摘 要: 针对大掺量粉煤灰混凝土存在的早期强度低、抗冻、抗碳化耐久性不足等问题, 通过试验研究, 结果表明: 大掺量粉煤灰高性能混凝土①宜既掺优质粉煤灰又掺引气型高效减水剂, 混凝土为中等标号时可选用32. 5 等级普通硅酸盐水泥; ② 为确保达到一定的早期强度和耐久性, 普通硅酸盐水泥外加粉煤灰不宜大于胶凝材料总量的50%; ③ 含气量宜为3%～ 5% , 其抗冻标号可达到D100 以上, 同时掺入激发剂、元明粉和生石灰粉后, 强度损失和质量损失有所减小, 可进一步改善其抗冻性和耐久性; ④ 可添加1. 0%～ 1. 5%碱性激发剂元明粉以提高其早期强度和抗碳化性能; ⑤ 若既掺元明粉又掺生石灰粉作碱性激发剂, 则可弥补元明粉对后期强度的不利影响, 但生石灰粉的掺量不宜超过5% , 掺量太大可能会导致膨胀开裂. 以上结果为大掺量粉煤灰高性能混凝土的设计提供了有效途径.
关键词: 大掺量粉煤灰混凝土; 强度; 耐久性; 配比设计
中图分类号: TU 528157 文献标识码: A 文章编号: 1007- 824X (2007) 01- 0067- 05
大掺量粉煤灰混凝土是一种新材料, 20 世纪70 年代英国率先在大坝碾压混凝土中开始应用[1] , 随后逐步使用于各种不同的混凝土结构中[ 2 ]. 从发展来看, 它在现代化建设中具有广泛的应用前景: 一是生存环境的需要, 粉煤灰是一种工业废渣, 充分利用粉煤灰可节约资源, 改善环境, 减少二次污染; 二是发展高性能混凝土的需要, 根据可持续发展观点, 需要发展高耐久性的绿色混凝土来提高建筑物的耐久性, 从而延长建筑物的使用寿命[ 3 ]. 大掺量粉煤灰混凝土抗渗、抗氯离子渗透、抗硫酸盐腐蚀、抗碱骨料反应等耐久性指标均优于普通混凝土, 由于水泥用量的大幅度减少, 故能显著降低混凝土结构自身的温升和降温速度, 有利于混凝土结构的防裂. 在建筑、道路、水利等领域, 建筑物结构和构件大多采用C30～ C40 中等强度混凝土. 近年来, 我国已逐步将大掺量粉煤灰混凝土应用在这些领域, 取得了良好的效益. [ 425 ] 20 多年来的研究和实践解决了很多技术上的难题, 但还有些问题需要进一步探讨和试验, 如早期强度低、抗冻性差、抗碳化能力弱等, 这些问题将直接影响到建筑物的耐久性和使用年限. 鉴于此, 笔者在本文中着重就中等强度的高性能混凝土进行了试验研究. 除非特别说明, 本试验中混凝土的材料配比均以质量分数表示.
1 大掺量粉煤灰高性能混凝土的配比设计
大掺量粉煤灰混凝土目前尚无统一定义, 配比设计也无技术规范可循. DUN STAN 等[ 6 ]认为应将大掺量粉煤灰混凝土中粉煤灰作为一个独立组分进行配比设计. 大掺量粉煤灰混凝土在材料组成上与普通混凝土有很大的差异, 性能上有其独特的规律, 只有遵循它的规律才能得出较为合理的混凝土配比设计.
大掺量粉煤灰混凝土中粉煤灰的合理掺量与粉煤灰品质、水泥品种标号、混凝土的强度和耐久性指标、水胶比等均有一定的内在关系, 特别是水胶比对强度和耐久性的影响较普通混凝土更为敏感. 江苏省水利科学研究所的研究资料[ 7 ] 表明: 掺35% 原状灰的粉煤灰混凝土早期强度、抗冻、抗碳化耐久性均有大幅度的降低, 其中3 d 和7 d 的抗压强度降幅分别达41% 和50% , 自然碳化5 a 的碳化深度增幅达219% , 冻融循环50 次(慢冻法) 后抗压强度损失值达35% , 掺入引气剂后抗冻性能提高, 强度损失值仅为9166%. 为此, 笔者在进行大掺量粉煤灰高性能混凝土配比设计时, 针对上述存在问题, 以早期强度较高、抗冻性能较好的双掺优质粉煤灰和小水胶比的引气型高效减水剂、大掺量粉煤灰混凝土为基本条件, 再试用单掺激发剂元明粉和双掺激发剂元明粉、生石灰粉等措施进一步提高混凝土的早期强度和抗冻性, 同时还要较好地改善混凝土的抗碳化性能. 在采取上述技术措施的同时, 提出了大掺量粉煤灰混凝土高性能化的各项控制指标.
1) 粉煤灰和减水剂的品质与掺量. É 级粉煤灰需水质量比小于105% , 烧失量小于8% , 掺量40%～ 60% , 引气型高效减水剂减水率大于20% , 掺量1% 左右.
2) 混凝土配比主要参数. 水胶比约013, 含气量3%～ 5% , 坍落度150～ 200 mm.
3) 混凝土抗压强度控制值(下限). 28 d 强度大于30M Pa, 3 d 强度大于28 d 强度的35% , 7 d 强度大于28 d 强度的55%.
4) 混凝土抗冻耐久性控制值(下限). 抗冻标号大于D100 (按GBJ 82- 85 慢冻法进行).
5) 混凝土抗碳化耐久性控制值(下限). 28 d 碳化深度小于20 mm (按GBJ 82—85 碳化试验进行,该法28 d 碳化深度值约相当于混凝土结构自然碳化50 a 的数值).
2 试验方法及材料
2. 1 试验方法
混凝土配合比试验参照JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》; 粉煤灰性能试验按照GB1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》进行; 外加剂性能试验按照GB8076—1997《混凝土外加剂》进行; 混凝土力学性能试验按照GBöT 50081- 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行; 混凝土抗冻、抗碳化试验按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行; 生石灰粉性能试验按照JCöT 480—92《建筑生石灰粉》进行; 混凝土pH 值按文献[8 ]进行试验.
2. 2 试验材料
1) 水泥: 扬州旺龙水泥厂旺龙牌PO 3215 级普通硅酸盐水泥, 其中已内掺粉煤灰13% , 表观密度Q= 3110 g·cm - 3, R3 d= 1516M Pa, R28 d= 3613M Pa.
2) 砂: 河砂, 表观密度Q= 2163 g·cm - 3, 细度模数2156, 级配符合Ê 级要求.
3) 石子: 碎石, 表观密度Q= 2180 g·cm - 3, 级配16～ 3115 单粒级.
4) 粉煤灰: 镇江谏壁发电厂风选É 级粉煤灰, 细度01045 mm (筛余量319% ) , 需水质量比86% ,表观密度Q= 2112 g·cm - 3.
5) 生石灰粉: 宜兴建材化工厂生产, 优等品, 表观密度Q= 2170 g·cm - 3, w (CaO + M gO ) ≮85%.
6) 元明粉: 工业级, 市售.
7) 外加剂: 扬州永固研究所研制的CT 1081, CT 1082 引气型高效复合减水剂, 减水率大于22%.
3 试验方案
3. 1 不同粉煤灰掺量的引气型大掺量粉煤灰混凝土的力学性能和抗冻、抗碳化性能
以不掺粉煤灰、单掺引气型高效复合减水剂的混凝土为基准组, 以掺入40% , 50% , 60%粉煤灰和CT 1081 引气型高效减水剂的混凝土为对比组. 另以60% 粉煤灰掺入CT 1082 引气型高效减水剂来提高含气量. 在混凝土拌和物工作性符合要求的基础上, 制作标准试件, 成型并养护, 分别测定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗压强度, 并进行抗冻、抗碳化、含气量试验.
3. 2 重点探索提高大掺量粉煤灰混凝土早期强度、抗冻性、抗碱性和抗碳化性能的途径
以掺60% 粉煤灰的混凝土为基准组, 分别掺入110% , 115% , 210% 元明粉为对比组; 另外以掺有1%元明粉和60% 粉煤灰的混凝土为基准组, 分别掺入5% , 10% , 15%生石灰粉为对比组, 测定3, 7, 28, 180d 的混凝土抗压强度, 并进行抗冻、抗碳化、含气量和pH 值试验.
4 试验结果与分析
4．1 混凝土拌和物的性能
由混凝土水胶比和坍落度的数据得出, 40%～ 60% 粉煤灰混凝土的水胶比为0129～ 0131, 坍落度为155～ 200 mm , 达到了大掺量粉煤灰高性能混凝土大掺量、小水胶比、大流动性的设计要求. 由于风选优质粉煤灰细度小、活性大, 其颗粒中含有大量的玻璃微珠, 它的形态效应和引气型高效减水剂减水效应、微气泡效应相互叠加, 大大降低了混凝土的需水量, 从而使大掺量粉煤灰混凝土在小水胶比的情况下仍然能获得大流动性. 另外, 优质粉煤灰的玻璃珠颗粒和引气剂所产生的微气泡在拌和物中起到了滚珠轴承式的润滑作用, 也极大地提高了混凝土的拌和性和施工工作性.
4．2 混凝土的力学性能
由表1 可以看出, 大掺量粉煤灰混凝土早期3 d 的抗压强度比未掺粉煤灰的混凝土要低, 但随着粉煤灰活性效应的逐步发挥, 7 d 的强度有所提高, 其中40% 粉煤灰混凝土超过了基准组; 28 d 时, 活性效应进一步发挥, 含粉煤灰的各组混凝土抗压强度均超过大掺量粉煤灰高性能混凝土的设计指标30M Pa; 180 d 时, 由于粉煤灰的活性效应与微集料填充效应得到了较充分的发挥, 故除60% 粉煤灰的一组外, 其余均超过了基准组的强度, 并达到基准组的111～ 11．4 倍.掺入1%～ 2% 元明粉后, 可以提高掺灰混凝土早期强度, 当掺量超过1% 时, 180 d 的强度绝对值有降低的趋势.
掺入10%～ 15% 生石灰粉后, 各龄期强度均有明显降低, 超过15% 掺量时会有明显开裂现象, 这是因生石灰粉引起混凝土过度膨胀所致. 而生石灰粉掺量5% 时, 3 d 的强度虽有降低, 但7 d 时强度开始增长, 28 d 和180 d 时强度明显提高, 提高幅度达1．08～ 1．24 倍, 可以弥补单掺元明粉时强度绝对值有所降低的不足.
表1 混凝土抗压强度试验结果
3 除编号为5, 6 的混凝土掺入CT1082 引气型高效减水剂外, 其余均掺入CT1081 引气型高效减水剂本试验掺60% 粉煤灰的抗压强度相对值变化为: 含气量为3% 时, 其早期强度相对值超过了大掺量高性能混凝土设计控制值的35% 和55%; 含气量为4% 时, 3 d 的强度相对值为29% , 较低于设计值; 当粉煤灰混凝土中掺入元明粉或元明粉与生石灰粉双掺时, 3 d, 7 d 的早期强度相对值均超过了设计值,符合理论分析结果.
4．3 混凝土抗冻耐久性
按慢冻试验法, 混凝土的抗冻标号以抗压强度损失不大于25%、质量损失不大于5% 来判断.冻融循环100 次后, 试验结果如图1 所示. 由图1可以看出, 除60% 粉煤灰的混凝土强度损失2518% 接近于大掺量高性能混凝土抗冻标号D100 的设计值外, 其余各组混凝土的抗冻标号均大于D100 的设计要求. 这主要归功于引气型混凝土产生了互不连通的许多微孔, 隔断了混凝土的毛细孔, 从而降低了混凝土受冻时所产生的内应力. 60%粉煤灰的混凝土若提高其含气量(用CT 1082 引气型高效减水剂) , 则由于混凝土孔结构的进一步改善, 亦可提高混凝土的抗冻标号, 使混凝土抗冻标号超过D100 的设计值
4．4 混凝土的抗碳化耐久性
碳化深度试验结果见图2. 未掺粉煤灰的混凝土pH 值最大达12．47, 碳化深度最小, 抗碳化性能最好. w = 40%～ 50% 粉煤灰的混凝土, 其平均碳化值未超过20 mm , 达到了大掺量粉煤灰高性能混凝土的设计要求. 当粉煤灰质量分数达60% 时,混凝土碱度丧失较大, 碳化深度急剧增大至50 mm 以上, 提高混凝土含气量后碳化深度减小到40．8 mm ,这是由于含气量增大使混凝土孔结构得到进一步改善所致, 但与设计要求相比相差甚远.60%粉煤灰的混凝土掺入1% 元明粉后, 由于碱度的增大, 碳化深度明显减小至15．7 mm. 既掺元明粉又掺生石灰粉后, pH 值增大至12．44, 这已与未掺粉煤灰混凝土的pH 值接近, 故混凝土碳化深度进一步减小至12．8 mm. 当掺有激发剂、元明粉与石灰粉的粉煤灰质量分数达60% 时, 混凝土碳化深度有了较大的改善, 达到了大掺量粉煤灰高性能混凝土的设计要求.
5 结论
1) 大掺量粉煤灰高性能混凝土宜既掺优质粉煤灰又加引气型高效减水剂, 混凝土为中等标号时可选用32．5 等级普通硅酸盐水泥.
2) 为确保大掺量粉煤灰混凝土达到一定的早期强度和耐久性, 普通硅酸盐水泥外加粉煤灰不宜大于胶凝材料总量的50% (本试验3215 等级普通硅酸盐水泥中已内掺13% 粉煤灰).
3) 大掺量粉煤灰高性能混凝土的含气量宜为3%～ 5% , 其抗冻标号可达到D100 以上. 同时掺入激发剂、元明粉和生石灰粉后, 强度损失和质量损失有所减小, 可进一步改善其抗冻性和耐久性.
4) 大掺量粉煤灰混凝土可添加110%～ 115% 碱性激发剂元明粉, 以提高其早期强度和抗碳化性能. 元明粉掺量过大, 早期强度增加不多, 对后期强度发展有不利影响.
5) 大掺量粉煤灰混凝土若同时掺元明粉和生石灰粉作碱性激发剂, 则可弥补元明粉对后期强度的不利影响, 但生石灰粉的掺量不宜超过5% , 掺量太大可能会导致混凝土膨胀开裂.
本文仅对中等强度的大掺量粉煤灰混凝土的高性能化途径作了初步探讨, 如何提高混凝土早期强度和抗冻、抗碳化等性能还有待进一步探索.
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