大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究.doc

大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究 陈瑜周士琼龙广成袁庆莲(长沙铁道学院土木建筑学院)提要多年来，人们在粉煤灰的掺量问题上一直持比较保守的态度。混凝土能否长期作为最主要的建筑材料，关键在于能否成为绿色材科，使之纳入可持续发展的轨道。针对我国国情，本文探讨了中等强度大掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济意义、工作性、力学性能及耐久性。在大量试验的基础上，对不同掺 量粉煤灰高性能混凝土的坍落度损失、抗压强度、干缩以及耐久性等性能进行了全面的分析。研究表明，大掺量粉煤灰高性能混凝土在道路工程、大体积工程以及房建工程等方面有着广阔的应用前景。关键词粉煤灰混凝上粉煤灰复合超细粉后期强度坍落度损失长期以来，高强度一直被认为是优秀混凝土的特征，强度成为配合比设计以及生产和应用的首要性能指标。随着混凝土技术的发展，高性能化越来越受到重视。例如，很难想象工作性极差的新拌混凝土硬化后内部结构均匀密实；对强度要求不高的工程结构物，耐久性问题是混凝土与周围环境相协调的一个最重要方面。因此，在普通混凝土中掺入火山灰材料和外加剂制备的高性能混凝土被誉为“二十一世纪混凝土”，应用范围不断扩大。然而，我们不能走用高成本换取高性能的发展道路。近几年来，国内外许多学者纷纷提出生态环保型混凝土是混凝土材料今后的发展方向之一，发展绿色高性能混凝土(Green High Performance Concrete)迫在眉睫。本文着重探讨大掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济意义、技术性能以及应用前景。1推广应用大掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济意义众所周知，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰，会对混凝土的许多性能有显著的改善。然而多年来，人们在粉煤灰的掺量问题上一直持比较保守的态度。混凝土能否长期作为最主要的建筑材料，关键在于能否成为绿色材料，能否节约能源，处理工业废渣，减少环境污染。建筑业与建筑工业是我国的支柱产业，要得以可持续发展，必须调整结构、节能节地以及减少污染。然而建筑工业每生产1吨硅酸盐水泥熟科，排放1吨CO2气体，耗煤0.2吨。各国政府己纷纷提出对温室气体排放量的限制计划，硅酸盐水泥和常规混凝土生产必将受到越来越严格的限制。另一方面，我国发电以火电为主，目前，电厂粉煤灰年排放量达9000多万吨，占地30多万亩，已成为社会一大公害。据国家有关部门预测，我国粉煤灰年排放量2000年将达到1.6亿吨，而2000年的计划综合利用量为6000万吨，即是说2000年将有1亿 吨粉煤灰贮存起来，如果把十多年前尚在贮存的粉煤灰加起来，2000年将有56亿吨粉煤灰贮存量。然而目前我国混凝土中掺入的粉煤灰量，一般都在取代水泥的20左右，很少达到30，如此小规模地利用粉煤灰制备混凝土无法抑制日益大量排放、堆积如山的粉煤灰，再这样下去，后果将不堪设想。大掺量粉煤灰高性能混凝土着眼于更充分地利用粉煤灰潜在活性，减少水泥用量，降低混凝土生产成本；变废为宝，化害为利，节约堆放粉煤灰的大量宝贵土地；更大发挥高性能优势，改善混凝土工作性、耐久性；鉴于我国当前大量应用中等级混凝土，若大量掺加粉煤灰等混合材料，将高性能混凝土下限从C50C60降至C30左右，扩大绿色高性能混凝土的应用范围，可取得更大的环境与技术经济效益。2试验方法及材料2.1试验方法混凝土力学性能按普通混凝土力学性能试验方法GBJ81-85，砂浆干缩性能按水泥胶砂干缩试验方法JC/T603-1995，细度按水泥比表面积测定方法(勃式法)GB8074-87试验。粉煤灰按用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB1596-91进行试验。2.2试验材料水泥：韶峰牌525#普通水泥：R3=32.1MPaR28=55.3MPa砂：湘江河砂，级配符合区要求，细度模数为2.39。石：520mm碎卵石(湘江河卵石经轧碎而成)。外加剂：潭建牌高效减水剂或以FDN为主的复合高效减水剂。超细粉：将级粉煤灰磨细并掺入少量无机矿物改性复合而成粉煤灰复合超细粉(简写为PFAC)，其比表面积为5640cm2/g,28天强度比为96.8，原状粉煤灰(FA)的化学成份及性能见表1。表1粉煤灰的化学成份及性能(%)细度 需水量比 烧失量 含水量 SO3 SiO3 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O 20 106 1.73 0.3 0.14 54.0 6.11 27.7 2.57 1.23 1.50 0.37 3粉煤灰高性能混凝土的性能3.1工作性对粉煤灰掺量不同的新拌高性能混凝土进行坍落度试验。为使试验结果具有可比性，保持混凝土配合比不变，只改变粉煤灰的用量，粉煤灰等量取代水泥的比例分别为0、20 、25、30%、40%、55以及70。以基准混凝土的坍落度为1，不同掺量粉煤灰高性能混凝土的相对坍落度可以用图形表示之。从图中可看出，掺加粉煤灰对混凝土工作性的改善十分明显，各掺量粉煤灰高性能混凝土的坍落度均大于基准混凝土。PFAC取代率大于40以后，随着掺量的提高，由于粉煤灰的密度比水泥小，胶凝材料体积增大，需水量会有所上升，但即使粉煤灰掺量高达70，混凝土坍落度仍大于基准混凝土。同时，在实践中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象。表2是粉煤灰混凝土拌合物坍落度经时损失试验结果，1h坍落度损失小于5，2h小于10，3h小于15。粉煤灰掺量为40时(2号)，1h坍落度略有增加，3h坍落度损失仅为4.5；粉煤灰掺量为50%时(3号)，3h坍落度损失为12，远远小于基准混凝土，这一点对商品混凝土的运输大有裨益。表2粉煤灰混凝土的坍落度经时损失序号 PFACkg/m3 Ckg/m3 Wkg/m3 坍落度(mm) 0h 1h 2h 3h 1 0 540 153 235 215 190 150 2 216 324 150 230 255 230 220 3 270 270 153 250 240 225 220 注：1FDN掺量为总胶凝材料的1.5%；2PFAC指粉煤灰复合超细粉用量，C指水泥用量，W指用水量。3.2力学性能与变形性能众所周知，普通粉煤灰混凝土尽管后期强度高，但早期强度低，并且粉煤灰掺量越大，早期强度下降越厉害。这是粉煤灰混凝土主要的缺点，严重阻碍了其应用范围。如表3所示，采用PFAC和高效减水剂制备的粉煤灰高性能混凝土不但后期强度相当高，更关键是早期强度明显提高。例如，5号混凝土粉煤灰掺量高达43，其100100100mm3试件3d抗压强度就达到56.5MPa，28d抗压强度为92.4MPa，56d为113.3MPa。通过观察发现界面区已不再是粉煤灰高性能混凝土的最薄弱环节，混凝土的破坏是由于出现了贯穿水泥石以及粗骨料 的裂纹所致。通过对混凝土其它力学性能的试验分析可知，28d、90d龄期混凝土拉压比分别为1/11和1/10，与高强混凝土相比，拉压比提高，特别是C80粉煤灰高性能混凝土抗折强度达10.1MPa，充分说明PFAC对混凝土的受拉性能有所改善。表3粉煤灰高性能混凝土抗压强度试验结果序号 PFACkg/m3 Ckg/m3 Wkg/m3 坍落度mm 抗压强度(MPa) 3d 28d 56d 1 0 540 150 230 57.7 79.2 2 213 347 134 195 60.1 94.7 103.6 3 167 378 151 225 46.6 74.7 84.8 4 227 324 151 230 39.8 75.9 87.2 5 241 319 129 180 56.5 92.4 113.3 6 270 270 153 240 41.2 80.7 注：1FDN掺量为胶凝材料总量的1.32.0%；2试件尺寸均为100100100mm3表3为高强混凝土的试验结果，其胶凝材料用量为540560kg/3，且高效减水剂掺量大，取得了优良的力学性能，但成本较高。针对我国国情，实际工程应用的混凝土等级较低，应当推广应用胶凝材料及外加剂用量较少，粉煤灰掺量大的高性能混凝土，以扩大绿色混 凝土的应用范围。表4说明，用PFAC制备的中等强度粉煤灰高性能混凝土成本低，节能利废效果显著，早期强度和劈裂抗拉强度明显提高，很好地解决了粉煤灰混凝土的早强问题。即使PFAC掺量高达50，其28d抗压强度仍可达C50以上。表4中等强度粉煤灰高性能混凝土 强度试验结果序号 PFACkg/m3 Bkg/m3 Wkg/m3 坍落度mm 抗压强度(MPa) RPLMPa3d 28d 1 30 400 140 165 41.0 62.9 5.9 2 30 420 145 150 32.0 60.2 5.1 3 40 400 137 130 32.3 53.0 5.0 4 40 420 145 165 34.7 58.7 5.0 5 50 400 137 160 35.5 58.6 5.5 6 50 420 135 155 34.0 56.1 5.7 注：1代表28d劈裂抗拉强度，B代表胶凝材料总量；2试件尺寸均为100100100mm3；3潭建牌高效减水剂掺量为胶凝材料总量的0.81.2%。为研究PFAC掺量对混凝土强度的影响，采用等量取代法，保持其它组成成份不变，分别在混凝土中掺入25、40%、55以及70%的PFAC，试验测定混凝土各龄期抗压强度、28d劈裂抗拉强度、轴心抗压强度以及弹性模量。混凝土配合比为：B460kg/m3， W=170kg/m3，砂率为38，潭建牌高效减水剂掺量为0.5，试验结果见表5。表5不同掺量粉煤灰高性能混凝土的力学性能(单位：MPa)PFAC% R3 R28 R56 R90 R120 RPL RA E104 0 48.2 61.8 63.6 68.8 70.2 6.70 53.2 3.84 25 31.7 55.6 60.5 68.1 70.9 5.35 47.1 3.87 40 21.2 48.2 55.5 59.8 67.9 4.84 15.2 3.67 55 16.7 45.7 53.5 54.7 61.3 4.81 37.8 3.40 70 10.3 33.2 38.5 41.7 43.0 3.04 29.6 3.36 注：试件尺寸均为100100100mm3从表3、表4和表5可看出，PFAC大量取代水泥后，混凝土的用水量及水胶比是控制强度的最主要因素。由于用水量较多(W=170kg/m3)，粉煤灰高性能混凝土的早期强度偏低，后期强度发展较慢，并且劈裂抗拉强度、轴心抗压强度等其它力学性能均受到不同程度的影响。表5中混凝土试件的养护温度为17，是标准养护温度的下限，偏低。这也是造成混凝土早期强度偏低，后期强度发展较慢的因素之一，说明粉煤灰高性能混凝土对早期养护温度敏感性较大。因此，粉煤灰高性能混凝土的用水量以小于150kg/m3为宜，并应加强早期养护，适当延长拆模时间。另外，根据混凝土结构设计规范GSJ10-89规定，C45、C50、C55及C60等级混凝土的弹性模量分别为3.25、3.35、3.45、3.55和3.60104MPa，对比表5最后一栏可知，不同掺量粉煤灰高性能混凝土的弹性模量均大于标准值。表6是根据水泥胶砂干缩试验方法JC/T603-1995规定，进行不同掺量粉煤灰胶砂干缩试验的结果。表6不同掺量粉煤灰的胶砂干缩率(10-6)PFAC% W(ml) 3d 7d 14d 21d 28d 0 120 457 612 1048 1212 1301 25 115 423 594 948 1076 1180 40 112 407 569 913 1077 1132 55 115 400 564 896 1065 1115 70 120 508 714 1101 1347 1508 注：1W指水泥胶砂的标准稠度用水量；2潭建牌高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1.0%。上表说明前4组粉煤灰胶砂干缩试件各龄期干缩率均明显小于基准试件。当掺量增至70以后，7d前试件的干缩率大于基准试件。表7为不同PFAC掺量高性能混凝土在同等坍落度条件下的干缩试验结果。表7大掺量粉煤灰高性能混凝土的干缩性能序号 PFAC% Wkg/m3 R28MPa 干缩率(10-6) 1d 7d 14d 28d 60d 90d 180d 1 0 145 66.3 90 170 210 320 430 540 550 2 0 155 69.4 80 180 290 370 400 540 680 3 40 140 80.7 40 170 190 220 290 360 490 4* 40 150 68.9 100 260 300 370 370 490 640 5 50 144 65.7 50 220 230 290 360 410 490 注：1胶凝材料总量为480kg/m3，FDN掺量为1.01.3%；24*粉煤灰为未进行改性的普通磨细粉煤灰PFA。表6及表7的结果表明，水泥胶砂与混凝土的干缩率具有相关性。为减少试验工作量，可以胶砂干缩试验结果定性分析混凝土的干缩性能。PFAC掺量为40(3号)的高性能混凝土各龄期干缩率均明显小于基准混凝土；掺量为50时(5号)，混凝土只7d干缩率略大，其余均小于基准混凝土干缩率。4*号为未改性的PFAC混凝土，其各龄期干缩率均大于基准混凝土，可见PFAC对混凝土干缩性能的改善不容忽视，它可大大降低混凝土的干缩率，提高其体积稳定性。表7还说明用水量对混凝土的干缩率影响很大。根据对粉煤灰高性能混凝土工作性、力学性能和变形性能的分析，综合考虑各方面因素，笔者认为所谓大掺量，就PFAC而言指等量取代水泥量为50左右，不但可取得巨大的经济效益，而且混凝土将具有令人满意的工作性、力学性能、体积稳定性以及耐久性。值得强调的是，中等强度大掺量粉煤灰高性能混凝土即使对强度要求不高，考虑到结构物的耐久性、体积稳定性以及材料绿色度等问题，必须严格控制混凝土的用水量,水灰比不应高于0.360.38。为保证混凝土的密实性，胶凝材料总量不应少于250300kg/m3，高效减水剂掺量为0.51.0，粗骨料最大粒径不宜大于25mm(参见表8)。表8中等强度大掺量粉煤灰高性能 混凝土的参考配合比强度等级 坍落度mm PFAC% Bkg/m3 Wkg/m3 砂率% 高效减水剂% C35C55 150180 3050 380440 130150 3640 0.51.0 3.3耐久性随着混凝土技术的发展，耐久性问题越来越为人们所重视。混凝土使用寿命长必须要求 (1)高抗渗性；(2)强耐腐蚀性；(3)能自愈本身内部病态。粉煤灰混凝土出色地具备了以上3方面要求。采用PFAC和高效减水剂制备的高性能混凝土，可使水灰比大大降低，无离析泌水现象，内部微结构均匀密实，界面过渡区改善并且抹面性能好。如摘自有关文献3的表9、表10所示，粉煤灰高性能混凝土具有优良的抗冻性(D100)及抗渗性(S25)。显而易见，这种混凝土本身是自防水的。表9粉煤灰高性能混凝土的抗冻性能项目 50次冻融循环 100次冻融循环 标养强度(MPa) 83.6 82.6 冻融循环后强度(MPa) 80.5 74.3 强度损失(%) 3.7 11.1 质量损失(%) 0 0 最大渗水高度(cm) 2.5 4.5 注：PFAC掺量为30%，W/B=0.292，碎石混凝土。表10粉煤灰高性能混凝土的抗渗性能编号 1 2 3 4 5 6 最大水压MPa 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 渗水高度mm 平均值 16.3 12.8 10.8 16.2 16.3 18.3 最大值 40.0 18.0 20.0 23.0 35.0 28.0 最小值 6.0 9.0 6.0 7.0 10.0 12.0 备注 6个试样均未渗水，平均渗水高度为15.1mm注：PFAC掺量为30%，W/B=0.283，碎石混凝土。另外，目前生产的水泥含碱量有不断提高的趋势，粉煤灰的使用大大节约了水泥熟料，能抑制碱骨料反应；同时，粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土中不耐蚀成分减少，粉煤灰高性能混凝土有比基准混凝土大得多的耐化学腐蚀能力。另外，大体积粉煤灰高性能混凝土一方面内外温差不会太大，有利于减少混凝土表面开裂的危险，另一方面内部温升又有利于加速粉煤灰效应的发挥，对早期强度有利。因此，粉煤灰高性能混凝土的耐久性总是令人满意的。4结论(1)生态环保型混凝土是当代建材工业发展的主要方向之一，大掺量粉煤灰高性能混凝土具有材源、性能和社会经济效益等方面的优势，推广应用势在必行。近年来，随着对粉煤灰混凝土的不断深入研究，大掺量粉煤灰高性能混凝土已不存在技术上的推广障碍，关健在于转变观念，加大其应用力度。(2)用PFAC制备的大掺量粉煤灰高性能混凝土工作性好、坍落度经时损失小；后期强度高，安全储备大；耐久性优异。与普通粉煤灰不同，PFAC尤其对混凝土的早期强度和干缩性能具有显著的改善效果，同时提高了抗拉强度，起着增韧降脆的作用。(3)大掺量粉煤灰高性能混凝土的最佳掺量范围应为3050，必须严格控制用水量及水胶比以保证混凝土优良的早强和体积稳定性能。(4)试验研究和工程实践证明，大掺量粉煤灰高性能混凝土能成功地应用于道路工程、回填工程、碾压混凝土工程、大体积水工工程以及房建工程等领域，并取得了可观的技术经济效益，应用前景十分广阔。参考文献1沈旦申.粉煤灰混凝土.中国铁道出版社.1989，2.2吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新.建筑材料学报，NO.1，Vol.1,1998,3.3周士琼、尹健、谢友均等.粉煤灰高性能混凝土的性能.山东建材学院学报，NO.S1，Vol. 12,1998.4V.Moskvin.Concrete and Reinforced Concrete Deterioration and Protection.Mir P ublisher Moscow,1983.5孙氰萍.大掺量粉煤灰混凝土的特性.混凝土，1997，2.收稿日期1999-04-26地址长沙市韶山南路长沙铁道学院9-402#信箱(410075)电xperimental Study on PFA High Performance Concrete o f High Replacement LevelsChen YuZhou ShiqionLong GuangchengYan Qinglian(Civil and Architecture Institute,Chang Sha Railway Uiversity,410075)AbstractFor so many years,people have been holding a quite conservative attitude towards the admixture amount of fly ash in concrete .Whether concrete can remain t