（道路与铁道工程专业论文）路用粉煤灰高性能混凝土试验研究.pdf

摘要 本研究通过试验考察了粉煤灰对水泥与减水剂相容性的影响、对胶凝材料流 动性及砂浆强度的影响。试验结果表明粉煤灰对改善水泥与外加剂的相容性，控 制坍落度损失起到良好的作用。 当水泥和粉煤灰的合计用量在3 6 0 5 0 0 k g m 3 的常用区间范围内，混凝土5 6 d 的弯拉强度均高于2 8 d 的弯拉强度，这说明掺加粉煤灰对于提高混凝土的后期强 度非常有利。所以，粉煤灰高性能混凝土的后期抗弯拉强度较高，从而提高了水 泥混凝土路面的弯拉强度和抗断裂韧性，增强了抵抗路基不均匀沉陷带来的不利 影响，满足路用性能的要求。 以较大掺量品质良好的粉煤灰制得的粉煤灰混凝土有良好的抗冻融循环性 能、抗氯离子扩散性能、抗碳化性能和抗硫酸盐和氯盐、镁盐侵蚀的性能。总之， 粉煤灰有助于提高混凝土的综合耐久性，这对于混凝土的路用性能具有十分重要 的意义。 以2 8 d 水泥混凝土耐磨性为基准，用于水泥混凝土路面的粉煤灰的最大掺 量为2 0 左右，超过此掺量，则水泥混凝土的耐磨性有所降低。 粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理不同于在普通混凝土中，在高性能混凝 土中，粉煤灰可减小混凝土早期温升和自收缩，有利于混凝土形成完好的结构， 减少微裂缝的发生，提高混凝土的体积稳定性，改善混凝土抗渗性、抗冻融性能 和抗侵蚀能力等。 粉煤灰高性能混凝土是对传统混凝土技术的重大突破，是一种环保的新型 “绿色混凝土 ，用于公路工程建设中会产生重要的技术经济意义和社会效益。 关键词：高性能混凝土；粉煤灰；路面；试验研究；工程应用 a bs t r a c t h lt h i sd i s s e r t a t i o n ，ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t sa r eu s e dt ot e s tt h e e f f e c to ff l ya s ho nt h e c o m p a t i b i l i t vb e t w e e nc e m e n t a n dw r a ( w a t e rr e d u c i n ga d m i x t u r e ) ，o nf l o w a b i l i t y 0 f b i n d i n gm a t e r i a l s 姐do nm o r t a rs t r e n g t h t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tf l ya s hw o r k sw e um i m p r o v i n gt h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e n c e m e n ta n dw r a , a n di nc o n t r o l l i n gs l u m p l o s s t h er e s u l ts h o w st h a t5 6 df l e x u r a l t e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o n c r e t ei sa l w a y sh i g h e rt h a n 2 8 ds t r e n g t hw h e nt h et o t a ld o s a g eo fc e m e n ta n df l ya s hi s i nt h ec o m m o nr a n g co t 3 6 0 5 0 0 k 咖2 ，w h i c hi n d i c a t e st h a tf l ya s hi sq u i t ea v a i l a b l et oi m p r o v i n g t h ec o n c r e t cl a t e s t r e n g t h t h e f e f o r e ，h i g h p e r f o r m a n c ef l y a s h c o n c r e t et a k e s o n ah i g h e ft h el a t e 酝u r a l t e n s i l es t r e n g t h ， w h i c hi m p r o v e st h ef l e x u r a l - t e n s i l es t r e n g t h a n da n t i - f r a c t u r e r o u g l l n e s so ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，e n h a n c e sr e s i s t i n g a d v e r s ee f f e c t 打0 m n o n u n i f 0 册s e t t l e m e n to ft h er o a df o u n d a t i o n ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n t s0 ft h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e t h ef l y a s hc o n c r e t ew h i c hm i x e dw i t hm o r eq u a n t i t yo fh i g hq u a l i t yf l ya s ht a k e s0 n g o o dr e s i s t a n c et oa l t e r n a t ef r e e z i n ga n dt h a w i n g ，t o c h l o r i d ep e n e t r a t i n g ，t oc 抽o n l z m g 锄d t oa t t a c k i n gb ys u l p h a t e ，c h l o r a t ea n dm a g n e s i a t h e r e f o r e ，f l ya s hh e l p sw e l lt o 1 m p f o v i n g t h ec o n c r e t ec o m p r e h e n s i v ed u r a b i l i t y , w h i c h i sv e r yi m p o r t a n tt oc o n c r e t ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e a c e o r d i n gt o2 8 dc e m e n tc o n c r e t ew e a r - r e s i s t a n c e ，t h em a x i m u m sq u a n t i t yo f2 0 f l y a s hi sm i x e di nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t i fe x c e e d i n gi t ，t h e w e a r - r e s i s t a n c ew i l lb e r e d u c e d t h ea c t i o np r i n c i p l eo ff l ya s hi nh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e i sd i f f e r e n tw i t ht h e p r i n c i p i ei no r d i n a r yc o n c r e t e i nh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，f l y a s hc o u l dr e d u c ee a n y c o n c r e t ec a l e f a c t i v i t ya n ds h r i n k a g e ，w h i c hi sg o o d f o rc o n c r e t et os h a p ei n t og o o ds t m c t u r e t 0r e d u c et h em i c r o c r a c ko c c u r r e n c e ， a n dt oi m p r o v et h ec o n c r e t e v o l u m es t a b i l i t y , p e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c e ，f r e e z e t h a wr e s i s t a n c ea n d e r o s i o nr e s i s t a n c e ，e t c h i g hp e 怕彻a n c ef l y a s h c o n c r e t ei sam a i nb r e a k t h r o u g ho ft r a d i t i o n a l c o n c r e t e t e c h n 0 1 0 9 v i ti se n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya n d an e w “g r e e nc o n c r e t e ”i tw i l lb r i n go u t s t a n d i n g t e c h n i c a le c o n o m i cp r o f i t sa n ds o c i a lb e n e f t s ，w h i l eu s e di nh i g h w a y c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：h i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t e ；f l ya s h ；p a v e m e n t ；t e s t 聆s e a r c h ； c o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者答名：夼毛琴 日期哪年r 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：夼基琴 日期：万年广月“日 导师签名：f 锣嘻 日期：。孑年月乏明 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早珀下匕 混凝土是土建工程中应用最广、用量最大的建筑材料之一。水泥混凝土从1 8 世纪末期开始用于房屋、桥梁等结构工程，到了2 0 世纪5 0 年代初，就以确立了 它在整个土建工程领域中最大宗材料的地位，并为建设2 0 世纪的人类物质文明 做出了无可估量的巨大贡献。几乎所有的现代基础设施工程都离不开混凝土，绝 大部分的土建工程都采用混凝土结构建造。据有关部门初步估计，目前全世界每 年生产的混凝土材料已超过1 0 0 亿吨，预计今后每年生产混凝土将达到1 2 0 亿 1 5 0 亿吨，在2 1 世纪及以后的更长时间，混凝土材料仍将是主要建筑材料。 公路是重要的公共基础设施，是国民经济的命脉。改革开放以来，我国的公 路交通事业得到了长足的发展，而且，国民经济持续快速增长和经济总量的不断 扩大，必将带动全社会人员、物资流动总量的升级，导致全社会运输总需求量的 不断增长，从而引发公路交通需求的持续增长，交通预测资料表明，未来2 0 年 我国道路交通的需求量将有大幅度的增长，要求道路的发展必须是跨越式的，以 适应运输需求的增长。到2 0 2 0 年，我国将基本形成由国道主干线和国家重点公 路组成的骨架公路网，建成东、中部地区高速公路网和西部地区八条省际间公路 通道，公路总里程达到2 6 03 0 0 万公里，其中高速公路7 o 万公里以上。 混凝土被广泛地用于工业与民用建筑、公路桥梁等工程中，水泥混凝土是主 要的路面材料之一。路面是在路基顶面的行车部分用各种混合料铺筑而成的层状 结构物，是道路工程的主要组成部分。现代化的公路运输，要求车辆运行高速、 安全、便捷、舒适，这就要求路面结构具有良好的使用性能和服务水平。水泥混 凝土路面属于刚性路面，是一种高级路面，按组成材料不同，又分为素混凝土路 面、钢筋混凝土路面、预应力混凝土路面等。国内外对水泥混凝土路面的修筑技 术一直进行不懈的探索和研究，使水泥混凝土路面在技术上日臻完善。公路建设 的迅猛发展必将会带动国民经济的腾飞，但由于混凝土耗量极其巨大，也会引发 另外个不容忽视的问题，即大自然承受的负担日益加剧，造成资源枯竭、环境 污染。传统混凝土的原材料都来自天然资源，按照传统的配制方法，每用1 吨水 泥，大约需要o 6 吨洁净水、2 吨砂、3 吨石子。而每生产1 吨硅酸盐水泥属料 约需1 5 吨石灰石及大量的燃煤与电能，并排放出约1 吨的二氧化碳。据估计， 水泥工业目前排放的二氧化碳约占全球总排放量的5 ，而二氧化碳浓度增加是 造成地球温室效应的重要原因之一。与钢材、塑料等建筑材料相比，虽然生产混 凝土所消耗的能源和污染要小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但因用量过 大，过度开采矿石和砂、石己在许多地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景 观。另一方面，由于耐久性不足，混凝土过早劣化，如何处置废旧工程拆除后的 混凝土垃圾也给环境带来严重威胁。 高性能混凝土是在现代高强混凝土的基础上发展起来的。使用新型的高效减 水剂和矿物掺和料，是使混凝土达到高性能的主要技术措施，前者能降低混凝土 的水胶比，增大坍落度，控制坍落度损失，提高混凝土的密实性和工作性；后者 能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，除提高混凝土的密实度外，还改 善混凝土的界面结构，提高混凝土的强度和耐久性。粉煤灰高性能混凝土将粉煤 灰作为矿物掺和料，既改善了混凝土的技术性能，同时又充分利用了工业废料， 有效地节约了资源和能源，减少了环境污染，符合绿色高性能混凝土的发展方向， 促进了混凝土技术的健康发展。 粉煤灰是用煤粉炉发电的热电厂排出的烟道灰，其大部分是直径为微米级的 实心或中空玻璃微珠，并含少量的莫来石、石英等结晶体。粉煤灰的化学成分以 f e o ，s i o ：和a 1 ：0 。为主，是一种火山灰质矿物掺合料。自粉煤灰问世以来，世界上 工业界的有识之士就提出了利用粉煤灰的建议，美国电力部门对粉煤灰在混凝土 中应用的研究在1 9 3 2 年就已开始。我国关于粉煤灰混凝土技术的研究与应用始 于5 0 年代中期。冶金建设部门在东北地区冶金基地建设中，推广干硬性混凝土， 并掺加了占水泥重量2 0 左右的粉煤灰，收到了较好的技术和经济效果。 从早期国内外的粉煤灰混凝土技术的应用中，可以看出，最早在混凝土中掺 加粉煤灰，其主要目的是为了降低大体积混凝土内部的温升，并节约水泥，降低 造价。上世纪7 0 年代，由于能源危机、环境污染以及矿物资源枯竭等问题的出 现，粉煤灰混凝土技术有了进一步的研究和发展。研究的方向转变为重点进行有 关粉煤灰胶凝材料化学和粉煤灰混凝土技术方面的理论研究和应用基础研究。随 着混凝土领域内其他新技术的不断涌现，尤其是高效减水剂的使用，使粉煤灰在 混凝土中的应用有了进一步的发展，为节省能源，保护环境，开发可持续发展的 建筑材料提供了新思路口4 3 5 1 。 2 在现代混凝土技术，尤其是高性能混凝土技术方面，矿物掺合料已经与水泥、 集料、水和外加剂一样，成为混凝土的一种重要组成材料，而不仅仅是取代水泥 的混合材料了。随着我国火电事业的迅速发展，我国粉煤灰产量已超过1 2 5 亿 吨年，其中适用于高性能混凝土的优质粉煤灰也有大量增加，这为粉煤灰高性 能混凝土的开发和应用提供了有利条件h 引。 尽管目前对高性能混凝土定义，人们的认识尚未统一，但高性能混凝土必须 具有高耐久性这一点是一致的。高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在 大幅度提高普通混凝土性能的基础上，以耐久性为主要设计指标，针对不同用途 和要求，采用现代技术制作的、低水胶比的混凝土，这种混凝土有可能为基础设 施工程提供1 0 0 年以上的使用寿命，更适合工业化、自动化生产，并具有更高的 施工质量可靠性。从粉煤灰混凝土技术发展的进程来看，粉煤灰高性能混凝土技 术已构成现代混凝土技术的重要组成部分，但目前工程界许多人士对粉煤灰在混 凝土中所起作用的认识还不够全面和准确，因而导致多数情况下在混凝土中掺加 粉煤灰仍然主要是为了减少水泥用量，降低混凝土的生产成本，而对低水胶比条 件下粉煤灰对混凝土耐久性能和工作性能的改善作用没有正确认识。另外，现在 针对高性能混凝土的试验室研究成果多于实际工程应用，而且很多研究工作不全 面，一些工程应用的高性能混凝土也缺乏相应的混凝土性能的综合研究。 如前所述，当前我国公路交通事业一派繁荣，蒸蒸日上，粉煤灰高性能混凝 土在路面工程中具有广阔的应用前景。所以，不论从节约能源还是路面工程实际 需要的角度来看，粉煤灰高性能混凝土的路用性能都值得我们去努力研究和开 发。本课题总结了国内外关于粉煤灰高性能混凝土技术的研究成果，结合路面工 程对混凝土的要求以及高性能混凝土产业化的发展趋势，对粉煤灰高性能混凝土 的路用性能进行了较为全面的试验研究，为粉煤灰高性能混凝土在路面工程中的 应用提供了可靠的实验基础和应用技术，能产生显著的技术、经济和社会效益， 并具有很强的市场针对性。 1 2 高性能混凝土的研究和应用概况 随着现代建筑功能的不断扩大，对混凝土提出了一系列更高更新的要求，混 凝土技术己进入高科技时代，正向着高强度、高工作性和高耐久性的高性能方向 发展，并要求合理应用资源，节约能源，保护生态平衡，“绿色高性能混凝土 3 是今后混凝土的努力方向，也是混凝土的未来和希望。进入二十世纪九十年代以 来，随着多种新型胶凝材料、矿物掺合料、新型高效减水剂及其它外加剂的开发 和应用，使得制作既有良好工作性能，又有优异的力学性能和耐久性能的优质混 凝土成为现实。这种新型的优质混凝土即所谓的高性能混凝土。高性能混凝土的 研究和应用是当前国内外土木工程界热点研究领域之一，世界各发达国家和我国 都对此给予了极大重视，相继投入了巨大的人、财、物力进行高性能混凝土的研 究、开发和应用。 高性能混凝土( h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 的定义最早在美国 提出。1 9 9 0 年5 月在美国马里兰州，由美国国家标准与工艺研究院( n i s t ) 和美 国混凝土学会( a c i ) 主办的讨论会上，将h p c 定义为具有所要求的性能和匀质 性的混凝土。这些性能主要包括：易于浇注捣实而不离析，力学性能好，早期强 度高，韧性好，体积稳定性好，在恶劣条件下使用寿命长等n 。 但是目前国内外对高性能混凝土还没有一个统一的定义。不同国家地区的学 者强调混凝土的不同性能。 例如，在美国加拿大等国家，重点强调高性能混凝土要具有较高的强度和耐 久性。以m e h t a 等为代表的学者提出，高性能混凝土首先要具有较高的强度，一 般应超过6 0 m p a 以上15 | 0 但仅仅高强并不能称之为高性能混凝土。近年来建造的 许多结构物暴露于腐蚀环境下，腐蚀速度很快。多数混凝土结构物并不是因为承 载力不够而导致破坏，而是由于有害物质通过混凝土中的裂缝、空隙等缺陷向内 部的传输，对混凝土造成腐蚀而导致破坏。仅用强度指标已不足以保证混凝土的 长期耐久性，所以优良的耐久性应该是衡量高性能混凝土的首要指标。而决定混 凝土耐久性的重要因素是混凝土的内部结构的匀质性和密实度，即尽量减少微裂 缝等缺陷，要实现这些，就要求混凝土具有良好的工作性和稳定性。 而在日本，由于建设施工人员不足，人工费昂贵，同时为了减少由于混凝土 施工振捣过程所带来的混凝土质量的波动性，节省能耗、减少施工噪音污染、保 护环境等，以冈村教授为代表的学者，重点开发了高流态、能够实现免振自密实 的混凝土，他们认为：高强、超高强与高流态的混凝土就是高性能混凝土。 我国混凝土专家冯乃谦教授认为：高性能混凝土必须具备高强度；高性能混 凝土要流动性好，以保证施工的密实性；耐久性是高性能混凝土最重要的技术指 标。 4 根据混凝土技术的不断发展和结构对混凝土性能的需求，现代高性能混凝土 的定义可概括为：h p c 是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性 能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质的原材料，在严格的质量管理条件 下制成的高质量混凝土。它除了必须满足普通混凝土的一些常规性能外，还必须 达到高强度、高流动性、高体积稳定性、高环保性和优异的耐久性。 高性能混凝土概念的提出至今只有十多年的时间，但是由于国际上广泛认识 到高性能混凝土具有高工作性、高耐久性和高强度等特性，用其替代传统的混凝 土以及建造在严酷环境中的特殊结构物，具有显著的经济效益和技术先进性，因 此高效能混凝土的开发和应用得到了各国的很大重视，并且取得了巨大成果。美 国、日本、法国、加拿大等国已将高性能混凝土作为跨世纪的新材料，投入了大 量的人力、物力和财力进行研究和开发，至今已在不少重要工程中使用。高性能 混凝土适应了当今科学技术和生产发展的要求，可以提高混凝土结构的使用寿 命，大量利用工业废渣，减少资源耗费和环境污染，便于施工，节约能源，已被 各国普遍认为是今后混凝土技术的发展方向，是混凝土可持续发展的出路所在“ 1 2 1 6 ，17 】 从1 9 9 6 年开始，我国国家计委、国家科技部先后两次设立科技攻关项目， 进行高性能混凝土的创新研究，由中国建筑材料科学研究院、清华大学、同济大 学、中国水利水电科学研究院等几十所科研单位、高等院校承担了“高性能混凝 土的综合研究和应用”及“新型高性能混凝土及其耐久性的研究 的研究课题， 针对高性能混凝土所用原材料及组成材料之间的相互影响、高性能混凝土配合 比、混凝土拌和物的工作性、硬化混凝土的力学性能、耐久性、体积稳定性、亚 微观结构、水泥和外加剂之间的适应性、工程应用等方面进行了较全面的研究。 通过联合攻关，项目取得了大量具有国际先进水平的研究成果，并在近百个工程 中应用，转化效果显著，产业化前景非常好。 1 3 本课题的研究内容 1 粉煤灰对高性能混凝土性能的影响 采用不同种类的粉煤灰，根据高性能混凝土的配比条件，使用高效减水剂， 改变粉煤灰掺量配制水泥浆和砂浆，分别考察粉煤灰对水泥与减水剂相容性的影 响、对胶凝材料流动性及砂浆强度的影响。 5 2 粉煤灰高性能混凝土的力学性能研究 以不同种类的粉煤灰并改变其掺量，配制粉煤灰高性能混凝土，进行力学性 能研究，测定其抗压强度、劈裂抗拉强度及静力受压弹性模量等。 3 粉煤灰高性能混凝土路面性能的研究 本研究将进行多项路面性能的试验研究，包括抗弯拉强度试验，耐久性试验。 耐久性试验有抗冻融循环试验、抗氯离子扩散性试验、耐侵蚀试验、抗碳化试验、 抗水渗透试验、耐磨性试验。通过测量混凝土内部的绝热温升，考察粉煤灰对混 凝土早期温升造成的开裂的危险性的影响；对不同掺量粉煤灰的混凝土进行自收 缩测定，考察粉煤灰对减小高性能混凝土自收缩所起的作用，研究粉煤灰对高性 能混凝土体积稳定性的改善作用；测量混凝土的徐变和干燥收缩应变值，以考察 粉煤灰对混凝土徐变和干缩性能的影响。 6 第二章高性能混凝土的原材料 高性能混凝土所用的原材料，除传统混凝土所用的水泥、砂、石和水以外， 还有化学夕i - ) j h 剂和矿物掺和料。由于高性能混凝土的高性能要求和配制特点，原 材料中原来对普通混凝土影响不明显的因素，对高性能混凝土就可能有显著的影 响，因此，高性能混凝土和普通混凝土对原材料的要求有所不同。 2 1 胶凝材料 胶凝材料是高性能混凝土中最关键的组分，高性能混凝土选用的水泥必须符 合以下要求： 1 标准稠度用水量要低，从而使混凝土在低水灰比时也能获得较大的流动 性。 2 水化放热量和放热速率要低，以避免因混凝土的内外温差过大而使混凝土 产生裂缝。 3 水泥硬化后的强度要高，使得以较少的水泥用量获得高强度混凝土。 总之，在选择高性能混凝土用水泥时，要综合考虑水泥的各项性能和水泥的 成本，选用的水泥应具有足够的强度、良好的流变性，并与目前广泛应用的高效 减水剂有很好的适应性，较容易控制坍落度损失。用于配制高性能混凝土的水泥， 主要有中热硅酸盐水泥、球状水泥、调粒水泥和活化水泥。 2 1 1 中热硅酸盐水泥 中热硅酸盐水泥，是指水泥中c 。a 的含量不超过6 ，c 。s 和c 。a 的总含量不 超过5 8 的硅酸盐水泥。这种水泥具有较高的抵抗硫酸盐侵蚀的能力，水化热呈 中等，有利于混凝土体积的稳定，避免混凝土表面因温差过大而出现裂缝。 2 1 2 球状水泥 球状水泥是由日本小野田水泥公司与清水建设共同研究开发的，是水泥熟料 通过高速气流粉碎及特殊处理而成的。球状水泥的表面，由于摩擦粉碎，熟料矿 物表面没有裂纹，凹凸部分和棱角部分消失，成为1 3 0 p - m 大小的粒子，平均粒 径较小，微粉含量较低。因此，水泥粒子具有较高的流动性与填充性，在保持坍 落度相同的条件下，球状水泥的用水量比普通水泥的用水量降低1 0 左右。 7 2 1 3 调粒水泥 调粒水泥是将水泥组成中的粒度分布进行调整，提高胶凝材料的填充率，使 水泥粒子的最大粒径增大，粒度分布向粗的方向移动，同时还掺入适量的超细粉， 以获得最密实的填充，从而使水泥具有流动性好、早期强度较高、水化热低、水 化放热速度慢等性能。 2 1 4 活化水泥 将粉状超塑化剂和水泥熟料按适当比例混合磨细，即制得活性较高的活化水 泥。活化水泥的活性大幅度提高，低强度等级的活化水泥可以代替高强度等级的 普通硅酸盐水泥。 2 2 矿物质掺和料 矿物质掺和料是高性能混凝土中不可缺少的组分，掺入的目的是增加活性， 改善流动性，填充水泥石中的微孔，以利于提高混凝土的强度、密实性，特别是 对改善混凝土的耐久性，防止碱集料反应和降低混凝土水化热等有明显效果。配 制高性能混凝土常用的矿物质掺和料有优质粉煤灰、硅粉、磨细矿渣等。 2 2 1 优质粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂锅炉以煤粉作为燃料，从其烟气中收集下来的灰渣。优 质粉煤灰一般是指粒径为1 0 “m 的分级灰，其比表面积约为7 8 5 0 c m 2 g ，烧失量为 1 - - - 2 ，且含有大量的球状玻璃珠。粉煤灰的主要活性成分是活性s i o ：和活性 a 1 2 0 3 。 2 2 2 硅粉 硅粉是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟灰中收集起来的一种飞灰。 硅粉的颗粒主要呈球状，粒径小于1 帅，平均粒径约0 1 岫。硅粉中的主要活性 成分为无定形的s i o ：，其含量约占9 0 左右。硅粉的小球状颗粒填充于水泥颗粒 之间，使胶凝材料具有良好的级配，降低其标准稠度用水量，提高混凝土的强度 和耐久性。 2 2 3 磨细矿渣 磨细矿渣是将粒化高炉矿渣磨细到比表面积7 5 0 0 c m 2 g 左右，颗粒粒径小于 8 1 0 。用磨细矿渣取代混凝土中的部分水泥后，流动性提高，泌水量降低，具有 缓凝作用，其早期强度与普通水泥混凝土相当，但表现出后期强度高、耐久性好 的优良性能。 2 3 集料 高性能混凝土中集料的选择，对于保证高性能混凝土的物理力学性能和长期 耐久性至关重要。冯乃谦教授认为，要选择适宜的集料配制高性能混凝土，必须 注意集料的品种、表观密度、吸水率、粗集料强度、最大粒径、级配及砂率和碱 活性组分含量等。 2 3 1 细集料的选择 细集料宜选用石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的中粗 砂，细度模数控制在2 6 3 2 之间，砂率控制在3 6 左右。 2 3 2 粗集料的选择 1 粗集料的表面特征 粗集料的形状和表面特征对混凝土的强度影响很大，特别是对高强混凝土。 表面较粗糙的结构，可使集料颗粒和水泥石之间形成较大的粘结力，提高混凝土 的强度。针、片状的集料会影响混凝土的流动性和强度，所以，其含量不宜大于 5 。 2 粗集料的强度 由于混凝土内各个颗粒接触点的实际应力可能会远远超过所施加的压应力， 所以选择的粗集料的强度应高于混凝土的强度。但过硬、过强的粗集料可能因温 度和湿度的因素而使混凝土发生体积变化，使水泥石受到较大的应力而开裂。所 以，从耐久性意义上说，选择强度中等的粗集料，反而对混凝土的耐久性有利。 试验证明，高性能混凝土所用的粗集料，其压碎指标宜控制在1 0 1 5 之间。 3 粗集料的最大粒径 高性能混凝土粗集料最大粒径的选择，与普通混凝土不同。普通混凝土粗集 料最大粒径的控制，主要由构件截面尺寸及钢筋间距决定，粒径的大小对混凝土 的强度影响不大，但对于高性能混凝土，粗集料最大粒径的大小对混凝土的强度 影响较大。试验证明，加大粗集料的粒径，会使混凝土的强度下降，混凝土的强 度等级越高，这种影响越明显。造成强度下降的主要原因是：集料尺寸越大，粘 9 结面积越小，造成混凝土不连续性的不利影响也越大，尤其是对水泥用量较多的 高性能混凝土，影响更为显著。因此，高性能混凝土的粗集料宜选用最大粒径不 大于1 5 m m 的碎石。 2 4 高性能减水剂 由于高性能混凝土的胶凝材料用量大、水灰比低、拌合物黏性大，为了使混 凝土获得高工作性，所以在配制高性能混凝土时，必须采用高性能减水剂。目前， 我国的高效减水剂产品遍及萘系、多羧酸系、三聚氢胺系、氨基磺酸系等，且有 了与改性木质素磺酸盐系相结合的复合型减水剂，这为制备高性能混凝土打下了 一定基础。但是，我国生产的普通高效减水剂还不能同时具备高性能a e 减水剂 的性能，因此，在我国通常将普通高效减水剂与缓凝剂复合使用。在实际工程施 工中，将萘磺酸盐甲醛缩合物与多羟羧酸盐复合起来，基本上可具备与高性能a e 减水剂相似的性能。 为使粗细集料具有较强的抗分离性，还需加入适量的纤维素类、丙烯酸类、 聚丙烯酰酸等增黏剂，以防止混凝土发生离析、泌水等质量问题。为降低高性能 混凝土的收缩，除选好粗细集料及控制胶结材料、用水量外，也可加入铝粉、硫 铝酸盐等膨胀调节剂。 1 0 3 1 粉煤灰 第三章粉煤灰对高性能混凝土的影响 粉煤灰也称作飞灰，是由燃煤电厂收集的灰尘，其中含有大量球状玻璃珠、 莫来石、石英和少量矿物结晶等，其矿物组成见表3 1 。 表3 1 粉煤灰的矿物组成 项目 玻璃体莫来石石英 范围( ) 7 0 9 07 8 1 8 2 5 4 11 5 平均( ) 7 7 61 2 28 5 我国g b t1 5 9 6 2 0 0 5 用于水泥和混凝土中的粉煤灰标准把粉煤灰按照煤 种分为f 类( 由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰) 和c 类( 由褐煤或次烟煤煅烧 收集的粉煤灰，氧化钙含量一般大于1 0 ) 。把拌制混凝土和砂浆用的粉煤灰按 其品质分为i 、i i 、i i i 三个等级，具体技术要求如表3 2 所示。 表3 2粉煤灰的技术要求 技术要求 项目 ii ii 细度( 0 0 4 5 m m 方孔筛筛余) f 1 2 02 5 04 5 o c 需水量比 f 9 51 0 51 1 5 c 烧失量 f 5 o8 o1 5 o c 含水量 f 1 o c f 三氧化硫 3 o c 游离氧化钙 f 1 0 c4 0 粉煤灰的活性主要决定于玻璃体的含量，以及无定形氧化铝和氧化硅的含量。 粉煤灰由于产地不一样，化学组成变化较大，在生产高性能混凝土时应注意粉煤 灰的化学成分对混凝土性能的影响。我国粉煤灰的化学成分的变动范围如表3 3 所示。 表3 3 我国粉煤灰的化学成分( ) 化学成分 s i 0 2a 12 0 3f e 2 0 3c a o m g o s o s 变化范围 2 0 - - 6 21 0 4 03 1 91 4 5o 2 50 0 2 4 目前，全世界粉煤灰年产量约5 0 0 亿吨，美国每年排放粉煤灰大约超过2 5 亿吨，多用于修建码头、堤坝、筑路以及用作混凝土的掺合料等。与世界各国相 比，我国粉煤灰利用量排在世界前列，粉煤灰过去作为粉煤灰水泥的混合材、混 凝土中降低成本和水化热的掺合料在我国已被广泛而有效地应用。具有胶凝性质 的粉煤灰作为矿物外加剂代替部分水泥配制高性能混凝土，在我国还有很大的发 展潜力和空间。 3 2 粉煤灰对高性能混凝土性能的影响 3 2 1 试验材料 1 水泥 试验选用蒙西水泥厂生产的5 2 5 r 型硅酸盐水泥( m x ) 和乌兰水泥厂生产的 5 2 5 普通硅酸盐水泥( w l ) 质量均稳定可靠。两种水泥的化学成分和矿物组成列 于表3 4 中。表3 5 给出了两种水泥物理力学性能指标的验证性试验结果。 表3 4 试验用水泥的化学成分和矿物组成( ) 水烧矢 s i 0 2 h 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o碱 c 3 s c 2 s c a ac 4 a fc a s 0 4 泥量 m x2 3 5 16 8 23 3 05 3 8 01 5 31 46 6 05 0 9 12 1 4 88 1 79 0 64 7 6 w l2 0 7 2 4 6 72 9 75 9 7 81 6 21 5 96 4 46 2 0 41 3 5 87 1 69 8 2 3 8 4 表3 5 水泥的物理力学性能 抗压强度抗折强度 标准稠度 凝结时间 m p am p a 水泥用水量安定性 2 8 ( ) 初凝终凝3 天3 天2 8 天 天 m x 2 6 22 b 4 m i n2 h 5 8 m i n4 2 56 3 96 98 5 合格 w l2 6 02 h l o m i n3 h 2 0 m i n3 9 46 0 65 87 3 合格 1 2 2 细集料 试验所用细集料采用呼市如意河产河砂。筛分试验结果见表3 6 。细度模数为 2 8 0 ，中砂，级配合格。使用前用水清洗，使其含泥量小于1 。 表3 6 砂的筛分试验结果 筛孔尺寸 4 7 52 3 61 1 8o 6o 30 15筛底 ( m m ) 分计筛余 1 21 0 61 5 83 1 82 9 46 84 4 ( ) 累计筛余 1 21 1 82 7 65 9 48 8 89 5 61 0 0 ( ) 3 粗集料 碎石，表面粗糙，粒径5 2 0 m m ，压碎指标6 5 ，针片状颗粒含量为7 6 。 使用前用水清洗。筛分试验结果见表3 7 ，连续级配。 表3 7 碎石筛分试验结果 筛孔尺寸 1 91 69 54 7 52 3 6 ( m m ) 分计筛余 o3 7 13 3 02 4 65 3 ( ) 累计筛余 03 7 17 0 19 4 61 0 0 ( ) 4 粉煤灰 内蒙古元宝山电厂产i 级灰( y f i ) 、i i 级灰( y f i i ) ；北京西高井电厂产i i 级 灰( x f i i ) 。粉煤灰的化学成分和其他性能见表3 8 。 1 3 表3 8 粉煤灰的化学成分和物理性能 化学成分( ) ，细度( 4 5 需水烧失 粉煤 u m 量量 灰 s i 0 2 c a o f e 2 0 3 a i2 0 3 m g o碱 筛余) ( ) ( ) ( ) 5 8 o 2 0 7 y f i3 4 38 6 61 5 44 5 89 8 9 31 9 4 6 8 5 7 62 2 9 y f i i3 9 77 6 21 6 5 4 0 817 89 82 2 l o4 4 9 63 2 2 x f i i2 9 56 1 9 o 7 11 8 21 9 71 0 45 5 4 5l 5 高效减水剂 a ：f d n 非引气型粉状高效减水剂， b ：d f s - i i 液体高效减水剂，比重1 1 1 0 3 k g l ，固含量3 1 6 水 自来水，符合国家标准要求。 3 2 2 粉煤灰对水泥与减水剂相容性的影响 高性能混凝土的突出特点是在低水胶比条件下，借助高效减水剂的高度分散 和塑化作用，使混凝土拌合物获得很高的流动性。要实现这一目的，选择相容性 较好的水泥与高效减水剂是一个关键因素。水泥与外加剂相容性的好坏很大程度 上决定了混凝土的最低水胶比值以及拌合物的工作性和坍落度损失。 高性能混凝土借助于高效减水剂的作用可以在低水胶比较条件下获得很高 的流动性。但是由于高效减水剂对水泥的高度分散作用，使得水泥颗粒与水的接 触面积明显增大，为早期水泥的水化反应提供了有利条件，所以混凝土拌合物的 流动性随着时间的延长将很快降低，即产生坍落度损失。而坍落度损失不完全取 决于外加剂本身的性质，同一品种的外加剂用于不同的水泥，其减水效果和坍落 度损失程度往往有很大的差别，这种现象我们称之为水泥与外加剂相容性。在高 性能混凝土中掺入粉煤灰，首先能从质量上取代部分水泥，减少胶凝材料总量中 水泥的用量，进而减少同一时间水化物的生成量，同时粉煤灰的水化反应依赖于 水泥水化产生的碱性物质的激发，生成凝胶体的速率远远低于硅酸盐水泥的水化 速率，可以减缓拌合物的初凝速度，而且粉煤灰在混凝土中发挥其粒形效应可提 1 4 高混凝土的流动性，这种粒形效应在粉煤灰颗粒表面未生成大量水化凝胶体之前 会一直发挥作用。所以，掺入粉煤灰能改善水泥与外加剂的相容性，减小坍落损 失。 根据上述分析，本研究采用蒙西水泥与各种粉煤灰组合，按水泥：粉煤灰= 1 ： l ，水胶比0 3 2 制备水泥浆体，掺入f d n 高效减水剂，其掺量在0 2 1 2 之间 变化，按标准净浆流动度试验方法测定水泥净浆的初始扩散度和一小时后的扩散 度，比较各种水泥浆体的流动性变化，考察粉煤灰对水泥与外加剂相容性的改善 效果。 图3 1 所示为没有掺入粉煤灰的水泥净浆的初始扩散度和1 小时后的扩散度 随外加剂掺量的变化曲线。从图中的曲线可见，随着外加剂掺量的增大，净浆扩 散度逐渐增大，外加剂掺量超过0 6 时，扩散度有一个明显的突变。当外加剂 掺量达到l 以后，扩散度曲线又趋于平缓。说明外加剂对提高水泥浆体的流动 性有一个最佳掺量，大约为1 左右。观察初扩散度和一小时后的扩散度曲线， 在外加剂掺量为0 4 1 2 的范围内，均存在着大致为2 5 m m 5 0 m m 的扩散度值 降低，即随着时间的延长，水泥浆体的扩散度值减小，也就是流动性降低，这个 差值并不随着外加剂掺量的增大而减小，说明蒙西水泥与f d n 高效减水剂的相容 性不是十分理想。 0 2 0 40 6 0 8 11 2 f d n 用量( ) 图3 1蒙西水泥与f d n 的相容性试验 图3 2 、图3 3 分别为掺入元宝山i 级灰、西高井i i 级灰的水泥净浆扩散度 试验结果。由图中曲线可见，掺粉煤灰后水泥净浆的扩散度损失比没掺粉煤灰时 娜 姗 瑚 m 昌v 谜蕴括 得到明显改善。尤其是元宝山i 级灰，外加剂掺量达到0 8 以上时，基本没有 扩散度减小的现象，扩散度值随时间的延长基本保持不变，我们称这时的外加剂 量为饱和点。上述试验结果表明粉煤灰对改善水泥与外加剂的相容性，控制流动 性降低起到良好作用。 名 e 蜊 懿 辐 图3 2 掺y fi 粉煤灰后蒙西水泥与f d n 的相容性试验 2 图3 3 掺x f i i 粉煤灰后蒙西水泥与f d n 的相容性 3 2 3 粉煤灰对胶凝材料流动度的影响 通常采用需水量比来反映粉煤灰对胶砂需水量的影响，但需水量比的测定在 技术上费时费力。本研究采用测定胶砂体的扩散值比代替需水量比来反映掺粉煤 灰对胶砂流动性的影响。扩散值比是在固定水灰比下，掺粉煤灰的水泥砂浆与未 掺粉煤灰的水泥砂浆的扩散值之比，该值也能反映掺粉煤灰后对胶砂流动性的改 1 6 渤 瑚 姗 啪 一暑v毯越轴 善效果。在扩散值试验中，用水量固定，因此试验比较直观且测验效率高。 试验中，水泥胶砂的配比为：水泥：标准砂= ! ：3 ，水灰比为0 5 ；粉煤灰水 泥胶砂的配比为：( 水泥+ 粉煤灰) ：标准砂= 1 ：3 ，水泥：粉煤灰= 7 0 ：3 0 ，水胶 比= o 5 。采用三种粉煤灰，共制作8 组试件，分别进行扩散值测定，测试结果见 表3 9 。 表3 9 胶砂扩散值试验结果( 未掺高效减水剂，水胶比= 0 5 ) 水泥粉 煤灰扩散值扩散值 序号 种类用量( g )种类用量( g ) ( m m )比 1m x3 0 0l1 9 2 m x2 1 0y fi9 01 4 41 2 1 3m x2 10y fi i9 012 91 0 8 4m x 2 1 0x fi i9 01 2 11 0 2 5w l3 0 01 0 7 6 w l2 1 0y fi9 015 01 4 0 7w l2 1 0y fi i9 01171 0 9 8w l 2 10x fi i9 01 0 60 9 9 由表3 9 的试验结果可见，不同种类的粉煤灰对水泥胶砂的流动性的影响有 所不同，其中以元宝山i 级灰的改善效果最为明显。而同一种粉煤灰对于不同的 水泥，其影响也不同。粉煤灰越细，对胶砂流动性越有利，扩散值比越大。总的 结果显示，水胶比为0 5 时，本研究所用的三种粉煤灰对砂浆流动性均具有正面 影响，砂浆的扩散值比在1 o 以上。 高性能混凝土通常使用高效减水剂将水胶比降低后获得较高的强度和较好的 流动性。表3 1 0 所示为加入d f s - i i 高效减水剂后，使水胶比降低为o