8 0 0 0 多公里水泥混凝土路面。但是水泥混凝土路 面板在浇筑后，水泥放出的大量热量，使面板温度明显升高，尤其在高温季节 施工，会增加面板的开裂，甚至断板的可能。这种不利因素的影响被小体积的 东南大学工程硕士论文 抗折试件所掩饰，人们往往容易疏忽，能用什么方法改善混凝土的性能呢? 粉煤灰是电厂锅炉燃烧过程中排出的工业废渣，粉煤灰在国内外公路工程的 推广应用已经有多年的历史，经济效益和社会效益都十分重要的今天，粉煤灰因 其在路用性能、经济性和环保方面的优势而得到了更加广泛和普遍的应用。粉煤 灰混凝土的优势主要表现在以下几点：l 、由于粉煤灰混凝士水化时间较长，从而 减少了混凝士拌和物的水化热和热能膨胀性，避免了水泥混凝土路面在浇筑后放 出大量能量而使面板温度明显升高引起面板开裂的现象。2 、在混凝土中掺加粉煤 灰节约了水泥、细骨料和水的用量，从而降低了工程造价，并且减少了环境污染 节约了耕地。3 、提高了混凝土的抗折强度。4 、有效地改善混凝土的和易性，增 强混凝土的可泵性。4 、减少了混凝土的徐变5 、增加了砼的密实性，提高混凝土 抗渗能力。因此粉煤灰混凝土具有良好的开发潜力。 1 - 3 粉煤灰水泥混凝土研究所存在的主要问题 国内外的大量试验和研究，对目前高掺量粉煤灰混凝土的原材料、配合 比、施工及结构设计等方面进行了较为详细的探索，高掺量粉煤灰混凝土具有 良好的应用和发展前景是毫无疑问的，但在实际应用过程中仍有一些问题需进 一步探索和研究。 一是不同产地、不同质量、不同掺量的粉煤灰，所配制的混凝土某些性能 ( 如：流变性、泌水率、凝结时间等) 变化较大，因此，在具体的应用研究中 应根据具体情况作定性和定量的研究。 二是高掺量粉煤灰混凝土( 包括普通混凝土在内) ，没有通用的配合比，必 须针对工程的具体条件( 特别是原材料条件) 进行试配。在我国，原材料变动 东南大学工程硕士论文 幅度很大，高掺量粉煤灰混凝土要求进行大量的试配工作，在处能配制成功 的最佳配合比，另一处就配不出来的情况是不鲜见的。因此，在试配前应对粉 煤灰、水泥、粗细骨料和外加剂及其相容性认真分析和研究在此基础上，才 能进行高掺量粉煤灰混凝配合比设计方法的研究。 三是对掺有粉煤灰的一般混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土，虽然有严密而 广泛的试验室研究，但是缺乏现场实际的比较数据，而对高掺量粉煤灰混凝土 的认识，则应主要是从它在工程现场的表现进行研究获得提高和升华的。我们 通常是以试验室的试配结果作为能否应用于工程的依据，而对予高掺量粉煤灰 混j 疑一l ：，常常是室内试验的效果远不如现场施工时得到的效果，这是因为，尽 管现场旄工时配料的准确性等不如试验室里控制得好。但另一方面，施工采用 的搅拌、振捣条件，试验室里就达不到；道路施工中大尺寸混凝土温升大，对 普通硅酸盐水泥混凝土不利，而对高掺量粉煤灰混凝土很有利的事实，现行的 试验室标准养护条件也体现不出来。因此，对于高掺量粉煤灰混凝土，需要结 合工程来认识与应用。 四是从国内外情况来看，高掺量高抗折粉煤灰混凝土不是制备不出来，因 为它并不要求特殊的技术，关键是原材料控制和施工，因此对于高掺量高抗折 粉煤灰混凝土的原材料控制和施工工艺的进一步探索和研究是高掺量高抗折粉 煤灰混凝士能否得到推广使用的关键。 本文针对以上问题，收集了国内外公开报道的部分文献资料，结合交通科 研项目，通过对粉煤灰掺量对混凝土物理力学性能的影响和水泥水化性能的影 响的研究，优化了其混凝土配合比设列方法，提出利用合理的工艺技术、粉煤 灰棍凝土外加剂及粉煤灰激发剂可以制备高掺量高抗折粉煤灰混凝土，其性能 东南大学工程硕士论文 指标达到或超过普通水泥混凝土性能。总之，本文的目的，是想通过对高掺量 高抗折粉煤灰混凝土的研究，改善水泥混凝土路面铺筑早期的抗裂性能和后期 耐久性能，降低路面的制造成本，节约能源，利用矿渣废料，节约耕地( 占用) 提高社会效益。 东南大学工程硕士论文 第二章粉煤灰混凝土的室内试验研究 2 1 粉煤灰、水泥的原材料性能研究 本节主要内容为粉煤灰的物理、化学性能测定；试图通过其物理化学性能 的分析，揭示粉煤灰水泥砼有关性能的化学反应机理。限于条件，本项目研究 中的原材料试验均采用盐城水泥厂的水泥熟料和盐城电厂的干、湿排粉煤灰， 其化学成分见表1 - 1 ，物理性能见表1 2 。 表l - 1 熟料、粉煤灰和石膏的化学成分 原材料 s j 0 2 c a o m g oa 1 2 0 ，f e 2 0 3s q l o s $f - c a o 熟料2 2 2 56 5 6 l1 2 75 3 334 30 5 50 6 09 9 0 7 粉煤灰5 0 4 63 3 20 8 12 8 7 36 5 703 84 7 49 5 0 1 石膏2 4 43 2 8 60 6 50 7 802 l4 3 0 21 8 0 89 8 0 4 表l - 2 粉煤灰的物理性能 方孔筛筛余c ) 原材料 比表面积( a t l 2 ，g )视密度( g 蛔1 1 3 )需水比( ) 8 0 u4 5 u 粉煤灰1 8 02 4 o3 5 6 42 2 71 0 4 2 - 2 粉煤灰掺量对水泥净浆性能的影响 粉煤灰的掺量对水泥砼性能的影响，首先是对水泥净浆性能的影响，本节 主要内容包括：粉煤灰掺量对粉煤灰水泥净浆抗压强度的影响；粉煤灰掺量对 粉煤灰水泥净浆水化性能的影响。 2 2 1 粉煤灰掺量对粉煤灰水泥净浆抗压强度的影响 一o 一 东南大学工程硕士论文 表1 - 3 是粉煤灰掺量对粉煤灰水泥净浆抗压强度的影响。从表中可以看出： 随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰水泥各龄期的净浆强度有所下降，以水灰比为0 4 4 时为例，当为纯熟料水泥净浆时，其3 d 、2 8 d 、3 m 强度分别达3 7 m p a 、6 7 5 m p a 和7 2 5 。当掺加2 5 的粉煤灰，其3 d 、2 8 d 、3 m 强度分别为2 5 m p a 、5 6 8 m p a 和6 6 3 m p a ，分别为纯熟料水泥净浆强度的6 7 5 7 。, 、8 4 1 9 和9 1 4 5 。当掺加 3 5 的粉煤灰，其3 d 、2 8 d 、3 m 强度分别为2 2 6 m p a 、5 0 o m p a 和6 5 8 m p a ，分 别为纯熟料水泥净浆强度的6 1 0 8 、7 4 0 7 和9 0 7 6 。当掺量为4 5 时，其3 d 、 2 8 d 和3 m 强度分别为1 5 5 m p a 、3 6 2 m p a 和4 6 8 m p a ，分别为纯熟料水泥净浆强 度的4 1 8 9 、5 3 6 3 和6 4 5 5 。当掺量为5 5 时，3 d 、2 8 d 、3 m 抗压强度仅为 1 1 3 m p a 、2 4 o m p a 、3 2 3 m p a ，分别为纯熟利水泥净浆强度的3 0 5 4 、3 5 5 6 和4 4 5 5 。在水灰比为o 3 6 时，各种粉煤灰掺量下，各龄期的强度下降幅度较 水灰比为0 4 4 时下降幅度小，尤其是2 8 d 强度，在粉煤灰掺量达5 0 时，抗压 强度仍达4 0 3 m p a 。但总的下降规律是一致的，毫无疑问，这与水化产物对孔隙 的填充率有关。 表1 3 粉煤灰掺量对粉煤灰水泥净浆抗压强度的影响 粉煤灰水泥抗压强度( m p a ) 编号 粉煤灰掺量( ) w c 3 d7 d2 8 d 3 m 0 l00 4 43 7 o 1 0 04 6 o l 6 7 5 1 0 07 2 5 1 0 0 0 22 50 4 42 5 0 ，6 7 5 73 7 5 8 1 5 25 6 8 ，8 4 1 96 6 3 停1 4 5 0 33 5o 4 42 2 6 ，6 1 0 83 0 7 6 6 7 45 0 0 门4 0 76 5 8 ，9 0 7 6 0 44 50 4 41 5 5 “1 8 92 1 7 4 7 1 73 6 2 5 3 0 34 6 8 6 4 5 5 0 55 00 4 41 3 2 ，3 5 6 71 3 o 3 9 9 03 1 5 4 6 6 64 0 9 ，5 6 4 1 0 65 50 4 4l l3 ，3 0 5 41 5 8 3 4 3 52 4 o 3 5 5 63 2 3 4 4 5 5 i lo0 3 64 2 1 1 1 0 05 0 7 1 0 07 3 3 1 0 08 0 1 1 1 0 0 东南大学工程硕士论文 1 22 50 3 62 9 5 7 0 0 74 2 8 ，8 4 4 26 5 5 ，的3 67 6 3 ，9 5 2 5 1 33 50 3 62 6 2 ，6 2 23 5 2 ，6 9 45 5 9 7 6 2 67 2 8 舯8 8 1 44 50 3 61 9 矾5 62 6 3 ，5 1 8 74 4 8 ，6 1 1 25 5 8 ，6 9 6 6 1 55 0o 3 61 5 5 ，3 6 8 32 2 7 4 4 7 74 0 ，3 5 7 7 04 6 6 ，6 3 1 7 表l - 4 掺加复合激发剂粉煤灰水泥的抗压强度 捌崩砖缱复翎酗酾髓捌射啉滴施强脚 编号w c 3 d砸捌3 m 0 74 5拥0 , 4 4乃脚2 5 加1 84 4 f f l 2 1s 巩笠 憾5 53 2 80 4 4l 刑l 卯1 9 饥甜3 2 d 1 3 33 7 矾1 5 注：分子为抗压强度，分母为对应粉煤灰掺量的强度增长率 表1 - 4 是掺加粉煤灰激发剂后高掺量粉煤灰水泥净浆的抗压强度，与对应的 0 4 # 和0 6 # 相比，其各龄期的强度都有所增加，早期强度增加较快，3 d 增长率达 1 5 0 ，7 d 以后增长率在1 2 0 左右。可见激发剂对粉煤灰水泥净浆的强度有显 著的促进作用。 2 2 2 粉煤灰掺量对其水泥净浆水化性能的影响 粉煤灰水泥系统中，在水灰比一定的情况下，系统净浆的强度与水泥熟料 的水化程度和粉煤灰的火山灰反应有关。表1 - 5 是粉煤灰水泥系统净浆的结合水 量随着粉煤灰掺量而变化的情况，可见随着粉煤灰掺量的增加，水泥熟料相应 降低，结合水量相应地降低。粉煤灰掺量为2 5 时，3 d 结合水量为1 4 3 1 ，为 纯熟料水泥的8 7 6 ，其2 8 d 的结合水量为1 5 7 9 ，为纯熟料水泥的8 8 2 。 粉煤灰掺量为3 5 时，3 d 结合水量为1 2 5 7 ，为纯熟料水泥的7 7 o ，其2 8 d 的 结合水量为1 4 5 3 ，为纯熟料水泥的8 1 2 。粉煤灰掺量为4 5 时，3 d 结合水 量为1 1 9 6 ，为纯熟料水泥的7 7 3 ，其2 8 d 的结合水量为1 3 6 6 ，为纯熟料 东南大学工程硕士论文 水泥的7 6 3 ，3 m 的结合水量为1 5 4 7 ，为纯熟料水泥的7 7 3 。粉煤灰掺量 为5 5 时，3 d 结合水量为1 0 0 4 ，为纯熟料水泥的6 1 5 。其2 8 d 的结合水量 为1 2 2 2 ，为纯熟料水泥的6 8 3 ，3 m 的结合水量为1 3 5 3 为纯熟料水泥的 6 7 6 。可见掺量小于或等于3 5 时，2 8 d 、3 m 的结合水量下降不显著；而粉煤 灰掺量达4 5 、5 0 时，2 9 d 结合水量下降较多，3 m 时下降较少：当粉煤灰掺 量达5 5 时，各龄期的结合水量都显著下降，相应的净浆强度降低。 掺加激发剂的0 7 # 和0 8 # ，与同样粉煤灰掺量的0 4 # 和0 6 # 相比，结合水量有 明显的提高，以粉煤灰掺量是4 5 的0 7 # 为例，其3 d 、7 d 、2 8 d 和3 m 结合水量 比0 4 # 分别提高4 3 、6 9 、3 7 和7 4 。结合水量的增加相应带来浆体强度 的提高。 表1 - 5 粉煤灰水泥净浆结合水量的测定 结合水量( ) 试样编号 3 d7 d2 8 d3 m 0 11 6 3 2 ，1 0 01 7 16 ，1 0 01 7 9 0 ，1 0 02 0 0 1 1 0 0 0 21 4 3 1 8 7 ，61 5 i o ，8 7 91 5 7 9 8 8 21 7 3 5 ，8 67 0 31 2 5 7 ，7 7 01 3 7 l ，8 n 01 4 5 3 ，8 1 21 7 0 5 ，8 5 2 0 4 1 1 9 6 7 3 31 2 4 们土31 36 6 ，7 矗31 54 7 7 7 3 0 51 1 3 6 6 9 6l l8 5 ，6 9 11 3 0 2 ，7 2 71 48 8 7 4 4 0 61 0 0 4 佑1 5 1 0 5 0 ，6 1 21 2 2 2 ，6 8 31 3 5 3 ，6 7 6 0 71 2 6 7 ，7 7 61 3 6 0 疗9 2 1 4 3 0 ，8 0 o1 6 9 5 8 4 7 0 81 1 5 6 ，7 0 8 1 2 2 0 疗1 11 3 1 4 ，7 3 41 5 _ 0 4 仃5 2 表1 - 6 是粉煤灰水泥系统中净浆的c a ( o h ) 2 含量的测定。c a ( o h ) 2 含量是熟 料的水化和粉煤灰中的火山灰反应的共同结果。从c a ( o h ) 2 含量的绝对含量来 看：0 1 捍纯熟料水泥随着水化时间的延长，c a ( o h ) 2 含量不断增加，0 2 拌至0 6 捍掺 加粉煤灰的水泥，水化至7 d 时，c a ( o h ) 2 含量不断增加，水化至2 8 d 、3 m 时， 东南大学工程硕士论文 c a ( o h ) 2 含量不断减少，说明粉煤灰对氢氧化钙的吸收量明显增加。从c a ( o h ) 2 含量的相对值来看：水化至3 d 时，粉煤灰就吸收较多的c a ( o h ) 2 。水化至7 d 时， 0 4 # 和0 5 # 的吸收量超过熟料释放的c a ( o h ) 2 量。0 2 # 、0 3 # 和0 6 # 熟料释放c a ( o h ) 2 量超过粉煤灰吸收量，对0 2 # 和0 3 # 来说，系统中熟料含量多，相应地释放c a ( o h ) 2 量多；对0 6 # 来说可能是系统的碱度较低，粉煤灰中的火山灰反应速度降低。水 化2 8 d 时，粉煤灰吸收c a ( o h ) 2 量明显加快，表现在c a ( o h ) 2 量的显著降低。 掺加复合激发剂的粉煤灰水泥浆c a ( o h ) 2 量的变化比较复杂，因为激发剂既 促进水泥熟料的水化，放出较多的c a ( o h ) 2 ，又促进粉煤灰中的火山灰反应，吸 收c a ( o h ) 2 。表现在后期c a ( o h ) 2 量的明显减少。 表1 - 6 粉煤灰水泥挣浆c a ( o l t ) 2 含量的测定 c a ( o h ) 2 含量( ) 试样编号 3 d7 d2 8 d3 m 0 l7 0 98 4 31 0 4 81 1 1 2 0 25 1 07 1 46 6 54 6 9 0 33 9 35 1 95 4 326 l 0 43 5 03 4 13 0 11 5 8 0 52 9 23 2 l2 6 21 4 0 0 62 0 82 蕊2 4 11 2 2 0 73 5 43 6 52 8 51 1 6 0 83 0 l2 8 42 0 40 8 9 表1 7 是粉煤灰中的火山灰反应的直观反映，从表7 可以看出：粉煤灰水泥 系统中，水化至3 d 时，粉煤灰即有明显的水化，随着水化时间的延长，粉煤灰 的反应率不断提高。粉煤灰掺量2 5 时，0 2 # 的3 d 、2 8 d 和3 m 粉煤灰反应率达 东南大学工程硕士论文 1 9 2 5 、2 8 7 5 和3 6 0 7 ；0 6 # 粉煤灰的掺量达5 5 时，3 d 、2 8 d 和3 m 粉煤灰 反应率达9 1 l 、1 7 5 3 和2 8 5 7 ；对于粉煤灰掺量达4 5 、5 0 的0 4 # 和0 5 # 试样来说，虽然3 d 的粉煤灰反应率比掺量较少的0 2 # 低得多，但其2 8 d 粉煤灰 反应率达2 1 6 5 和1 9 8 6 ，可见粉煤灰的反应率绝对值与0 2 # 还有一定的差距。 至水化3 m 时，粉煤灰的反应率达3 2 3 4 和3 0 6 9 ，与0 2 # 3 m 的反应率3 6 0 7 差距进一步缩小。 表1 7 粉煤灰水泥挣浆中粉煤灰的反应率 粉煤灰的反应串( ) 试样编号 3 d7 d2 8 d 3 m 0 21 9 2 52 1 4 42 87 53 6 0 7 0 31 3 髓1 8 6 62 5 2 83 4 6 2 0 41 0 5 51 57 32 1 6 53 2 3 4 0 5l o 0 31 3 2 l1 9 8 63 0 6 9 0 6争1 11 0 9 21 7 5 32 8 5 7 0 71 9 6 52 1 9 52 8 9 33 6 3 6 0 81 8 6 41 8 8 72 3 3 93 4 5 5 掺加复合激发剂的0 7 # 和0 8 # ，与同掺量粉煤灰的0 4 # 和0 6 # 相比，3 d 水化 反应率分别提高8 6 和1 0 5 ，7 d 反应率提高4 0 和7 2 ，2 8 d 反应率提高3 3 左右，3 m 的反应率提高1 2 和2 1 。可见激发剂对粉煤灰中的火山灰反应有良 好的促进作用，表现为水泥净浆抗压强度的提高。 2 2 3 小结 2 3 1 粉煤灰水泥净浆的强度取决于粉煤灰掺量和水灰比。在水灰比一定的情 况下，粉煤灰掺量越高，粉煤灰水泥的净浆强度越低：水灰比越小，粉煤灰水 泥的抗压强度越高。对粉煤灰掺量为4 5 - 5 0 的水泥净浆，当水灰比为0 4 4 时， 1 4 其强度仅为纯熟料水泥的5 0 左右；水灰比为0 3 6 时，同等条件下，其强度为纯熟 料水泥的6 0 左右。 2 3 2 粉煤灰水泥的强度是由其结合水量、粉煤灰对c a ( o h ) 2 的吸收量或粉煤 灰的火山灰反应率表征的。从这些指标可以看出，掺加3 5 n5 0 * o 的粉煤灰， 其2 8 d 、3 m 的结合水量、粉煤灰的反应率仍然较高，在利用后期强度方面有良 好的潜力。 2 3 3 复合激发剂有利于粉煤灰中的火山灰反应，从而提高粉煤灰水泥各龄期 的强度，尤其是大掺量粉煤灰水泥净浆的早； j i 强度。粉煤灰水泥净浆的结合水 量、粉煤灰的反应率直接反应了这一特征。 2 3 粉煤灰掺量对硅酸盐水泥混凝土的影响 粉煤灰掺量的变化对水泥净浆强度的影响分析，揭示出其结合水量、粉煤灰 对c a ( o h ) 2 的吸收量及其粉煤灰的火山灰的应率为主要影响因素。本节主要研 究考察粉煤灰对水泥砂浆及其砼性能的影响。 2 3 1 原材料与试验方法 水泥、粉煤灰同表1 - 1 、表1 - 2 ，砂为g b l 7 7 8 5 规定的标准砂，试验按g b l 7 7 8 5 进行。 2 3 2 试验结果与讨论 表2 1 高掺量粉煤灰水泥砼的力学性能 编粉煤灰掺 复合激发剂7 d 强度( m p a )2 8 d 强度( m p a ) 号 量( )( ) 抗折抗压抗折抗压 2 l04 5 l ，1 0 02 i 5 ，1 0 07 15 ，1 0 03 6 8 ，1 0 0 4 5 2 22 7 84 9 l ，1 0 92 2 9 ，1 0 77 7 0 ，1 0 83 9 6 ，1 0 7 东南大学工程硕士论文 03 9 0 1 0 01 6 5 1 0 06 3 l 1 0 02 9 5 1 0 0 l 2 3 5 0 l 2 4 3 0 34 3 l 1 1 0 1 8 ，3 l l l6 8 0 1 0 83 2 5 1 1 0 从表2 - 1 中可以看出：掺加4 5 粉煤灰的水泥，其7 d 、2 8 d 抗折强度分别为 4 5 1 m p a 和7 1 5 m p a ，其7 d 、2 8 d 的抗压强度分别为2 1 5 m p a 和3 6 8 m p a 。掺加 5 0 原状粉煤灰的水泥，其7 d 、2 8 d 的抗折强度分别为3 9 0 m p a 和6 3 1 m p a ，其 7 d 、2 8 d 抗压强度分别为1 6 5 m p a 和2 9 5 m p a 。可见粉煤灰掺量的增加，水泥砂 浆的抗折强度有所下降，但仍在较高水平上；抗压强度也随粉煤灰掺量的增加 有所下降，但其绝对差值相对较低。在掺加粉煤灰的同时，加入少量复合激发剂 当掺量为4 5 的粉煤灰时，其7 d 、2 8 d 抗折强度分别为4 9 1 m p a 和7 7 0 m p a ，分 别是掺加同量粉煤灰的试样抗折强度的1 0 9 和1 0 8 1 其7 d 、2 8 d 的抗压强度分 别为2 2 9 , t p a 和3 9 6 m p a ，是掺加同量粉煤灰的试样抗折强度的1 0 7 。当掺量 为5 0 粉煤灰的水泥加入少量激发剂时，其7 d 、2 8 d 的抗折强度分别为4 3 1 m p a 和6 8 0 m p a ，分别是掺加同量原状粉煤灰的试样抗折强度的1 1 0 和1 0 8 ；其7 d 、 2 8 d 抗压强度分别为1 8 3 m p a 和3 2 5 m p a ，分别是掺加同量原状粉煤灰的试样抗 压强度的1 1 1 和1 1 0 。可见，掺加粉煤灰复合激发剂后，其早期、后期抗压、 抗折强度均有明显提高。 2 3 3 小结 掺量为4 5 、5 0 粉煤灰水泥，虽然其抗压强度较低，但其抗折强度仍然较高， 尤其是掺加激发剂后，其7 d 、2 8 d 抗折强度都有明显的提高。 2 - 4 高掺量粉煤灰道路混凝土配合比设计及其性能研究 粉煤灰掺量的变化对砼的强度有着一定的影响，但4 5 和5 0 掺量的粉煤 灰水泥砼是完全满足道路中、重交通道路砼抗折强度要求的。本节着重讨论路 1 6 - 东南大学工程硕士论文 用水泥粉煤灰砼的实用设计方法及其相关性能，主要有高掺量粉煤灰混凝的 干硬度、湿表观密度和抗折强度：高掺量粉煤灰混凝土的耐磨性和耐久性。 2 4 1 高掺量粉煤灰混凝土设计原则 高掺量粉煤灰道路混凝土的配合比设计的基本要求是：具有一定的抗折强 度，按中等交通等级道路的要求混凝土的抗折强度大于4 5 m p a ，特重和重交通 混凝二i ：路面要达到5 m p a 的要求：具有良好的施工性能、和易性；混凝土的耐磨 性基本等同于普通混凝土；混凝土具有良好的耐久性。 2 4 2 原材料与试验方法 原材料：水泥是盐城市水泥厂4 2 5 强度等级普通硅酸盐水泥，标准稠度需水量 2 6 ，沸煮法安定性合格。 石予是公称粒径为5 3 1 5 r a m 连续级配石子，压碎值9 4 。 砂子是细度模数为2 8 0 的中砂。 减水剂是市售广东省湛江减水剂厂f d n 减水剂和清华大学早强型木质素磺 酸钙减水剂。 引气剂为清华a e 引气剂。 试验方法： 混凝土强度试验方法按g b j 8 1 8 5 进行；混凝土的弹性模量按j t j 0 5 3 9 4 公 路工程水泥混凝土试验规程进行；混凝土的耐磨性按j t j 0 5 4 8 3 公路工程石 料试验规程进行；混凝土的抗渗性按g b j 8 2 8 5 混凝土抗渗性能试验进行： 混凝土的抗冻性、收缩性按g b j 8 2 8 5 普通混凝土长期性能试验方法进行。 2 4 3 试验结果与讨论 1 、高掺量粉煤灰混凝土的干硬度、湿表观密度和抗折强度。低掺 量粉煤灰混凝土的配合比设计通常采用超量取代法。高掺量粉煤灰混凝土的配 合比设计还没有现成的设计方法。由于该混凝土是采用干硬性混凝土，其强度 不仅取决于水灰比，而且与其密实度有关。按照普通混凝土设计方法t 使用4 2 5 强度等级水泥时，抗折强度为5 0 m p a 混凝土，其抗压强度大约在4 0 m p a 左右。 加入4 5 5 0 的粉煤灰后，按净浆强度仅为原纯熟料水泥强度的5 0 - 6 0 计， 要达到4 0 m p a 的粉煤灰混凝土，原设计混凝土强度要达5 5 m p a - 6 5 m p a 之间，按 照这一推算，材料配比设计如表3 1 ，试验结果如表3 2 。 表3 - 1 高掺量干排粉煤灰混凝土的配比设计 水泥粉煤灰 碎石 编号砂( k g )水c k g ) 术钙( )引气剂( ) ( k g )( k g ) ( k g ) 3 l2 6 02 1 05 4 7 1 2 7 61 6 00 3o 1 5 3 22 6 02 l o5 4 71 2 7 61 7 0 0 _ 30 1 5 3 32 6 02 1 05 4 7 1 2