粉煤灰强度效应因子的动态预测.pdf

第27卷第6期硅酸盐学报vol. 27 ,no. 6 1 9 9 9年1 2月journal of the chinese ceramic societydecember ,1999 粉煤灰强度效应因子的动态预测 张亚梅 孙 伟 陈惠苏 (东南大学材料科学与工程系) 摘 要 提出了粉煤灰强度效应因子k的动态预测模型,该模型建立了粉煤灰强度效应因子与粉煤灰火山灰活性指数、 粉 煤灰掺量、 水胶比、 龄期等主要参数之间的直接联系,并考虑了粉煤灰品种、 水泥品种等其它因素的影响.最后,对模型进行 了实验验证,预测结果与实验结果吻合较好. 关键词 粉煤灰,混凝土,强度,效应因子,预测 中图法分类号 tu 528 早在1967年,英国人smith就提出了粉煤灰水泥当量因子k的概念. smith将k定义为: 在不改变混凝土性能的前提下,一份粉煤灰能代表k份水泥.当以抗压强度作为混凝土性能 指标时,k实际上反应了粉煤灰对水泥混凝土强度的综合效应.根据smith的定义,k值的计 算较繁琐,必须通过一系列的试验并对试验结果进行回归分析后方可得到. 沈旦申1应用feret公式,引入水泥浆体浓度的概念,通过掺与不掺粉煤灰混凝土强度公 式中feret系数的比值定量反应粉煤灰效应中活性效应和微集料效应的影响程度.他采用的 计算胶结指数的公式,反映了水胶比、 粉煤灰掺量对强度的贡献. babu等24将粉煤灰的总 效应区分为粉煤灰效应ke和粉煤灰百分比效应kp,强调了粉煤灰的内在特性和粉煤灰掺量 双重因素对粉煤灰总效应的影响,并且认为ke仅随龄期而变化.但是,大量的研究56表明, 对于大掺量粉煤灰水泥混凝土,粉煤灰效应的发挥还与水胶比、 水泥品种等有关. 事实上,影响粉煤灰效应的因素是多方面的,而且,粉煤灰的效应随龄期而变化.到目前 为止,有关粉煤灰效应的预测都是建立在试验结果之上的经验公式.建立粉煤灰效应的理论 预测模型必须在弄清楚粉煤灰水泥基体的水化机理、 水化动力学以及各种因素影响的基础之 上,要进行定量研究难度相当大,作者尚未见这方面的报道.在这种情况下,以实验结果为依 据的经验性的模型对实践更具有现实意义. 结合作者的实验研究以及收集到的国内外有关高掺量粉煤灰混凝土抗压强度资料,本文 提出了简单而有实际应用价值的粉煤灰强度效应因子的动态预测模型,并以实验加以验证. 1 建模依据 1998年11月13日收到.国家自然科学基金资助项目,编号:59938170. 通讯联系人:张亚梅,女,31岁,博士,讲师,东南大学材料科学与工程系,南京 210096. 1995-2005 tsinghua tongfang optical disc co., ltd. all rights reserved. 1. 1 影响粉煤灰效应的因素 大量的试验研究和实践表明,影响粉煤灰对混凝土强度贡献的因素是多方面的.从粉煤 灰自身的性质来看,包括粉煤灰的化学组成、 细度、 粒径分布、 烧失量、 在水泥基材中的掺量、 需 水量比、 对水泥的适应性等;外在因素有水泥品种、 外加剂、 水胶比、 养护条件等.因此,用单一 因素来表征粉煤灰在水泥材料中的效应是不科学的. 粉煤灰效应除了可以用smith所提出的水泥当量因子表示外,火山灰活性指数(pai)也 是表征方法之一,即用含一定掺量的粉煤灰的水泥胶砂与纯水泥胶砂强度在一定龄期的抗压 强度比值来表征.抗压强度比反映了粉煤灰组成、 细度、 需水量、 水胶比、 水泥品种等多种因素 共同作用下粉煤灰对强度的综合效应.谷章昭等9的研究也指出,粉煤灰的火山灰活性指数 pai可作为单一参数直接、 定量地评价粉煤灰对强度的贡献.用胶凝因子评价粉煤灰效应需 要进行大量的试验工作,而用pai来表征粉煤灰的效应可以避免这一点.然而,pai仅仅是反 映了特定的粉煤灰掺量、 水胶比及特定龄期时粉煤灰的综合效应.因此,还必须建立粉煤灰掺 量、 水胶比、 龄期等主要因素与粉煤灰强度效应之间的关系. 粉煤灰混凝土的强度与普通混凝土一样对水胶比很敏感,它遵循abram的水灰比定则. 而且,粉煤灰效应受水胶比的影响6,水胶比越低时粉煤灰胶凝因子越高,但水胶比对粉煤灰 效应的影响程度与水泥品种有关.另外,粉煤灰混凝土的性能对粉煤灰的掺量也十分敏感. 粉煤灰对水泥基材强度的效应随龄期呈动态变化.短龄期时,粉煤灰的形态效应和微集料效 应对材料的结构形成起主要作用,在后期,起作用的主要是其活性效应和微集料效应.此外, 本文作者收集了一部分国内外在这方面的研究资料,经对不同研究者的27组实验数据进行回 归分析发现,高掺量粉煤灰水泥基材料的强度发展大体上遵循相同的规律,即材料的抗压强度 与龄期的对数呈线性关系7.本文对粉煤灰强度效应因子k的解释与smith对粉煤灰的胶凝 因子的定义有所区别.粉煤灰强度效应因子是以粉煤灰的火山灰活性指数pai为基准,与材 料配制时的水胶比、 粉煤灰掺量、 粉煤灰和水泥的品种建立直接的联系,并随龄期呈动态变化, 粉煤灰强度效应因子反映的也是粉煤灰对强度的综合效应. 1. 2 粉煤灰强度效应因子k的动态预测模型 本文所建立的粉煤灰强度效应因子的动态预测方程如下 k = a ( mw mc )pai mf m(c + f) pai mw m(c + f) d mf m(c + f) d pai+ blg( t 28) 式中k 粉煤灰强度效应因子; pai 按照有关标准测定的28 d龄期时粉煤灰的火山灰活性指数; ( mw mc )pai 28 d龄期粉煤灰的火山灰活性指数测试试验中参比试样的水灰比; mf m(c +f) pai 28 d龄期粉煤灰的火山灰活性指数测试试验中粉煤灰的掺量; mw m(c +f) d 粉煤灰水泥砂浆或混凝土设计用水胶比; mf m(c +f) d 粉煤灰水泥砂浆或混凝土设计用粉煤灰掺量; a 系数,与各国粉煤灰火山灰活性指数试验标准及水泥、 粉煤灰的品种有关,当采用 666 硅 酸 盐 学 报 1999年 1995-2005 tsinghua tongfang optical disc co., ltd. all rights reserved. 我国gb1596 - 91标准测定pai值,实际配制混凝土时选用普通硅酸盐水泥,低钙粉煤灰时, a取1 ,当选用的是早强型水泥,低钙粉煤灰时, a取1. 21. 3 ,当选用的是高钙粉煤灰,无论 是普通硅酸盐水泥还是早强水泥,a取1. 11. 3 ; b 系数,与水泥、 粉煤灰的品种以及水胶比有关,取值0. 20. 3 ,粉煤灰掺量高或用早 强型水泥或是选用低水胶比时取下限值;粉煤灰掺量低或用普通水泥或是高水胶比时取上限; t 龄期,以天计,下同. 由于各国测定的粉煤灰火山灰活性指数的标准中使用的水胶比、 粉煤灰掺量不一定相同, 使用上述公式时,式中的修正系数需进行适当的调整. 图1 粉煤灰强度效应因子k与水胶比 mw/m(c +f) d的关系 fig. 1 relationship between strength coefficientk and water binder ratio mw/m(c +f) d 下面对模型所建立的粉煤灰强度效应 因子k与水胶比、 粉煤灰掺量以及龄期的 关系进行分析. 首先,取pai = 0. 90 ,a= 1 ,t= 28 d , ( mw mc )pai= 0. 44 , mf m(c +f) pai= 30 %(我 国gb1596 - 91标准 ) , 粉煤灰强度效应因 子k与 mw m(c +f) d, mf m(c +f) d的关系 见图1至图3. 可以看出,粉煤灰掺量相同时,水胶比 越低,粉煤灰强度效应因子k越高;水胶比 越高,因粉煤灰掺量的变化而导致的k的 差异越小;当粉煤灰掺量与水胶比都低时, 图2 粉煤灰强度效应因子k与粉煤灰掺量 mf/m(c +f) d的关系 fig. 2 relationship between strength coefficientk and mf/m(c +f) d 图3 粉煤灰强度效应因子k与mw/m (c + f) dmf/m(c +f) d的关系 fig. 3 relationship between strength coefficientk and mw/m(c +f) dmf/m(c +f) d 粉煤灰强度效应因子k最高,相反则很低. 其它参数不变,取b= 0. 25 ,mf/m(c +f) d= 60 % ,水胶比分别为0. 30 ,0. 40 ,0. 50 ,由上 述模型计算得到k与 lg( t / 28) 的关系,并与babu计算结果(粉煤灰掺量为60 %时)比较,结果 见图4.可以看出,粉煤灰强度效应因子随龄期呈线性增长,与babu模型的计算结果是一致 766 第27卷第6期 张亚梅等:粉煤灰强度效应因子的动态预测 1995-2005 tsinghua tongfang optical disc co., ltd. all rights reserved. 的;babu模型中粉煤灰总效应因子与水胶比无关;而本文的模型中,粉煤灰强度效应因子与水 胶比有关,水胶比越低,粉煤灰强度效应因子越高. 图4 粉煤灰强度效应因子k与 lg( t / 28) 的关系 fig. 4 relationship between strength coefficientk and lg (t/ 28) 1. 3 对模型的实验验证 首先,以本文作者的实验结果7来验 证上述模型,其f - fa ,c - fa粉煤灰的 pai值分别是0. 97和0. 88 , ( mw mc )pai= 0. 44 , mf m(c +f) pai= 30 % ,因配制高掺量 粉煤灰水泥砂浆时所用水泥与pai测试用 水泥相同,对f - fa配制的砂浆取a= 1 , 对c - fa配制的砂浆取a= 1. 2.因为粉煤 灰掺量高、 水胶比较低,b的值取为0. 20. 试验结果粉煤灰效应k的计算是以粉 煤灰水泥基材料的抗压强度除以相同水胶 比、 相同龄期的参比水泥基材料的抗压强 度得到.由于对水泥砂浆或混凝土强度的预测已经积累了丰富的资料,因此,本文的预测模型 应用起来非常方便.依据上述模型计算得到粉煤灰强度效应因子k与试验结果对比见图5. 图5 实验所得k值与由本文的模型计算得出的k值的比较 fig. 5 comparison betweenkfrom experiment andkcalculated from model 从图5可以看出,理论计算结果与实验结果吻合较好. 因收集到的资料很少能同时提供28 d时粉煤灰的火山灰活性指数以及同条件下的参比 砂浆或混凝土的强度数据,而且各国以抗压强度比来表征粉煤灰火山灰活性指数的标准不尽 相同,作者无法对更多的实验资料用本文所建立的模型来验证,现仅将能收集到的文献8的 实验结果计算出的粉煤灰强度效应因子k与水胶比的关系示于文中.由实验数据计算的结果 与由模型计算的结果的比较见图 6( 图中粉煤灰r和l掺入的质量分数均为58 %) . 虽然对该文献中粉煤灰火山灰活性指数测试所用的标准无法获得,不能按照本文的模型 进行理论计算,但从图6可以看出,由实验结果计算得出的粉煤灰强度效应因子与 lg ( t / 28) 866 硅 酸 盐 学 报 1999年 1995-2005 tsinghua tongfang optical disc co., ltd. all rights reserved. 图6 实验测出的粉煤灰强度效应因子k与 lg( t / 28) 、 水胶比的关系 fig. 6 relationship amongk ,lg( t/ 28) ,and water binder ratio from experiments 呈近似的线性关系,龄期不超过90 d时,这种线性关系更明显.另外,水胶比的大小对粉煤灰 强度效应因子也有一定的影响,总的看来,水胶比越小,同龄期时粉煤灰强度效应因子越大. 这一结果与本文所建立的模型的预测是一致的. 2 结 论 (1)本文所建立的粉煤灰强度效应因子k的动态预测模型解决了以往用预测公式分析粉 煤灰效应时需要大量的试验基础或是考虑的因素单一等问题,建立了粉煤灰强度效应因子与 粉煤灰活性指数、 粉煤灰掺量、 水胶比、 龄期等主要参数之间的直接联系,并考虑了粉煤灰品 种、 水泥品种等其它因素的影响.根据该模型,可由试验测出的28 d时粉煤灰活性指数及选用 的原材料配合比等预测不同龄期时粉煤灰强度效应. (2)经本文作者的实验以及其他研究者的试验数据计算验证,本文关于粉煤灰强度效应 因子的动态预测模型的预测结果与实验结果吻合较好,而且该模型应用方便,具有重要的实际 应用价值. 参考文献 1 沈旦申.粉煤灰混凝土.北京:中国铁道工业出版社,1989. 124125 2 babu k g, rao g s n. early age behaviour of fly ash concretes. cem concr res , 1994 , 24(2) :277284 3 babu k g, rao g s n. efficiency of fly ash in concrete. cem concr compos , 1993 , 15(3) :223229 4 babu k g, rao g s n. efficiency of fly ash in concrete with age. cem concr res , 1996 ,26(3) :465474 5 zhang y m , sun w , shang l f , et al. mechanical propertiesof high performance concrete made with high calcium high sulfate fly ash. cem concr res ,1997 , 27(7) :10931098 6 bijen j , selst r v. cement equivalence factors for fly ash. cem concr res , 1993 , 23(5) :10291039 7 张亚梅.高掺量粉煤灰水泥浆体的水化、 细观结构及其对gec改性的机理:博士学位论文.南京:东南大学,1998 8 bilodeau a , malhotra v m. concrete incorporating high volumes of astm class f fly ashes: mechanical properties and resis2 tance to deicing salt scaling and to chloride-ion penctration. in:malhotra v m , ed. fly ash , silica fame , slag and natural 966 第27卷第6期 张亚梅等:粉煤灰强度效应因子的动态预测 1995-2005 tsinghua tongfang optical disc co., ltd. all rights reserved. pozzolans in concrete - proceedings of fourth international conference (aci sp - 132 - 19) . istanbul , turkey: s. n. , 1992. 319350 9 谷章昭,周保卫,乐美龙,等.粉煤灰的火山灰活性指数.硅酸盐学报,1991 , 19(2) :112117 dynamic model for predicting the strength coefficient of fly ash in cement -based composites zhang yamei sun wei chen huisu (department of materials science and engineering , southeast university) abstract this paper presents a dynamic model that predicts the strength coefficient of fly ash. the direct rela2 tionship between the strength coefficient of fly as