毕业设计（论文）-粉煤灰对混凝土性能的影响研究.doc

唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：粉煤灰对混凝土性能的影响研究 系 别： 环境与化学工程系 班 级： 06无机非金属材料工程（1）班 姓 名： 指 导 教 师： 2010年6月11 日粉煤灰对混凝土性能的影响研究 摘 要粉煤灰是从燃煤粉电厂的锅炉烟气中收集到的细粉末，是一种具有潜在活性的火山灰掺合料，含有大量的Al2O3。粉煤灰对混凝土性能的影响，对于保证混凝土质量，提高建筑工程质量有实际指导意义。既能节约成本，又能改善性能提高效益。在施工当中适当加入粉煤灰，可以改善混凝土性能，达到预期效果。本论文主要研究粉煤灰和混凝土的掺入方式和掺量问题，实验结果表明：粉煤灰掺入混凝土后改善了混凝土的内部结构，节约了部分水泥，从抗折强度、和易性、耐磨性，抗冻性、抗渗性等都有了相应的提高，特别是后期强度较高。关键词：粉煤灰 混凝土 性能 影响Study on the Influence of Fly Ash onConcrete PropertiesAbstractFly ash is fine power which is collected from the boiler flue of the electricity generating station. It is a kind of cinerite admixture with lateral reactivity consist of many Al2O3. the influence of fly ash on concrete properties have practical significance for improving the quality of construction projectsIf and it can insure the properties of concrete. It can save the cost and improve economic performance. When we add fly ash in construction, it could improve the property of concrete and achieve expected effect. This text formulates fly ash and concret how and what to mix . Experimental results show that when flyash is added, it improves the internal struction of concrete and saves some cement. The properties such as breaking strength, peaceability, abrasive resistance, freezing resistance, impermeabiliy, and so on also have relevant important especially the later strength. Key words: fly ash; concrete; property; influence 目 录1前言11.1 强度11.2 和易性21.3 收缩21.4 徐变21.5 碳化性能21.6 钢筋锈蚀31.7 水化热31.8 碱-集料反应31.9 抗冻性41.10 抗渗性能41.1l 抗腐蚀性能41.12 泵送性能52 试验62.1 粉煤灰与混凝土强度实验与分析62.1.1 原材料62.1.2 粉煤灰混凝土强度与空白混凝土强度的对比实验62.1.3不同细度的粉煤灰对混凝土性能的影响72.1.4 不同掺量的粉煤灰对混凝土性能的影响82.1.5 强度提高的作用机理92.2 粉煤灰对混凝土防腐蚀耐久性的研究92.2.1 实验原料92.2.2 试验配合比的设计102.2.3 试验方法102.2.4 试验结果与分析102.2.5 粉煤灰混凝土的防腐蚀机理112.3 粉煤灰对混凝土抗冻性能实验研究122.3.1 试验原材料122.3.2 试验内容122.3.3试验结果132.4 粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究162.4.1 原材料162.4.2 试验内容162.4.3 试验结果与分析172.5 关于粉煤灰混凝土可泵性的探讨202.5.1 可泵性202.5.2 粉煤灰的性能202.5.3 作用机理212.5.4 粉煤灰混凝土原材料的选择222.5.5 粉煤灰混凝土配制原理232.5.6 粉煤灰配合比设计方法232.5.7 粉煤灰泵送混凝土施工注意事项233 结论25谢辞26参考文献27外文资料28唐 山 学 院 毕 业 设 计1前言粉煤灰是一种工业废渣，大量堆放不仅造成浪费，还会造成严重的环境污染。因此，合理利用粉煤灰，具有重要的意义。混凝土工程在实际应用中，由于各方面原因都受到性能改变的影响，特别是受硫酸盐侵蚀而影响其使用寿命，如掺入适量的粉煤灰，不仅细化了混凝土的孔结构，提高其密实度，还可以减少混凝土中容易受侵蚀的组分C3A和CH的含量，还可以改善混凝土集料表面过渡带结构，同时提高混凝土对硫酸盐侵蚀的抵抗能力。由于粉煤灰的掺入改善了混凝土的内部结构，故采用粉煤灰替代部分水泥后，混凝土的和易性、抗折强度、耐磨性、抗冻性等均可达到与不掺粉煤灰的混凝土相当的水平，后期强度较高，并且大大地节约了水泥用量1。粉煤灰对混凝土性能的改变可分为三个阶段：(1) 新拌混凝土阶段：影响混凝土的凝结时间，改善和易性，改变流变性质，提高可泵性等；(2) 硬化中的混凝土阶段：调节硬化过程，降低水化热；(3) 硬化后的混凝土阶段：提高后期强度，提高各项耐久性，如抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性，抑制碱集料反应等2。 1.1 抗压性粉煤灰对混凝土强度有三种影响：(1) 减少水量；(2) 增大胶结材含量；(3) 通过长期火山灰反应提高其强度。低钙粉煤灰种的微粒为硅氧四面体结构，自身的活性很低。再水泥的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和Ca(OH)2胶体的结晶强度很低，特别是Ca(OH)2仅是托勃莫来石强度的1%2%，而Ca(OH)2体积占整个水泥石体积的25%。粉煤灰中含有的大量的硅、铝氧化物，能逐步与Ca(OH)2及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度较高的低碱性水化硅酸钙，这样，不仅使水泥石中水化胶凝物质的数量增加，而且也是其质量得到大幅度提高，有利于混凝土强度的提高。同时，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对抗拉强度和抗弯曲强度的贡献比抗压强度还要大，这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的弹性模量和抗压强度相类似,早期偏低，后期逐步提高到28d可比基准混凝土提高5%10%。与钢筋的握裹力，粉煤灰混凝土的28d粘结强度基本与等标号的基准混凝土相同，但粉煤灰混凝土的均匀性号，粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。粉煤灰的二次水化反应一般在混凝土浇注14d以后才开始进行，在温度低时，该反应所需要的时间更长。如果对混凝土的早期强度有严格要求，粉煤灰的掺量不宜超过30%，冬季施工非大体积混凝土时，粉煤灰的掺量不宜超过20%。由于现代混凝土中外加剂的使用，一方面，可减少混凝土拌合用水量，减少水灰比，提高混凝土中水泥的浓度；另一方面，减水剂能使水泥中硅酸钙水化所产生Ca(OH)2的二次水化反应，激发粉煤灰的活性，这对于改善粉煤灰的早期强度是有效的。另外，使用粉煤灰活性激发剂或在非大体积混凝土中使用早强型水泥，也可以补偿粉煤灰的掺入对混凝土早期强度的影响3。1.2 和易性粉煤灰对混凝土和易性的改善有以下几点：(1) 优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起着一种类似于轴承的润滑作用；(2) 新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺人可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高；(3) 掺人粉煤灰可以补偿细骨料中细屑的不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时品质良好的粉煤灰在同样的稠度下能减少混凝土的拌和用水量，使混凝土中的水灰比降低到更小水平，减少泌水和离析现象。1.3 收缩 混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少，收缩也越小。优质的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的减少使掺粉煤灰混凝土28d后的白干燥收缩和干燥收缩都小。粉煤灰混凝土的干缩也随粉煤灰掺量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水分蒸发快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大。为防止粉煤灰混凝土的早期收缩开裂，对其更应加强早期养护。 1.4 徐变28d龄期以前，混凝土的强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通混凝土的大，然而与普通混凝土等强度的粉煤灰混凝土在此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。1.5 碳化性能 粉煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中的水泥用量减少，水泥水化析出的Ca(OH)2数量也相应减少。而且，火山灰反应也消耗了一定量Ca(OH)2，使混凝土的pH值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰一水泥体系孔结构疏松，CO2、O2、水分等人侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为0.50.55，粉煤灰掺量不大于30%和一般施工水平的情况下，1517年混凝土的碳化深度可达20mm左右。碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与CO2隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热 ，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。1.6 钢筋锈蚀 混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性(pH12.5)在金属表面形成一层致密的钝化膜 。在混凝土中掺加粉煤灰，一方面会消耗Ca(OH)2，降低混凝土的碱环境；另一方面，粉煤灰又与Ca(OH)2反应生成水化物，提高混凝土的密实度，增加混凝土的不透水性和对氯离子扩散的阻力，阻碍和防止CO2的侵入可对钢筋起保护作用，所以粉煤灰的掺人，在防止钢筋锈蚀方面，可以抵消因碱度降低带来的不利影响。粉煤灰在一定的掺量范围(FA24%)，对钢筋锈蚀基本无影响，甚至优于空白混凝土。但是若粉煤灰的掺量大于30%，混凝土的碳化可使混凝土的pH值由12.5降至8.5左右，在这样低的pH值条件下，钢筋不再钝化。当碳化深度到达钢筋位置，保护层被完全碳化，在水与氧气渗入的条件下，钢筋就会发生锈蚀而导致混凝土的开裂甚至破坏4。 1.7 水化热 粉煤灰对降低混凝土水化热的作用十分明显。低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝土7d的水化热下降11%。128d龄期内，大致为掺人粉煤灰的百分数，就是温升和水化热降低的百分数。在大体积混凝土中粉煤灰的掺入一般可使水化热峰出现的时间延缓至3d以后才出现，可以有效防止混凝土产生温度裂缝。1.8 碱-集料反应 粉煤灰对有效抑制混凝土碱一集料反应的作用已被世界公认。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、Al2O3与水泥的水化产物Ca(OH)2反应，降低混凝土的碱度；另一方面粉煤灰较大的比表面可吸收K+、Na+、OH-，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周围的碱金属离子及OH-减少，降低混凝土孔隙中的碱浓度 ，从而削弱了混凝土的碱一集料反应根据试验结果，粉煤灰掺量大于20%时，抑制碱-集料反应才有效，当掺人30%时可有效抑制碱-集料反应。低钙粉煤灰中的有效Na2 O和K2 O都能加速水泥的水化反应，并且能激发粉煤灰中化学活性成分SiO2、Al2O3与Ca(OH)2的二次水化反应，因此粉煤灰中的有效碱是有益的。1.9 抗冻性 粉煤灰混凝土28d以前龄期，混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的粗，故粉煤灰混凝土的早期抗冻性要下降。随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性下降的幅度也越大。但随着龄期的增长，其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强超量取代的条件下，则对抗冻性的影响不大。在混凝土中以20%的粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过基准混凝土，但掺量太高(50%)时，经过150200次冻融，混凝土出现明显破坏。混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻能力的重要因素。对处于严寒地区的粉煤灰混凝土工程，掺人适量的引气剂，可提高其抗冻性能。粉煤灰的含碳量、烧失量、碳化性质、细度以及粉煤灰的掺量等会影响混凝土的含气量。随粉煤灰掺量的增加，在相同引气剂掺量下，混凝土的含气量呈下降趋势，影响混凝土的抗冻性。一般认为这是由于引气剂引入的气泡被粉煤灰中的细微颗粒吸附造成的对引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土其水灰比对抗冻性有显著的影响，水灰比越小，抗冻性能越好，如果混凝土中有足够的含气量，则其水灰比对混凝土的抗冻性能影响不大5。1.10 抗渗性能 影响混凝土抗渗性的主要因素是混凝土的孔结构，包括孔的大小、数量、曲折度以及分布状况等。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，发生火山灰反应生成二次C-S-H凝胶，可以填充其中的孔隙，改善混凝土中水泥石的孔结构，使总的孔隙率降低，大孔数量减少，小孔数量增多，孔结构进一步细化，分布更为合理，混凝土更加密实，抗渗性能得以提高。粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程，不断进行的火山灰反应，使粉煤灰混凝土的孔结构进一步优化，混凝土的抗渗性也进一步改善。粉煤灰混凝土的抗渗性能与粉煤灰的掺量和凝土的龄期有关。当粉煤灰的掺量为30%时，其渗透系数仅为纯水泥混凝土的38.5%，365d龄期渗透系数可比28d时提高一个数量级。 1.1l 抗腐蚀性能 粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力较普通混凝土有所提高。一方面，由于减少了水泥用量，也就减少了混凝土受腐蚀的内部因素；另一方面，粉煤灰细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝土的孔结构(“微集料效应”)，逐渐降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介质侵入 。氯盐是促使钢筋锈蚀，威胁钢筋混凝土建筑物耐久性的最危险物质，是促使混凝土中钢筋去钝化的无可匹敌的杀手。大量的研究证明，氯离子从外部环境对粉煤灰混凝土的侵蚀与胶凝系统的密实度和粉煤灰对氯离子的物理化学吸附作用有关。氯离子在硬化粉煤灰水泥浆体中的渗透深度随粉煤灰掺量的增加而增加。在水化早期，粉煤灰水泥体系的孔结构比较疏松，渗透性大，氯离子的渗透深度随随粉煤灰掺量的增加而增加，20%以上的粉煤灰掺量将使氯离子侵蚀深度大幅度增加。但混凝土水化后期的抗氯离子的侵蚀能力可有较大的改善。在 FF+c一定的条件下，水胶比的降低可使粉煤灰的微填充、微晶核效应得到加强，粉煤灰水泥浆体的密实度得到改善，因而降低水胶比，可使氯离子的渗透性减小。1.12 泵送性能 粉煤灰混凝土具有良好的保水性能，压力泌水值较小，其初期的压力泌水率也明显低于不掺粉煤灰的混凝土。由于粉煤灰的缓凝作用，水化热降低和水化热高峰的推迟，以及减水剂所引发的大量微小气泡所具有的阻止拌和物沉降分层作用，使得粉煤灰混凝土塌落度经时损失明显减少。光滑的球状玻璃体类似于一个个滚轴，使混凝土在泵送、振捣过程中减小了摩擦阻力，有利于混凝土在泵送时自流和在振捣时的自密。在高强混凝土中，由于胶凝材料用量增多，新拌混凝土的粘度较大，粉煤灰的掺人可以有效减小其粘度，有利于混凝土的泵送施工。2 试验2.1 粉煤灰与混凝土强度实验与分析2.1.1 原材料(1)粉煤灰：化学成分及表面积见表2-1：表2-1 粉煤灰的化学成分与比表面积化学组成（%）比表面积（cm2/g）SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3SO3K2O340055.0220.3612.430.915.120.540.92（2）冀东水泥厂生产的42.5号普通硅酸盐水泥，物理力学性能如表2-2。表2-2 水泥的物理力学性能细度0.08mm筛余（%）凝结时间标准稠度用水量（%）安定性（雷氏法）抗压强度（MPa）初凝终凝7d28d4.11h35min2h30min29合格34.656.4(3) 砂(4) 石(5) 减水剂2.1.2 粉煤灰混凝土强度与空白混凝土强度的对比实验实验步骤：(1) 设计三个不同的不掺加粉煤灰混凝土的配合比，同时在三个相应的对比的混凝土中分别掺加粉煤灰进行强度对比。粉煤灰掺加量一律为10%，比表面积8000cm2/g。(2) 材料称量精确度：骨料为1%，粉煤灰、水泥、水为0.5%。(3) 为使空白混凝土具有较好的工作性，减少人工操作对强度的影响，对比实验中加入2%的减水剂。表2-3 掺加粉煤灰的混凝土配合比 (kg/m3) 编号水泥粉煤灰砂石水粉煤灰(%)水胶比145006701250170038240545103500067012501900384450501055500650127021003864955510表2-4 混凝土抗压强度测定值(MPa)编号7天28天60天151.366.270.7252.771.868.2349.666.871.6453.476.481.8552.669.471.9654.377.181.6实验结果如表2-4所示，从以上三对实验中可以看出：掺加细度为8000cm2/g粉煤灰的混凝土的强度均比不掺加粉煤灰的混凝土的强度高，其中七天强度的平均提高率大约4%，60天强度的平均提高率接近14%。可见一定细度的粉煤灰有助于混凝土的高强化，尤其可以促进混凝土的后期强度。2.1.3不同细度的粉煤灰对混凝土性能的影响 (1) 原状粉煤灰的细度为3400cm2/g，经粉磨、分离制的比表面积为4000cm2/g、6000cm2/g、8000cm2/g、10000cm2/g共四个不同细度的粉煤灰。(2) 掺粉煤灰混凝土的配合比不变，分别单掺四个级别的粉煤灰，其余原材料不变。(3) 对比实验中均加入2%的减水剂 表2-5 不同细度的粉煤灰混凝土配合比 (kg/m3)编号水泥粉煤灰砂石水水胶比掺量比表面积B15000670124017034B2450504000670124017034B3450506000670124017034B4450508000670124017034B54505010000670124017034表2-6 混凝土抗压强度测定值(MPa)编号7天28天60天B153.970.271.8B248.360.462.5B351.469.873.6B456.077.481.7B557.278.182.0实验结果见表2-6，随着粉煤灰细度的增加，对粉煤灰的增强效果越好。当比表面积达到8000cm2/g时，无论是早期强度或后期强度，均比空白对比混凝土的强度高，尤其是呼气强度增强效果更显著；当细度为6000cm2/g时，早期强度已低于空白对比混凝土；当细度为4000cm2/g，无论早期或后期，强度均已低于空白对比混凝土。2.1.4不同掺量的粉煤灰对混凝土性能的影响(1) 本实验所采用的粉煤灰，比表面积均为8000cm2/g，其它原材料不变。(2) 混凝土的初步配合比不变，以不同掺量的粉煤灰取代部分水泥，对比其强度。(3) 各混凝土中均掺入2%的减水剂。表2-7 不同掺量的粉煤灰混凝土配合比 (kg/m3)编号水泥粉煤灰砂石水粉煤灰（%）水胶比C150006701240170034C24505067012401701034C340010067012401702034C435020067012401703034C530030067012401704034表2-8 混凝土抗压强度测定值(MPa)编号7天28天60天C152.669.470.5C253.876.981.6C357.677.483.3C455.277.383.4C556.073.480.5实验结果见表2-8，从表中可以看出：随着磨细粉煤灰的掺量的增加，混凝土的强度，无论是早期、后期，均逐渐增强，尤其是后期强度增长显著。当粉煤灰的掺量增大到20%以后，达到了本实验配合比中的最大的强度，再增加粉煤灰的掺量，混凝土的强度反而有所下降。当粉煤灰的掺量达到或超过30%时，混凝土的粘度越来越大，拌合物的坍落度经时损失增大，会给混凝土的施工造成困难7。2.1.5 强度提高的作用机理 (1) 改善混凝土界面结构 能谱图相(EPMA)分析表明，在混凝土的粗骨料与水泥石之间存在着厚约50l00m的过渡层。过渡层中水泥石结构疏松，Ca(OH)2结晶粗大，含量较高。因此，从微观结构来看，混凝土的固体成分主要由三相组成：骨料、硬化水泥石和过渡层，其中过渡层对混凝土强度影响最大，属混凝土结构中的脆弱区域。通过WD-5扫描电镜对空白混凝土试样养护28d龄期的SEM照片可以更清晰地看出过渡层的存在。 在混凝土中掺入了磨细的粉煤灰后，这些超细粉煤灰填充在毛细管孔隙中，由于自身的水硬性，使之与Ca(OH)2发生火山灰反应，使得Ca(OH)2含量显著下降，水泥水化产物增多。可见掺加超细粉煤灰对混凝土界面结构有明显的改善作用。 (2) 改善水泥石孔结构 美国加洲大学Mehta教授在研究了水泥石中孔隙与混凝土强度的关系后出：胶凝材料中，20nm以下为无害孔级，2050nm以内为少害孔级，50l00nm以内为有害孔级，l00nm以上为多害孔级。有研究者指出：粒径为l0.09nm的粉煤灰掺加到粒径为10.4nm的硅酸盐水泥中，不论掺量多少，胶凝材料的空隙率基本不变；当粉煤灰的粒径为0.95m，掺量为40%时，胶凝材料的空隙率只有22%左右，硬化后水泥石中的孔含量，尤其是l00nm以上的大孔含量显著降低。从SEM照片对比可看出：空白混凝土的水泥石中孔洞较大，有明显的片状大块的Ca(OH)2结晶体；掺加粉煤灰后的混凝土水泥石空隙微小，结构致密，说明超细粉煤灰有良好的填充效应。 (3) 提高水泥水化程度，为水泥石提供更多的C-S-H 凝胶 利用矿物粉料与水泥颗粒尺寸相近的特点，置换混凝土中的部分水泥，能提高水泥水化程度。磨细的粉煤灰比表面积巨大，与水泥粒子聚集在一起，为水泥产物的填充提供了广阔的外部空间。同时由于自身原子排列不规则，呈热力学亚稳定状态，表面能巨大，具有很强的火山灰性.大量的活性SiO2和Al2O3与水泥水化产物Ca(OH)2作用，不仅进一步促进了水泥颗粒的水化，同时消耗了对水泥石强度作用微弱的Ca(OH)2为水泥石提供了更多的C-S-H凝胶，从而提高了混凝土的强度。2.2 粉煤灰对混凝土防腐蚀耐久性的研究2.2.1 实验原料(1) 水泥：冀东水泥丰润有限公司生产的盾石牌PO 32.5水泥。(2) 砂(3) 粗骨料(1) 粉煤灰表2-9 粉煤灰的技术指标项目烧失量（%）含水率(%)SO3含量（%）需水量比（%）比表面积 (m2/kg)指标要求40.83.2620实测值0.850.550.81886502.2.2 试验配合比的设计 本试验采用两种配合比第1种为普通混凝土的配合比，第2种为掺粉煤灰混凝土的配合比。按GBJ14690粉煤灰混凝土应用技术规范的规定进行设计。试验中采用等量取代法进行粉煤灰混凝土配合比设计，用粉煤灰等量取代水泥l5%。配比如下 ： (1)不掺粉煤灰组：制作每组试件分别称取水泥6.21 kg，水3.53 kg，砂15.27kg，碎石19.99 kg。 (2)掺粉煤灰组：制作每组试件分别称取水泥5.28 kg，水3.57 kg，砂14.45 kg，碎石20.71 kg，粉煤灰0.94kg。 2.2.3 试验方法 试验的对比因素主要包括不同的浸泡液和有无混凝土掺合料，根据对比因素列出试验表(见表2-10)，试验方法按GB242081水泥抗硫酸盐快速侵蚀试验方法进行。每种情形下制作150mm150mm150mm的试件7块，剔除掉两个离散较大的试验数据，取其余5个试验结果进行分析。试件总数共计10组70个，水泥强度等级为32.5MPa，混凝土强度等级定为C20。表2-10 实验设计表放置环境20水中Na2SO4溶液(20.2g/L)MgCl2溶液(20.2g/L)Na2SO4溶液(30.3g/L)MgCl2溶液(30.3g/L)不掺粉煤灰A1B1C1D1E1掺粉煤灰A2B2C2D2E2(1) 试验所用材料按配比搅拌成型后，将试体放入(203)养护箱内养护24h。 (2) 将试体放入50的水中养护7d。(3) 将试体分别放在室内、清水和不同的溶液中，养护龄期为28d。 (4) 进行试件28d抗压强度试验，取每组离散较小的数据的平均值作为分析数据。2.2.4 试验结果与分析 试件28d抗压强度试验结果的平均值见表2-11。部分试件抗压试验的破坏情况不同。不同条件下的抗腐蚀系数见表2-12。表2-11 试件28d抗压强度试验结果的平均值编号A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2试验压力/KN508.5479.3381.4393.0386.5397.8361.0383.4366.1388.2抗压强度/MPa22.621.317.017.517.217.716.017.016.317.3表2-12 不同条件下的抗腐蚀系数放置环境Na2SO4溶液(20.2g/L)MgCl2溶液(20.2g/L)Na2SO4溶液(30.3g/L)MgCl2溶液(30.3g/L)不掺粉煤灰0.750.760.710.72掺粉煤灰0.820.830.800.81提高比例/%9.39.212.712.5采用抗腐蚀系数 进行数据分析。 a=式中： a 试件的抗腐蚀系数； C1 试件在溶液中放置28d的抗压强度，MPa； C2 试件在20的水中放置28d的抗压强度，MPa。 由表2-12可以看出，在不同的溶液中，掺粉煤灰混凝土的抗腐蚀系数均比普通混凝土的抗腐蚀系数有很大的提高，且抗腐蚀系数的提高比例随着侵蚀性溶液浓度的增大变化更为明显。2.2.5 粉煤灰混凝土的防腐蚀机理在通常情况，水泥硬化后具有较好的防腐耐久性，但在某些腐蚀性液体中会逐渐受到腐蚀。(1) 硫酸盐的腐蚀 硫酸盐能与水泥石中的Ca(OH)2发生反应生成CaSO4，CaSO4又与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石，AFt)。反应方程式如下： Ca(OH)2+Na2SO4+2H2OCaSO42H2O+2NaOH 4CaO A120312H2O +3CaSO4+20H2O3CaOAI2O3+3CaSO431H2O+Ca(OH)2生成的三硫型水化硫铝酸钙含有大量的结水,比原体积增大1.5倍以上，由于是在已经固化水泥石中发生上述反应，因而对水泥石具有极大破坏作用。 当水泥中硫酸盐浓度较高时，CaSO4将在孔中直接结晶形成二水石膏(CaSO4 2H2O)使体积膨胀，从而导致水泥石的破坏6。(2) 镁盐的腐蚀 镁盐与水泥石中的Ca(OH)2 发生如下反应 ： MgC12+Ca(OH)2CaCl2+Mg(OH)2 生成的Mg(OH)2松软且无胶凝能力，从而对水泥石起到破坏作用。 (3) 粉煤灰混凝土的防腐蚀机理 粉煤灰属于活性混合材料，主要成分是活性SiO2和活性A12O3，与水调和后本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但粉煤灰在Ca(OH)2溶液中会发生显著的水化反应，而在饱和的Ca(OH)2溶中水化更快。其水化反应一般认为是： xCa(OH)2+SiO2+mH2OxCaOSiO2nH2O 在Ca(OH)2与SiO2相互作用的过程中，无定形的硅酸吸附了钙离子，开始形成不定成分的吸附系统，然后形成无定形的水化硅酸钙，再经过较长一段时间后慢慢地转变成微晶体或结晶不完善的凝胶。Ca(OH)2和活性A12O3相互作用形成水化铝酸钙，这些水化物能在空气中凝结硬化，并能在水中继续硬化，具有相当高的强度7。2.3 粉煤灰对混凝土抗冻性能实验研究2.3.1 试验原材料(1) 水泥：冀东丰润水泥厂生产的普通水泥，等级强度42.5，密度3.0g/cm3.(2) 细骨料：河砂，属中砂，细度模数为2.4，密度为2610kg/m3(3) 粗骨料：碎石，粒径1020mm，密度2853kg/m3(4) 水：饮用水。(5) 减水剂：HFDN混凝土高效减水剂，非引气型。(6) 粉煤灰：粉煤灰质量指标见表2-13表2-13 粉煤灰质量指标化学成分细度 (45mm方孔筛筛余)需水量比SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量56.6225.655.422.221.270.432.297.4902.3.2 试验内容试验参照(GBJ8285)普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法的快冻法进行。每组3个100mm100mm400mm棱柱体试件，成型后24h拆模，标准养护24d，1520水中浸泡4d。按要求放入冻融试验设备中进行冻融循环,通过质量损失和动弹性模量来评价混凝土的抗冻性能。表2-14 混凝土配合比编号水泥(kg.m-3)粉煤灰(kg.m-3)水（kg.m-3）砂(kg.m-3)石(kg.m-3)水胶比粉煤灰取代水泥量/%减水剂掺量/%A396022063411270.55600B27711917657711210.444300.8C23815916557211130.417400.8D19819816556811040.417500.8E15923816556410960.417600.82.3.3 试验结果试验结果见表2-15及图2-1图2-3.表2-15 混凝土抗冻融试验结果循环次数质量损失/%ABCDE00000025-0.050.15-1.280.791.2850-0.170.540.0011.6975-0.100.592.951000.99循环次数相对动弹性模量/%ABCDE01001001001001002590.193.790.684.553.85069.387.757.461.77539.474.633.510052.7混凝土ABCDE耐久性系数9.917.69.68.44.5图2-1 混凝土质量损失图2-2 混凝土耐久性系数图2-3 混凝土相对弹性（1）试验结果综述图2-1可见，随着冻融循环次数增加，各种混凝土质量损失的总趋势都是上升的，只是上升速度不同。混凝土B与基准混凝土速度较为接近，其他混凝土上升速较快。由图2-3可见，随着冻融循环次数的增加，各种混凝土相对动弹性模量均呈下降趋势。其中混凝土B下降最为缓慢，并优于基准混凝土；混凝土C，D下降趋势与基准混凝土接近，但较基准混凝土差；混凝土E下降最为迅速，是所有混凝土中最差的。由图2-2可见，在A，B，C，D，E五种混凝土中，混凝土B的耐久性系数最大，约高出基准混凝土80%,而其它3种混凝土的耐久性系数均低于基准混凝土。（2）分析讨论粉煤灰由于其化学成分、矿物组分及颗粒形态等特征，在混凝土中主要产生三大效应，即活性效应(火山灰效应)、形态效应及微集料效应。活性效应使混凝土中Ca(OH)2浓度降低，这样，一方面减弱了溶析而导致的混凝土内部孔隙劣化；一方面二次水化消耗了混凝土中薄弱的Ca(OH)2结晶，降低了混凝土内部孔隙率，改善了混凝土孔结构，提高了混凝土的密实性。形态效应有利于减少混凝土用水量，提高混凝土的密实度。微集料效应使混凝土内部空隙细化，增强混凝土的密实性。由此可见，尽管粉煤灰的活性较水泥低，但通过以上三大效应的作用，粉煤灰混凝土应该具有良好的密实性。本研究中，混凝土B的质量损失略高于基准混凝土(但小于1%)，相对动弹性模量始终高于基准混凝土，耐久性系数远远高出基准混凝土，故粉煤灰取代水泥30%时，其抗冻性不低于基准混凝土。这主要得益于粉煤灰混凝土良好的密实性。然而，粉煤灰混凝土的水化需要分两步进行，其中，二次水化是基于水泥水化的基础上发生的，粉煤灰取代水泥量越大，水泥水化产物越少，二次水化的水化产物相应减少，水化产物的总量自然也相对较少，而水化产物则是构成水泥石最重要的组成部分，所以水化产物减少必然使混凝土的致密性变差。另一方面，当粉煤灰取代水泥量过大时，粉煤灰取代了部分砂，而粉煤灰颗粒较小，不能像砂那样很好地填充粗骨料之间的空隙，使混凝土密实性下降。混凝土密实性下降，环境水容易进入，混凝土抗冻性自然变差，本试验中，混凝土C、D、E就属于这种情况，混凝土E由于粉煤灰取代水泥量最大，所以抗冻性能劣化最严重。普通混凝土冻融循环后，通常有两种劣化形式：一是剥落，导致混凝土质量损失；二是内部微裂纹，导致混凝土的动弹性模量下降。本试验中，粉煤灰取代水泥30%以后，这两方面劣化程度均呈上升趋势8。2.4 粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究2.4.1 原材料（1）水泥：冀东丰润生产的42.5普通硅酸盐水泥(物理力学指标见表2-16)；（2）砂：中砂，细度模数2.7，属级级别；（3）外加剂：高效减水剂；（4）拌合水：自来水；（5）石：郊区产55mm碎石灰石；（6）粉煤灰：化学成分及性能指标见表2-17 表2-16 水泥的物理力学性能指标抗折强度（MPa）抗压强度(MPa)密度(g/cm3)3d28d3d28d3.065.48.622.744.0 表2-17 粉煤灰的化学成分及性能指标 (%)项目数值项目数值SiO252.7CaO3.7Al2O325.8MgO1.2Fe2O39.7SO30.2烧失量3.0比表面积（m2/kg）5002.4.2 试验内容粉煤灰等量取代水泥，掺量分别为0、20% 、30%、40%、50%和60%。水胶比0.4，通过调整其外加剂掺量，使混凝土的坍落度控制在(12020) mm，具体混凝土配合比见表2-18。表2-18 混凝土配合比 (kg/m3)编号水泥粉煤灰水砂石减水剂C1C2C3C4C5C64503603152702251800901351802252701801801801801801806706706706706706701090109010901090109010901.0%0.8%0.8%0.6%0.5%0.4%(1) 抗压强度测试根据普通混凝土力学性能测试方法标准(GB/T 500812002)，混凝土每组成型三个，试件尺寸为150mm150mm150mm，振捣成型，24h后拆模，放人标准养护室养护至28天龄期，测试立方体抗压强度。(2) 孔隙率测试采用“可蒸发水含量法”测定混凝土的体积孔隙率。试验使用100mm50 mm混凝土试件，由150 mm150 mm150 mm立方体试件标准养护28天后取芯、切割得到。试件采用ASTM C1202规定的真空饱水过程饱水，饱水后抹去试件表面水，称饱水试件质量Mo。然后将试件置于90%的相对湿度环境中，30天时，试件失水质量与时间关系曲线趋于平缓，可认为水分扩散达到平衡状态。试验选定试件置于90%相对湿度环境中失水达到平衡的时间为30天，此时可测定混凝土的大孔孔隙率。假定完全饱水的混凝土试件质量为Mo，不同条件下失水后试件质量为Mi，则相应混凝土的体积孔隙率P可近似由下式计算： (3) 碳化深度测试将养护至26天龄期的混凝土试块(100mm100mm100mm)，移入烘箱中，在60下放置48h，然后按照GBJ821985规范对试块进行快速碳化，并测定其碳化深度，结果取3个试块的平均测量值。2.4.3 试验结果与分析(1) 粉煤灰掺量对抗压强度的影响混凝土抗压强度随粉煤灰掺量(质量分数)变化如图2-4所示。结果表明，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度降低，且掺量大于40%后，下降幅度较大。抗压强度的降低显然与粉煤灰的掺量有关，Xu等人认为粉煤灰替代一部分水泥后，水泥浆体系中水泥的浓度减小，控制水泥水化速率的有效水灰比相对增大，溶液中的Ca2+浓度降低，减少了颗粒之间的连接，相应降低了早期抗压强度。标准养护条件下，早期(甚至28天)的粉煤灰水化反应程度很低，又由于粉煤灰为低钙粉煤灰，只可能形成较少的CSH凝胶，因此降低了浆体的抗压强度。图2-4 抗压强度随粉煤灰掺量的变化(2) 粉煤灰掺量对孔隙率的影响由图2-5可以看出，粉煤灰的掺加大幅度降低了混凝土的孔隙率。与空白试件相比，粉煤灰掺量为20%时，总孔隙率下降了18%，气孔及粗毛细孔孔隙率下降了54%，细毛细孔空隙率下降了10%；煤灰掺量较大时，气孔及粗毛细孔孔隙率与总孔隙率都有较大幅度地上升，但与空白试件相比仍处于较低水平。这表明，粉煤灰的微集料效应和二次水化反应可以提高混凝土的密实度，细化孔隙，改善孔结构，混凝土的气孔及粗毛细孔孔隙率降低尤为显著。图2-5 孔隙率随粉煤灰掺量的变化 (3) 碳化深度随时间的变化表2-19 碳化深度值及其回归系数编号 碳化深度（mm）d=atb的回归值3d7d14d28dabrC1C2C3C4C5C601.12.43.57.39.702.34.16.38.611.902.64.97.410.414.503.25.68.312.417.90.8641.9863.0185.4636.9890.4020.3230.3180.2450.2800.9480.9230.8910.9950.997由表2-19可明显看出，粉煤灰混凝土的碳化深度都随时间的增加而增大，且早期增长较快，后期增长相对缓慢。从相关系数r来看，用幂函数d=atb来表征d与t的关系较为合适。随着粉煤灰掺量的上升，反映试件早期碳化性能的a值呈上