粉煤灰混凝土的探讨

1、粉煤灰混凝土微观性能的探讨粉煤灰混凝土微观性能的探讨-奚邦发奚邦发 TS13030140 1、粉煤灰混凝土介绍 2、粉煤灰微观结构 3、结论1.粉煤灰粉煤灰 粉煤灰是一种具有火山灰活性的矿物掺加料。国外很早就对粉煤灰的研究表现出了极大的兴趣，如加拿大矿物与能源技术中心(CANMET)和美国混凝土学会定期举办“粉煤灰、硅灰、矿渣及天然火山灰在混凝土中的应用”国际会议，各国也相继制定了粉煤灰标准和粉煤灰水泥、混凝土的标准; Malhotra所在的CANMET中心开展了大掺量(粉煤灰掺量达到58%的胶凝材料)粉煤灰高性能混凝土的系统研究，并实际应用于其电信部某大型卫星发射台基础;在美国2004年利用

2、的粉煤灰中有59%用在水泥及混凝土工程中，英国2003年利用的粉煤灰中71%用在水泥及混凝土工程中。我国随着对粉煤灰性质及粉煤灰混凝土性能研究的不断深入，粉煤灰混凝土和大掺量粉煤灰混凝土在国内的一些重点工程中也越来越得到了广泛的应用，一些高层建筑、桥梁等土木建筑工程中大量使用了粉煤灰混凝土，如四川二滩电站大坝混凝土采用的水泥中掺有52%优质粉煤灰;广西岩滩水电站的围堰采用粉煤灰掺量达70%的碾压混凝土;三峡工程大坝混凝土中掺加工级粉煤灰达到30%，通过和高效减水剂、引气剂制备出水泥用量少、水化热低、用水量少、抗渗性好、耐久性好的高性能混凝土;中南大学铁道校区土建学院开发的粉煤灰高性能混凝土，经

3、过抗疲劳200万次试验及徐变试验，证明可用于32m跨的预应力钢筋混凝土铁路桥，另外还有北京的新客站、上海东方明珠电视塔、88层上海金茂大厦、杨浦大桥、南京第二长江大桥等重大工程均使用了不同掺量的粉煤灰混凝土。具有胶凝性质的粉煤灰作为部分水泥的替代品来配制高性能混凝土，在我国有很大的发展潜力。大力推广粉煤灰混凝土甚至大掺量粉煤灰混凝土，大幅度降低水泥熟料用量，有巨大的经济效应、社会效应及环境保护。在环境侵蚀介质(如二氧化碳、氯盐等)作用下，粉煤灰混凝土对钢筋的保护作用随着时间的推移而逐渐减弱，最终导致混凝土中的钢筋发生锈蚀。钢筋锈蚀会造成结构承载能力和适用性能都明显下降，这会大大缩短结构的使用寿

4、命。因此，准确实用的粉煤灰混凝土结构耐久性使用寿命预测方法的建立是混凝土结构耐久性研究中的一个重要课题。2.粉煤灰微观结构粉煤灰微观结构 混凝土材料组成和内部细微观结构特征决定了混凝土的强度和耐久性能。硬化混凝土一般由水泥浆体、骨料及界面过渡区三个部分组成，对掺有矿物掺和料的高性能混凝土，水泥浆体中还包括矿物粉体。其中，将性质不同的水泥浆体和骨料连在一起的界面过渡区，对混凝土宏观性能起着决定性的作用;而界面过渡区本身性质又受水泥浆体及骨料性质的支配，这其中水泥浆体又起主导作用。因此，目前对混凝土细微观结构的研究主要集中在混凝土中的硬化水泥浆体及界面过渡区这两个方面。 水泥浆体细微观结构 硬化水

5、泥浆体的微观结构非常复杂，是一个固、液、气相的非均质多孔体系，一般由水化产物、未水化颗粒、水及毛细孔等组成。对充分水化的水泥浆体物质组成包括:70%的3CaO.Si02.3H20凝胶(记为CSH), 20%Ca(OH)2(记为CH)、钙矾石和其它水化硫铝酸盐(约占7% )及其他残留物(约占3% )，其中CSH凝胶颗粒内存在互相连通的凝胶孔(约占凝胶体积的28%)。对于固定的原始组成，水泥浆体的组成随时间而发生变化:随着水化程度的提高，水化产物中凝胶量将增加，凝胶孔和凝胶水增多，毛细孔和毛细水则减少(图1.1)。对于相同龄期的水泥浆体各组成的比例依水灰比的不同而不同，图1.2为不同水灰比的水泥石

6、孔径分布情况，可知:水灰比越低，最可几孔径越小;采用低水灰比不仅可以降低孔隙率，而且可以改变孔结构。图1.1 水泥浆体的组成与龄期的关系图1.2 不同水灰比的水泥石孔径分布 用粉煤灰取代一部分水泥后，水泥浆体中水化产物数量的改变，决定了水泥浆体的微观结构特征与普通混凝土有所不同。有文献分别采用压汞法和吸水动力学法测定了粉煤灰混凝土各级孔隙，得到:随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的毛细孔隙率和总孔隙率有所减小，但粗毛细孔和气孔孔隙率略有增大，但仍比基准混凝土的粗毛细孔和气孔孔隙率要低。水胶比0. 27粉煤灰水泥浆体的孔结构(粉煤灰等量取代水泥分别为20%, 30%和50% )，结果表明:粉煤灰的掺入

7、使得小于10nm的凝胶孔及孔径在10-50nm之间的小毛细孔明显增多，但打孔减小（如图1.3）图1.3 掺粉煤灰的水泥浆体孔径分布图界面过渡层细微观结构 界面过渡层是由于水泥浆体在成型过程中，亲水性骨集料对水的吸附力大于浆体内水的内聚力，导致在越靠近骨料表面处浆体水灰比越大。骨料界面过渡层的水化产物与水泥浆的水化产物存在较大差异，界面区的CH和钙矾石生成量高，且CH晶体排列存在一定的取向。这是由于从骨料表面向水泥浆体水灰比是逐渐减小的，导致CH结晶在离骨料越近的区域越容易生成、尺寸越大，且CH结晶以层状平行于骨料表面取向生长，这种取向程度随离骨料表面距离的增加而下降。如吴中伟等用X射线衍射的方

8、法测定了水灰比不同时界面CH和钙矾石的结晶粒尺寸变化(如图1.4，可知:结晶CH比钙矾石颗粒尺寸大得多，界面结晶颗粒随水灰比降低而减小，水灰比越低，结晶颗粒尺寸随与界面距离而变化的程度越小。图1.4 水灰比不同的混凝土界面Ca(OH)2及Aft结晶颗粒尺寸 粉煤灰混凝土界面过渡层与普通混凝土有所不同。这是由于粉煤灰的掺入，减少了水泥用量，相应地也就减少了CH的生成量;同时粉煤灰与水泥水化产物CH发生火山灰反应，这就减少了界面处CH的含量，并限制CH的取向，从而使界面过渡层处CH结晶颗粒变小、富集程度和取向程度下降，粉煤灰活性越大，这种作用越明显。如图1.5，图中CO为普通混凝土，F40, F5

9、5分别表示粉煤灰等量取代水泥率为40%和55%。图1.5 粉煤灰对界面区Ca(OH)2取向及晶体尺寸影响粉煤灰微观研究粉煤灰微观研究 混凝土的材料组成及内部细微观结构特征决定着混凝土的宏观行为(这里指强度和耐久性能)，混凝土细微观结构特征通常可从水泥浆体、水泥浆体与骨料界面区、混凝土与钢筋界面区的微观形貌，以及混凝土孔隙结构、孔隙液pH值等方面进行研究。研究粉煤灰掺量对混凝土细微观结构的影响，能为粉煤灰混凝土耐久性机理分析提供理论依据。目前用于混凝土细微观结构的研究方法，依据功能主要有以下四大类用于观察水化产物结构形貌的方法，如扫描电子显微镜法等;用于胶凝材料水化生成物定性分析的方法，如X一射

10、线衍射法、差热分析法等;用于研究粉煤灰活化程度和水化程度的方法，如热质量损失法;用于研究孔隙结构的方法，如有等温吸附法、汞压力法等。 借助于X射线荧光光谱仪、环境扫描电子显微镜对试验用的水泥、粉煤灰这两种胶凝材料的化学成份及颗粒形貌进行了对比研究;通过扫描电子显微镜法研究了不同龄期下粉煤灰混凝土中水泥浆体的细微观结构;通过压汞试验法研究了粉煤灰混凝土孔隙结构特征;从理论上分析了粉煤灰掺量对混凝土孔隙液pH值的影响，并通过试验试验加以验证。 在选择水泥时，考虑到在混凝土中要掺入粉煤灰(最大掺量可达45%)，如果使用复合水泥，则使混凝土中的胶凝材料组分变得复杂，因此选用徐州淮海水泥厂生产的P. 0

11、42. 5普通硅酸盐水泥。采用X一射线衍射法(XRD)对本试验用的水泥和粉煤灰化学成份进行定量分析，测试仪器采用中国矿业大学分析测试中心的Venus200(荷兰帕纳科)波长色散X射线荧光光谱仪。水泥和粉煤灰化学成份分析结果如表2-2所示，可知:粉煤灰与水泥均是由、 、 、 和 等化学成分。2SiO23Al O23Fe OCaO 在中国矿业大学建筑材料试验室里，还对粉煤灰的下列技术参数进行了试验测定:采用负压筛析仪(45um方孔筛)测得粉煤灰细度(筛余量)为7%，采用流动度跳桌测得粉煤灰需水量比为84%;采用灼烧差减法，测得粉煤灰烧失量的质量分数为6. 2%;采用标准法测得雷氏夹沸煮后增加距离不大于5mm;同时，测得该粉煤灰强度活性指数为84. 7%。按2-1可知:该试验用的粉煤灰按等级应归为II级，且符合作为水泥活性混合材料掺入到混凝土中去。 借助于扫描电子显微镜对水泥和粉煤灰的颗粒形貌进行了对比观察，试验仪器为中国矿业大学材料科学与工程学院的S250-MK3扫描电子显微镜(如图2-1所示)。图2-1 s250-MK3扫描电了显微镜 水泥、