（材料学专业论文）大掺量粉煤灰混凝土的强度和耐久性研究.pdf

l i i ii i ii i iii ii ii ii i i il y 17 5 3 3 5 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns t r e n g t ha n d d u r a b i l i t yo f h i g hv o l u m ef l ya s hc o n c r e t e a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y g a o n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rg a o j i a n m i n g p r o f e s s o r a t es e n i o re n g i n e e rw a n g x i a n g s h e n g s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 3 东南大学工程硕士学位论文 东南大学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 其他人已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。 研究生签名： 墨杰 e l 期：芝2 ：! 生墨 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：址导师葫期： 4 a 东南大学工程硕士学位论文 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( 1 1 1 r f a c ) 进行了系统 的应用基础研究。参照国内外混凝土应用相关标准，研究了粉煤灰用量占胶凝材料质量的 2 0 6 0 时，大掺量粉煤灰混凝土适宜的配合比；采用坍落度法，评价了新拌h v f a c 的和 易性及凝结时间；研究了h v f a c 强度发展规律、抗碳化性能、抗渗性能及抗冻性能：通过 s e l l 试验，分析了i - i v f a c 的微观结构，探讨了粉煤灰在h v f a c 中的作用及粉煤灰与水泥二 元体系的水化机理；结合实际工程对h v f a c 的经济性做出了评价。 研究结果表明，由于粉煤灰使水泥基材料分散体系的静电斥力提高，与聚羧酸减水剂 空间位阻效应在分散机制方面形成互补，因而随粉煤灰用量在2 0 - - 一6 0 范围内增加，h v f a c 的初始坍落扩展度呈增加趋势，6 0 分钟乃至1 2 0 分钟的坍落度经时保留值仍满足使用要求， 表现出优良的流动性能；掺加2 0 6 0 粉煤灰的混凝土7 d 强度均比基准混凝土低，当粉 煤灰掺量大于4 0 时，2 8 d 的抗压强度略低于基准混凝土，但6 0 d 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：随粉煤灰掺量增加，混凝土碳化 深度提高，经3 0 0 次冻融循环后相对动弹性模量及强度均有所下降，但仍满足规范要求； 粉煤灰的掺入降低了混凝土的孔隙率，通过掺加2 0 6 0 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；s e l l 观察发现，当粉煤灰掺量为2 0 0 5 和3 0 时，粉煤灰的界面区较为致密，当粉煤灰掺量为5 0 0 5 时，可观测到粉煤灰界面区的破 坏情况；通过粉煤灰与水泥二元体系的水化机理研究发现，将粉煤灰作为矿物掺合料掺入 硅酸盐水泥中，其水化产物的微观结构、化学组成及水泥石的孔结构与普通硅酸盐水泥显著 不同。并且本文所研究内容与实际工程相结合，达到了理论与实践相结合的目的，分析了 大掺量粉煤灰混凝土的经济效益，l m 3 大掺量粉煤灰混凝土至少可以省十几元钱，对于生产 规模较大的商品混凝土供应公司具有很好的经济效益。 关键词：大掺量粉煤灰混凝土早期强度配合比设计耐久性经济效益 东南大学工程硕士学位论文 摘要 目录 i l | 录1 口【 第一章绪论l 1 1j ；i 言l 1 2 粉煤灰对混凝土性能的影响1 1 3 国内外研究和应用现状2 1 3 1 国内研究及应用现坑2 1 3 2 国外研究及应用现状。5 1 4 研究目的、内容及意义一6 i 4 1 醭究b 的及意义6 j 蕾2 研完彳多主要力圣妻6 第二章原材料与试验方法 7 2 1 原材料性能7 z ，袭缓契：老；7 2 2 刀c 蓼目7 2j 3 匆乳俘8 2j 4 茬，勃掣8 2j 5 力铌扔0 影8 j ? ：j 6 7j j t 9 2 2 配合比设计方案：9 2 3 试件制各l o 2 4 基本性能试验方法1 0 2 么j 玄方御兹瞄更鬣蓖，口 2 4 2 坍落度溯试ll 2z ? 历琵铭五：验j j 2 重彳始拦击f 黔，2 2 么5 燃拦未茸翟蛩j 3 2 5 本章小结。1 4 第三章大掺量粉煤灰混凝土的基本性能试验研究1 5 3 1 概述1 5 3 2 大掺量粉煤灰混凝土的工作性试验研究1 6 z 2j 彳钇易丝j 6 & 22 兹琵畜目婀j 8 3 3 不同掺量粉煤灰混凝土的水化热1 9 3 4 不同掺最粉煤灰混凝土的强度2 l 3 5 本章小结2 2 东南大学工程硕士学位论文 第四章大掺量粉煤灰混凝土的耐久性 4 1 概i 苤2 4 4 2 大掺最粉煤灰混凝土的抗碳化性能2 5 么2j ，g z 述。2 j 幺22 拐影匕矽z 彦2 5 重z3 实谲增撇分析2 8 4 3 大掺量粉煤灰混凝士的抗渗性能2 9 曩zj ，8 爱述2 9 4 3 2 粉煤灰掺量对混凝t 抗渗性能的影响。3 0 4 3 3 粉煤荻细度对混凝孔醵率、抗渗性能盼影响。3 0 么z4 嗣爱名黝分撕3 j 4 4 大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性3 2 蕾么，9 2 = 述” 幺么2 壶臼硷豸知微分颜3 3 4 5 本章小结。3 4 第五章大掺量粉煤灰混凝土的徽结构与水化机理 5 1 粉煤灰与水化产物界面区的s e m 形貌3 6 5 2 粉煤灰与水泥二元体系的水化机理3 7 5 3 本章小结：。4 1 第六章大掺量粉煤灰混凝土的工程应用 6 1 工程概况4 2 6 2 原材料与配合比4 2 6 3 施工情况4 3 6 4 检验结果。4 4 6 5 应用效果4 5 第七章大掺量粉煤灰混凝土的经济效益 7 1 概述4 6 7 2 经济效益分析4 6 第八章结论与展望4 8 8 1 结论4 3 8 2 展望一4 9 顼士期间论文发表情况5 l 致谢 参考3 c 威5 3 东南大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 当今社会，在注重发展经济的同时，更要保护环境。保护环境与发展经济成为 全球最为关注的问题之一，做到不损害资源、环境的社会经济发展即可持续 发展，是全人类共同选择和追求的目标。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4 2 。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3 0 。另有研究表明n 1 ，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。 1 2 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眨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 东南大学工程硕七学位论文 而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性成分s i 0 2 和a 1 2 0 3 与水泥水化生成 c a ( o h ) 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c a ( o n h 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。 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。 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c a ( o n ) 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；粉煤灰水化消耗大量 c a ( o h ) ：，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n 1 。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。 1 3 国内外研究和应用现状 1 3 1 国内研究及应用现状 我国每年都排放大量的粉煤灰，并且有逐年增加之势，近两年已超过1 4 亿 吨年，粉煤灰的总利用率也有逐年增加之势，目前已超过了4 0 ，主要用于建材 2 东南大学工程硕：j ：学位论文 与建工、道路、回填等，其中用于建材与建工方面占总量的3 5 左右。我国上海粉 煤灰的利用水平最高，代表着我们国家的水平，粉煤灰的年利用率已超过1 0 0 ( 即 当年排放的粉煤灰全部用完，并使用了部分往年排放的粉煤灰) ，主要用于墙体 材料、水泥、混凝土与砂浆、道路、回填等途径。经考证，用于生产混凝土所创 造的经济效益最大。 图1 1 杭州湾跨海大桥大掺量粉煤灰混凝土拆模后的外观图片 我国的粉煤灰砼技术发展起步于2 0 世纪5 0 年代中期，早在1 9 5 4 年“关于在 基本建设工程中使用水泥暂行规定 中就确定粉煤灰作为“水硬性混合材料掺 入水泥熟料中生产水泥，其掺量为15 - - 2 0 跚。随着科研单位对粉煤灰掺入砼 中技术性能的深入研究和工程中的大量应用实践，特别是在水工工程中的应用后， 显示出令人满意的物理、力学性能。随着砼技术的发展，高性能砼成为2 0 世纪最 后2 0 年建筑材料领域的主角。由于高效减水剂的掺入使低水胶比成为可能，粉煤 灰、矿渣等火山灰活性材料成为除水泥、砂、石、水、外加剂之外不可缺少的“第 六组分 配制高性能砼，并得到工程界和材料界的普遍认同，其掺量一般为2 0 3 0 。遗憾的是，多年来由于存在着观念以及粉煤灰处理技术上的障碍，人们 在粉煤灰的掺量和推广应用粉煤灰砼的问题上一直持比较保守的态度，导致在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代初期我国面临前所未有的基础设施建设大高潮时期，粉煤灰 除仅仅低效率地在回填、路基和大坝等少数工程领域有一定范围的应用外，更多 地是局限于试验室研究。 然而，和英、美、日本等国一样，我国工程界由于盲目追求施工速度而大量采 用早期强度高的硅酸盐水泥，导致砼过早出现破坏，工程寿命大大缩短。近年来， 耐久性问题逐渐取代原先早期强度和施工速度而成为人们关注的中心。同时，由 3 东南大学工程硕士学位论文 于粉煤灰生产和改性技术的提高，粉煤灰高性能砼优越的工作性、耐久性等进一 步得到证实和认同，以及出于环境方面的考虑，粉煤灰等量取代4 0 9 6 , - - - 7 0 水泥的 大掺量粉煤灰高性能砼技术已日趋成熟，专家们呼吁应加大其在商品砼、道路、 水工、房建等工程中的推广应用力度瞄1 。 目前关于混凝土的研究有三个趋势值得注意： ( 1 ) 扩大高性能混凝土的涵义，注意研究低强度高性能混凝土 目前国内外许多学者和混凝土生产商都存在一个观念，即认为高性能混凝土 必须是高强混凝土( 大于c 5 0 ) 。这种观点大大限制了高性能混凝土的应用范围。 大量使用的钢筋混凝土建筑物，如低层和多层房层以及高层房层的上层构件，又 比如地下结构物，大体积砼等对强度要求并不高( c 2 5 、c 3 0 ) ，但对耐久性要求 却很高。高性能混凝土恰能满足此要求。因此，高性能混凝土不只是高强度，而 是包括各种强度等级的高耐久混凝土。生产制备既低强度又高性能的混凝土并不 是一件容易的事情，既缺乏理论指导，又缺乏实践的经验，很有必要进行研究。 ( 2 ) 降低高性能混凝土的成本 均匀优质混凝土必须在经济合理的前提下具备优良的各项性能。经济问题长 期困扰着混凝土工作者，有时还成为混凝土技术进步的障碍。目前，大部分高性 能混凝土的成本比常规混凝土高3 0 以上。对应用高性能混凝土的经济性问题， 人们喜欢用整体经济效益的方式来说明：尽管高性能混凝土材料价格较高，但它 的使用可以延长使用寿命，强调整体效益很好。 但是，不能总是以长远利益和社会、经济的整体效益等为理由，而忽视混凝 土原材料与生产的成本。通过大量的试验研究证实，高性能混凝土不一定要高成 本，低成本生产高性能混凝土是可能的，低成本生产高性能混凝土技术将成为高 性能混凝土应用推广的强大动力。 ( 3 ) 提高混凝土材料的绿色度 混凝土的主要原料水泥是一种资源代价、能源代价和环境代价巨大的材料。 每生产1 吨水泥除排放出大量的粉尘外，还排放出约1 吨的温室气体c 0 2 ，因此， 要提高混凝土的绿色度，必须采用有效措施，减少水泥的使用量。大掺量粉煤灰 混凝土科学地大量使用粉煤灰掺合料，既是提高混凝土性能的需要，又可减少对 水泥产量的需求，既可减少锻烧熟料时c 0 2 的排放，又因大量利用粉煤灰而有利 4 东南大学工程硕士学位论文 于保护环境。 1 3 2 国外研究及应用现状 早在1 9 3 2 年，美国电力部门就开始对粉煤灰在砼中的应用进行了研究，并 于4 0 年代中期建成了不少水坝试点工程哺1 。2 0 世纪五六十年代，因发展能源工 业的需要，世界上火力发电工程增多，粉煤灰产量也随之剧增，对粉煤灰性质的 认识逐渐深化，粉煤灰砼经历了广泛的实用阶段。8 0 年代初，美国佛罗里达州 建成一座跨海桥梁一阳光高架桥口1 ，在该桥建设过程中，考虑到了粉煤灰的新规 范( s - 3 4 6 ) ：在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构，包括预应力构件的混凝 土，必须掺用粉煤灰。其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为1 8 - - 5 0 。掺粉煤 灰混凝土的另一典型实例是英国g a r w i c k 机场在1 9 8 2 年的停机坪扩建工程， 该工程运行4 年后显示：与纯硅酸盐水泥混凝土相对照，掺粉煤灰混凝土道面 的表面层抗滑构造仍基本完好，而后者已坑坑点点，受到一定程度破坏。这个 实际工程事例说明：在低水胶比条件下，即使掺有大量粉煤灰，也可获得强度 和耐久性都十分优异的砼： 1 9 8 5 年以来，加拿大矿产与能源技术中心( c a n me t ) 对大掺量粉煤灰混凝 土进行了深入广泛的研究，由于该国地处寒带地区，通常在混凝土里掺入引气 剂，并保持含气量5 6 ，在这种前提下，以水泥1 5 0 k g m 3 ，粉煤灰2 0 0 k g m 3 ，通过高效减水剂将水胶比降到0 3 左右，所配制的混凝土抗压强度2 8 天3 0 - - 4 0 m p a ；9 0 天4 0 - - 一5 0 m p a ；1 年5 0 - - 6 0 m p a 。大掺量粉煤灰混凝土的 成功实例：1 ) 在哈利法克斯的帕克林购物中心施工中用于浇注巨型柱子，拌合 物含5 5 低钙灰、4 5 硅酸盐水泥，以及就地取材的砂、石和高效减水剂。这 些柱子一共用去7 0 0 m 3 大掺量粉煤灰混凝土；2 ) 在哈利法克斯海边处于海洋 环境的建筑物群施工中也得到了应用，该建筑物包括两幢商业大厦的公共建筑， 其3 2 根直径1 2 m 和3 0 根直径1 1 m 的框架柱沉箱，平均长度在2 1 m ，采用 大掺量粉煤灰混凝土的首要原因是其抗渗性能优异。 在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室，工程师们用c a n me t 开发的大掺量 粉煤灰混凝土设计了一个重3 6 0 吨的混凝土平台。为了降低水化热，以粉煤灰、 ( 低热) 水泥、水、粗细骨料、引气剂和高效减水剂混合配制。平台尺寸为7 5 东南大学工程硕士学位论文 8 m ，平均厚度2 2 5 m ，安放在多个充气圆柱体上，因此其震动与地面分离。 由于粉煤灰砼特殊的品质，发射火箭产生的冲击不会引起平台共振。随着龄期 增长，平台砼的共振频率以每年0 0 5 h z 的速度增长，质量越来越好。在该平 台上成功地发射了爱那克依火箭的事实证明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的 太空时代建筑材料。 此后，随着高效减水剂和高性能砼的出现，粉煤灰砼的性能越来越受到重视， 成为各国研究的热点，直到9 0 年代己发展成为现代砼材料的珍品。 1 4 研究目的、内容及意义 1 4 1 研究目的及意义 我国发电主要以火力发电为主，发电厂在提供电力的同时，每年要排放出大 量的粉煤灰，对此如果不加以充分利用，不但会造成资源浪费，而且会加重环境污 染。目前，在一些混凝土工程中，为了提高混凝土和易性也掺入了少量粉煤灰，但 与大量的排放量相比，利用率仍然很低。因此，开展大掺量粉煤灰混凝土研究，提 高粉煤灰在混凝土中的利用率不仅具有良好的社会效益，而且具有很好的经济效 益。首先，它可以变废为宝，化害为利，降低生产混凝土的成本。其次，在混凝土中 掺入粉煤灰，还可以改善混凝土的某些性能，更好地满足工程需要。因此，研究和 发展大掺量粉煤灰混凝土具有重要意义。 1 4 2 研究的主要内容 针对本文的研究目的及意义，本文为主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 研究配制大掺量粉煤灰混凝土，提出不同强度等级的最优混凝土配比； ( 2 ) 在强度满足要求的情况下，研究大掺量粉煤灰混凝土的施工性能； ( 3 ) 研究大掺量粉煤灰混凝土的氯离子渗透、抗碳化性能； ( 4 ) 在大掺量粉煤灰混凝土强度、工作性、耐久性等都符合要求的情况下， 对成本进行分析，研究运用到实际工程的可行性。 6 东南大学工程硕士学位论文 2 1 原材料性能 第二章原材料与试验方法 保证混凝土产品质量稳定的条件，就是要有稳定的原材料质量和稳定的生产 工艺参数( 准确的生产计量和均匀的搅拌) ，在生产控制不变的情况下，原材料质 量的波动，必然引起产品质量的波动。因此，选择质量良好而稳定的原材料，对于 生产质量控制是重要的。 2 1 1 粉煤灰 选用华能南京电厂的粉煤灰，经检测该粉煤灰为i 级粉煤灰，其主要物理指 标为：细度( 4 5 l im 筛筛余) 9 2 、需水量比9 2 、含水量0 1 。粉煤灰形貌如 图2 - 1 所示。粉煤灰主要化学成分见表2 - 1 。 图2 - 1华能电厂i 级粉煤灰s l i m 照片 表2 - 1 粉煤灰主要化学成分 化学成分s i 0 2a l ：0 3c a o m g o s 0 3f e 2 0 3烧失量 含量( ) 5 8 1 23 0 81 9 01 2 6o 5 24 2 12 3 7 2 1 2 水泥 选用江苏省盘固水泥厂生产的盘固p 0 4 2 5 水泥，其熟料矿物组成、化学成 7 东南大学工程硕士学位论文 分和性能测试结果见表2 2 至表2 - 4 。 表2 - 2 盘固p 0 4 2 5 水泥熟料化学成分( w t ) 1 名称 s i 0 2 a l ：0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 3k 2 0 n a 2 0烧失量l l 组分 2 2 7 6 8 52 8 6 6 2 7 6o 9 51 9 50 2 8 o 3 61 2 9 l 表2 3 盘同p 0 4 2 5 水泥熟料矿物组成( w t ) l c 3 sc 2 sc ac a ff c a o i 5 2 52 1 4 6 91 3 40 8 7 表2 - 4 盘固p 0 4 2 5 水泥的性能 密度比表面积 8 0l li l l 筛筛余 凝结睚。间( h )2 8 d 强度( m p a ) ( g c m 3 )( m 2 k g ) ( )初凝 终凝 抗压抗折 3 1 l 3 4 80 22 6 74 55 2 58 3 2 1 3 细骨料 选用产地湖北、质地较好、级配合理的中砂，其细度模数2 5 ，密度2 6 4 0 k g m 3 ，堆积密度1 4 9 0 k g m 3 ，为i i 区中粗砂。 2 1 4 粗骨料 选用南京汤山生产的碎石，由于粒度较小的粗骨料无论从自身的缺陷还是 对混凝土和易性及界面结合力等都有利，所以选用粒径为5 2 5 衄连续级配的 碎石，其密度为2 8 0 0 k g m 3 ，堆积密度为1 4 5 0 k g m 3 。 2 1 5 外加剂 当大掺量粉煤灰应用于结构混凝土时，配合比设计原则是使用高效减水剂， 最大限度地降低水胶比，充分发挥粉煤灰在不同龄期对混凝土性能的贡献。本文 配合比设计选用江苏博特新材料公司生产的j m _ p c a 聚羧酸型外加剂，掺量1 2 时减水率为2 2 5 ，保塑效果非常好。高效型减水剂掺入到粉煤灰混凝土中，不 仅能减少因掺入粉煤灰引起的坍落度损失，改善工作性能，而且与粉煤灰有较 好的适应性。 8 普通饮用水 2 2 混凝土配合比 针对不同强度等级的混凝土，选用0 3 1 - - 0 4 2 的水灰比和4 0 - - 4 3 的砂率 作为混凝土配合比设计的主要技术参数。粉煤灰掺量分别为0 9 6 、2 0 、3 0 、4 0 、 5 0 、6 0 ，胶凝材料( 每方混凝土的水泥、粉煤灰质量的总和) 分别为3 4 0k g 、4 0 0 k g 、4 4 0 k g 、4 8 0 k g ，外加剂掺量分别0 8 - - 1 1 ，坍落度设计为1 8 0 - - - 2 0 0 m m , 对 混凝土进行试配，并全面考察混凝土的各项性能。本文设计采用的混凝土配合比 如表2 5 所示。 表2 5粉煤灰混凝士的配合比 编胶结材用量 混凝士配合比k g m 。3 取代率 号k g m 一3 k gk g影k g k g减水剂 f h l3 6 0 3 6 0 o8 0 81 0 7 0o 80 h , 23 6 02 8 87 28 0 81 0 7 00 82 0 t 33 6 0 2 5 21 0 88 0 81 0 7 0o 83 0 a 43 6 0 2 1 61 4 48 0 81 0 7 0o 84 0 a 53 6 01 8 01 8 08 0 8 1 0 7 00 85 0 t 63 6 01 4 42 1 68 0 81 0 7 0 0 8 6 0 b 14 0 04 0 007 9 01 0 6 00 9o b 24 0 03 2 08 07 9 01 0 6 0o 92 0 b 34 0 02 8 01 2 07 9 01 0 6 00 93 0 1 3 44 0 02 4 01 6 07 9 01 0 6 00 94 0 b 54 0 02 0 02 0 07 9 01 0 6 00 95 0 b 6 4 0 0 1 6 02 4 07 9 01 0 6 00 96 0 c l4 4 04 4 0o7 4 51 0 5 5 1 0 0 c 24 4 03 5 28 87 4 51 0 5 51 02 0 c 34 4 03 0 81 3 27 4 51 0 5 51 o3 0 c 44 4 02 6 41 7 67 4 51 0 5 51 o4 0 c 54 4 02 2 0 2 2 07 4 51 0 5 51 0 5 0 c 64 4 01 7 62 6 47 4 5 1 0 5 51 o 6 0 d 14 8 04 8 007 1 01 0 5 01 10 0 24 8 03 8 49 67 1 01 0 5 01 12 0 d 34 8 03 3 61 4 4 7 1 01 0 5 0 1 13 0 0 44 8 02 8 81 9 27 1 0 1 0 5 0 1 14 0 d 54 8 02 4 02 4 07 1 01 0 5 01 15 0 0 64 8 01 9 22 8 87 1 01 0 5 01 16 0 9 东南大学工程硕士学位论文 2 3 试件制备 大掺量粉煤灰混凝土成型步骤如图2 2 所示 四四口四口 图2 - 2 大掺量粉煤灰混凝土成型工艺流程图 2 4 基本性畿试验方法 2 4 1 立方体抗压强度 用于测定立方体抗压强度的试件尺寸为l o o m m 1 0 0 1 m x1 0 0 咖，采用标准 养护，养护温度为2 0 4 - 2 c ，相对湿度9 5 。试件从养护室取出后应及时进行试 验，将试件表面与上下承压板面擦干净。 将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的承压面应与成型时的顶面 垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件 或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡。 1 0 刍由 j，_。_l，_l 东南大学工程硕士学位论文 在试验过程中应连续均匀地加荷，加荷速度一般取每秒钟0 5 0 8 m p a ，当试 件接近破坏开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，甚至破坏。然后记录破坏 荷载。 混凝土立方体抗压强度按下式计算： d r 正2 j 1 0 0 0 ( 2 - 1 ) 式中：正立方体极限抗压强度，m p a ( 精确至0 1 m p a ) ； p 一破坏荷载，l ( n ； 一 _ 试件承压面积，唧2 。 2 4 2 坍落度测试 湿润坍落度筒及底板，在坍落度筒内壁和底板上应无明水。底板应放置在坚 实水平面上，并把筒放在底板中心，然后用脚踩住二边地脚踏板，坍落度筒在装 料时应保持固定的位置。 把按要求取得的混凝土试样用小铲分三层均匀地装入筒内，使捣实后每层高 度为简高的三分之一左右。每层用捣棒插捣2 5 次。插捣应沿螺旋方向由外向中心 进行，各次插捣应在截面上均匀分布。 清除筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒。坍落度筒的提离过 程应在5 - 1 0 秒内完成；从开始装料到提坍落度筒的整个过程应不间断地进行， 并应在1 5 0 秒内完成。 提起坍落度筒后，测鼍筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差，即为 该混凝土拌合物的坍落度值。 2 4 3 碳化试验 试件处理：采用边长为1 0 0 毫米的立方体试件，标准养护，在试验前2 天从标 准养护室取出，然后在6 0 c 温度下烘4 8 d 时，经烘干处理后的试件，除留下一个 或相对的两个侧面外，其余表面应用加热的石蜡予以密封。在侧面上顺长度方向 用铅笔以1 0 毫米间距画出平行线，以预定碳化深度的测量点。 试验步骤：将经过处理的试件放入碳化箱内的铁架上，将碳化箱盖严密封， 开动箱内气体对流装置，徐徐充入二氧化碳，并测定箱内的二氧化碳浓度，逐步 东南大学工程硕士学位论文 调节二氧化碳的流量，使箱内的二氧化碳浓度保持在2 0 3 。碳化试验应在2 0 5 的温度下进行。 每隔一定时期对箱内的二氧化碳浓度、温度及湿度作一次测定。碳化到了龄 期时，取出试件，破型以测定其碳化深度，在试件中部劈开，将切除所得的试件 部分刮去断面残存的粉末，随即喷上浓度为1 的酚酞酒精溶液( 含2 0 的蒸馏 水) 。经3 0 秒钟后，按原先标划的每1 0 毫米一个测量点用钢板尺寸分别测出两侧 面各点的碳化深度。如果测点处的碳化分界线上刚好嵌有卡r 骨料颗粒，则可取该 颗粒两侧处碳化深度的平均值作为该点的深度值。 图2 3 混凝十碳化试验箱 2 4 4 抗渗性试验 抗渗性的测试方法通常有两种，逐级加压法和一次加压法。其中逐级加压 法是测定在一定条件下混凝土所能承受的最大透水压力，以此评价混凝土的抗 渗性，混凝土的抗渗性通常用抗渗标号表示。混凝土的抗渗标号s 是以每组6 个试件中4 个未出现渗水时的最大水压力计算，即： s = 1 0 h l ( 2 - 2 ) 式中，s 抗渗标号； h - 6 个试件3 个出现渗水时的水压力( m p a ) 。 一次加压法通过测定混凝土在恒定水压下的渗水高度，计算相对渗透系数， 比较不同混凝土的密实性。计算方法为： s 。= 田d - 2 2 t h( 2 3 ) 式中，s 广相对渗透系数( c m h ) ； 瞻平均渗水高度( 咖) ； 1 2 东南大学工程硕士学位论文 卜混凝土的吸水率，取0 0 3 ； 卜水压力( 以水柱高度表示c m ) ； i - _ 垣压时间( h ) ； 本文中对抗渗性能的研究主要针对工程中用量最大的c 3 0 级混凝土，考虑 到工程对c 3 0 级混凝土的抗渗要求一般不超过s 8 ，所以测试中采用逐级加压法 进行测试，由于在逐级加压至0 8 m p a 水压时，混凝土试件无一出现表面渗水现 象，所以最后通过测定其渗水高度来评价相应混凝土试件的抗渗性能。 2 4 5 抗冻性试验 试验参照g b j 8 2 8 5 选用快冻法进行研究。试件尺寸为1 0 0x1 0 0x4 0 0 r a m ， 成型2 4 小时后脱模，试件在2 8 d 龄期进行测试，即2 4 d 标准养护并在1 5 - - 2 0 t 2 的水中浸泡4 d 后进行抗冻性的测试。试验设备采用t d r i 型全自动快速冻融 试验机，每天进行5 7 个循环，每隔5 0 次冻融循环后测试一次动弹性模量， 测试前洗净试件表面浮渣，擦去表面水并检查外部损伤及重量损失。g b j 8 2 - - 8 5 中规定，冻融达到以下三种情况之一即可停止试验： ( 1 ) 达到3 0 0 次循环； ( 2 ) 相对动弹性模量下降到6 0 以下； ( 3 ) 重量损失率达到5 。 相对动弹模量采用共振法测定，相对动弹模量按照下式计算： 尸= 箬圳。 浯4 ， 式中：p 一经n 次冻融循环后试件的相对动弹性模量，以三个试件的平均值计 算( ) ； f - h 次冻融循环后试件的横向基频( h z ) ； 卜冻融循环前测定的横向基频初始值( h e ) ； 混凝土试件冻融后的总量损失率按下式计算： a w n ：= c o - a x 1 0 0 g o 式中：aw n 经n 次冻融循环后试件的重量损失率( ) ； 臼叫次冻融循环后试件的重量( k g ) ； g o 一冻融循环前测得的试件的重量( k g ) ； 混凝土的中心冻融温度为一1 7 2 ，8 2 c ，每个冻融循环时间为3 - - 4 小时。 1 3 一 东南大学工程硕士学位论文 图2 4t d i 卜- i 型快速冻融试验机图2 5相对动弹性模量测试 2 5 本章小结 本章主要研究了试验用原材料及其性能，并提出了大掺量粉煤灰混凝土的配 合比设计方案，其内容具体如下： ( 1 ) 试验原材料及其基本性能，其中主要介绍了粉煤灰及其微观形貌； ( 2 ) 介绍了大掺量粉煤灰混凝土的成型步骤； ( 3 ) 大掺量粉煤灰混凝土的配合比设计方案与其基本性能( 强度、坍落度、 碳化、抗渗性、抗冻性) 试验步骤。 1 4 东南大学工程硕士学位论文 第三章大掺量粉煤灰混凝土的基本性能试验研究 3 1 概述 粉煤灰是燃煤发电厂产生的并通过某种方式回收的工业废料，它含有能与水 泥水化产生的氢氧化钙起反应进一步形成水化硅酸钙的活性二氧化硅，因此，在 混凝土中外掺粉煤灰通常将提高混凝土的强度，如果保持强度等级不变则水泥用 量可适当降低。实际应用中，粉煤灰常用于取代部分水泥疆1 ，这将不仅导致混凝土 的成本降低，而且显著降低其早期水化热。对于大体积混凝土和水泥用量较高的 高强度混凝土，掺用粉煤灰对于降低早期水化热，避免由此引起的混凝土早期热 裂非常重要。掺用粉煤灰可明显降低混凝土的渗透性从而改善混凝土的耐久性， 普通混凝土的渗透性部分原因是由于混凝土中的可溶性的氢氧化钙被溶解并可 能从硬化混凝土中滤出，从而留下易被液体或气体介质侵入的孔隙。由于粉煤灰 的火山灰活性反应，混凝土中的氢氧化钙被部分消耗于二次水化反应从而使氢氧 化钙滤出现象大大减轻。此外，粉煤灰的火山灰活性反应产物有助于填充水泥浆 体中水化水泥颗粒间的孔隙圈1 。因此，掺粉煤灰混凝土的渗透性明显低于同强度 等级的普通混凝土。 掺用粉煤灰还能明显改善新鲜混凝土的性能。首先，由于粉煤灰的颗粒形态 效应( 球形玻璃体) ，它通常能提高混凝土的流动性。因此，对于给定的流动度， 则能减少拌和用水或减水剂的用量。其次，优质粉煤灰的细度较小，可明显改善新 鲜混凝土的粘聚性、降低泌水和离析。这些流变性质的改善对于泵送混凝土施工 尤为有利。 然而，粉煤灰的火山灰活性反应，通常在水泥水化后期才显示出来n 们，故掺粉 煤灰混凝土的强度发展较慢，相对于同强度等级的普通混凝土而言，粉煤灰混凝 土具有相对低的早期强度和相对高的后期强度。同理，它的凝结时间一般也较长， 这种缓凝效果既有优点也有缺点，优点是降低早期水化热并减少坍落度损失，缺 点是相对高的模板应力和相对长的可拆模时间。 本章通过试验研究了不同掺量粉煤灰混凝土的工作性能、水化热变化，以及 强度变化。 1 5 东南大学工程硕二仁学位论文 3 2 大掺量粉煤灰混凝土的和易性和凝结时问试验研究 3 2 1 和易性 新拌混凝土和易性包括其流动性、粘聚性和保水性。对新拌混凝土和易性 的评定通常采用测定其流动性，并辅以直观经验评定其粘聚性和保水性。粘聚 性的检查方法是用捣棒在己坍落混凝土拌合物截椎体侧面轻轻敲打，此时如截 锥试体逐渐下沉( 或保持原状) ，表示粘聚性良好：如果倒塌部分崩裂或出现离析 现象，则表示粘聚性不好n 。保水性以混凝土拌和物中稀浆析出的程度来评定， 坍落度筒提起后无稀浆或仅有少量稀浆自底部析出，表示其保水性良好：如提起 后有较多稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土拌和物也因失浆而骨料外露，则 表明其保水性不好。 图3 - 1 粉煤灰掺量为5 0 9 6 时的混凝土的状态 试验表明，当粉煤灰掺到混凝土中时，可以明显地改善混凝土拌合物的和易 性n 羽，这是因为：a 粉煤灰由大小不等的球状玻璃体组成，表面致密光滑，在混凝 土中可以起到滚珠效应。b 新拌混凝土拌合物的水泥颗粒易聚集成团，掺入粉煤 灰，由于表面电负性作用，可以有效地分散水泥颗粒，释放更多的浆体来包裹骨 料颗粒。c 能降低用水量，使混凝土的水灰比降低到更低水平，减少混凝土拌合 物的离析和泌水。大掺量粉煤灰混凝土的和易性与粉煤灰质量、# l - ：o n 剂品种及 掺量等有关。 因此，本实验按g b j 8 0 8 5 ：普通混凝土拌合物性能试验方法规定测定粉 煤灰混凝土拌和物的坍落度，并观察坍落后的混凝土试体的粘聚性和保水性。 为评定粉煤灰混凝土坍落度经时损失情况，本实验还测定了o 5 h ，i h ，2 h 的坍 落度。实验结果见表3 1 。 1 6 东南大学工程硕士学位论文 表3 - 1 混凝七坍落度经时变化 编 水胶比胶结料用量 粉煤灰粘聚保水坍落度经时变化( c m ) 号飞? c b k g m 一3 掺量性性 初始 o 5 hl h2 h 2 h 坍损 a io 4 2 3 6 0 o 良好一般 1 7 51 7 01 6 51 6 01 5 a 2 0 4 23 6 02 0良好良好1 7 81 7 5 1 7 2 1 6 51 3 a 3o 4 23 6 03 0 良好良好 1 8 51 8 21 7 81 7 41 1 a 4o 4 2 3 6 0 4 0 良好良好 1 9 01 8 71 8 21 8 0 1 0 a 50 4 23 6 05 0 良好良