低用水量大摻量粉煤灰高性能混凝土的基本特性研究

摘要 研究了低用水量、低水膠比下，大摻量粉煤灰高性能混凝土的基本性能，結果表明，粉煤灰摻量為30%、50%時,混凝土的后期強度不斷增長且增長率顯著提高；能明顯改善混凝土孔結構，孔隙明顯細化，小于20nm的無害孔明顯增多；摻粉煤灰混凝土中氫氧化鈣含量跟水化齡期和摻量有很大關系，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應；混凝土中Ca(OH)2 的明顯減少和孔結構的改善是低用水量大摻量粉煤灰混凝土后期強度增長率顯著提高的主要原因。

關鍵詞 粉煤灰； 混凝土； 低用水量； 強度特性；孔結構

中圖分類號 TU528.31

0 前言

據(jù)有關部門調查，我國能生產(chǎn)水泥的石灰石貯量僅500億噸, 可采量50％，僅2006年全年水泥產(chǎn)量就達到12.2億噸，照這樣計算，我國現(xiàn)有的石灰石儲量，僅夠水泥工業(yè)使用40年～50年。我國水泥、混凝土行業(yè)即將面臨資源危機，目前正在推廣的新農村建設將使中國迎來新一輪的建設高潮，混凝土仍然是最主要的建筑材料之一，因此，在不減少混凝土產(chǎn)量的情況下有必要最大限度的減少水泥用量。研究表明[1~4]，

增大粉煤灰用量不僅可以減少水泥的用量節(jié)約能源，降低水化熱，還能夠改善混凝土的性能，提高混凝土的質量，但是，陳益民等[5]研究也發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量過高也會使混凝土中發(fā)生貧鈣現(xiàn)象而不利于混凝土的耐久性。以往的主要在較大的用水量和中水灰比的情況下研究大摻量粉煤灰混凝土的性能。本研究探討在低用水量和低水膠比下，大摻量粉煤灰高性能混凝土的工作性、強度、氫氧化鈣和孔結構的變化規(guī)律。

1 原材料

1）水泥，某廠PO42.5R，水泥物理性能見表1；

2）粉煤灰，其化學成份和物理性能見表2；

3）集料，粗集料使用最大粒徑為20mm，密度為2.71g/cm3的碎石，細集料密度為2.53g/cm3，細度模數(shù)為2.59的河砂；

4）減水劑 采用聚羧酸系高效減水劑，固含量為19%。

2 試驗方法

2.1 配合比

膠凝材料用量固定為400kg/m3，用水量固定130kg/m3, 用減水劑來調整新拌初始沒有粉煤灰混凝土工作性，主要觀察新拌混凝土不泌水、不分離。粉煤灰對水泥的替代總量分別為30%、50%和70%，砂率控制在0.45，混凝土配合比見表3。

2.2 試件成型、養(yǎng)護與測試

混凝土的攪拌制度為：膠結料、砂干拌混合攪拌30s后，加約80%的水和減水劑，攪拌90s，加入碎石、剩余的水和減水劑再攪拌90s。試件尺寸：150mm×150mm×150mm。將試件放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，溫度℃，濕度90%以上。

混凝土的7d、28d和91d的抗壓強度測試按《普通混凝土力學性能試驗方法》的規(guī)定進行。

孔結構和氫氧化鈣分析：在到達齡期的試件上取樣，剪成5mm左右的小塊，立即用丙酮洗滌并浸泡24h，取出等丙酮充分揮發(fā)后，放入真空干燥箱中65℃干燥7d。一部分采用AUTOPOREⅣ9500壓汞儀對樣品進行測試，測試壓力最高為228MPa，測定孔隙范圍為：5-600000nm。對同一齡期試件分別測定3次，取平均值[6]，另外一部分進行磨細，進行DSC-TG分析，升溫速率為10℃/min，但是在300-600℃升溫速率為5℃/min，氣氛為氮氣。

3 實驗結果和分析

3.1 新拌混凝土的工作性

粉煤灰對新拌混凝土的工作性的影響見圖1。由試驗結果可以看出，在控制坍落度基本一致的條件下，隨粉煤灰摻量的增加，新拌混凝土的擴展度增大，這主要是因為在混凝土中粉煤灰的密實填充作用，當粉煤灰顆粒填充于水泥粒子之間的空隙中時，置換出填充水,使粒子間的間隔水層加厚，同時，粉煤灰珠形顆粒的“滾珠效應”也可以大大改善混凝土的流動性，在低水膠比的混凝土中顆粒間的間隔水極少，這種效果則更為明顯。

3.2 強度變化規(guī)律

粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響見圖2。結果表明，混凝土的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而降低，特別是早期強度降低比較明顯，純水泥混凝土的抗壓強度在早期增長較快，其7d的抗壓強度大約是28 d抗壓強度的85.9%。粉煤灰混凝土抗壓強度在早期發(fā)展較慢，粉煤灰摻量為30%時，混凝土的7d抗壓強度大約是28d抗壓強度的75.3%，粉煤灰摻量為50%和70%時，混凝土的7d抗壓強度大約是28d抗壓強度的60%左右。純水泥混凝土的抗壓強度在后期的增長速率明顯低于粉煤灰混凝土，其28d至91d抗壓強度增長速率為4.2%。粉煤灰摻量為30%、50%、70%時，混凝土的91d抗壓強度相對于28d抗壓強度增長率為4.9%、26.5%、78.2%，另外，對于91d來說，摻加30%和50%粉煤灰的混凝土強度差別不大，其后期強度的發(fā)展主要是因為粉煤灰中的活性成分與水泥水化生成的氫氧化鈣反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，不斷填充混凝土的孔隙，使混凝土的強度進一步提高，這與文獻[7]的結果是一致的。

3.3 氫氧化鈣含量

圖3為DSC-TG分析定量測出的齡期7d和28d混凝土中Ca(OH)2的含量隨粉煤灰摻量和水化齡期的變化結果，可見混凝土中Ca(OH)2的含量隨粉煤灰摻量的增加和水化齡期的延長而降低，這與以前的研究結果是一致的。在圖3中我們還給出了假設混凝土體系中沒有粉煤灰時Ca(OH)2的計算含量，結果表明，7天齡期時假設混凝土體系中沒有粉煤灰時Ca(OH)2的計算含量明顯大于摻加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，而在28天齡期時，假設混凝土體系中沒有粉煤灰時Ca(OH)2的計算含量明顯小于摻加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，這說明，粉煤灰的加入有利于水泥的早期水化，這可能是粉煤灰的加入使得整個體系的分散得到加強，水泥顆粒與水的接觸幾率加大，這樣水泥的水化速度加快，水化產(chǎn)物增多的緣故。而隨著水化時間的延長，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2將于粉煤灰發(fā)生反應，生成C-S-H凝膠和含鋁水化物等，這說明，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應了。

3.4 粉煤灰混凝土的孔徑分布

已有研究結果表明，混凝土強度與孔徑分布有很密切的關系。粉煤灰摻量對混凝土的孔徑分布測試結果如圖4和圖5所示，由實驗結果可知，不論是純水泥混凝土還是粉煤灰混凝土隨著水化齡期的增長大于20 nm的有害孔逐漸減少，同時也可以看出混凝土粉煤灰摻量為30%、50%， 28d齡期時的無害孔部分明顯多于純水泥混凝土，這說明適當?shù)姆勖夯覔搅磕苊黠@改善混凝土的孔結構并使孔隙明顯細化。比較強度結果也可以知道在7d和28d摻量為30%和50%的粉煤灰混凝土的強度增進率遠大于純水泥混凝土的強度增長率。另外，粉煤灰摻量為70%時28 d齡期的有害孔明顯增多，這說明水泥基太少時不能提供激發(fā)粉煤灰充分反應的堿性物質，圖3可以說明了這一點。

4 結論

a. 在低水用水量下，大摻量粉煤灰混凝土的28d和91d抗壓強度增進率明顯提高，粉煤灰有加速早期水泥水化的作用；

b. 摻粉煤灰混凝土中氫氧化鈣含量跟水化齡期和摻量有很大關系，在28天左右，粉煤灰已經(jīng)能夠很好的與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應；

c．粉煤灰摻量為30%、50%時，能明顯改善混凝土的孔結構,使孔隙明顯細化，小于20nm的無害孔明顯增多，但是粉煤灰摻量為70%時28 d齡期的有害孔明顯增多，這說明水泥基太少時不能提供激發(fā)粉煤灰充分反應的堿性物質；

d. 混凝土中Ca(OH)2 的明顯減少和孔結構的改善是低用水量大摻量粉煤灰后期強度增長率提高的主要原因。

參考文獻

1 N. Bouzoubaa, M.H. Zhang, V.M. Malhotra. Laboratory-produced high–volune fly ash blended cements compressive strength and resistance to the chloride–ion penetration. [J] Construction and Building Materials,2000: (30) 1037~1046.

2 V..M. Malhotra, P.K. Metha. High-Performance, High-Volume fly ash concrete. [M], August Ottawa, Canada, MarquardtLtd.2002:1~99.

3 Shaikh Faiz Uddin Ahmed , Mohamed Maalej , P. Paramasivam. Flexural responses of hybrid steel-polyethy-lene fiber reinforced cement composites containing high volume fly ash[J] Construction and Building Materials,2007: (21) 1088~1097.

4 Prinya Chindaprasirt , Chai Jaturapitakkul , Theerawat Sinsiri Effect of fly ash fineness on microstructure of blended cement paste [J] Construction and Building Materials,2007: (21) 1534~1541.

5 陳益民，張洪濤，林震。三峽大壩粉煤灰的水化反應速率與大壩混凝土貧鈣問題[J]，水利學報，2002：7-11。

6 馮慶革，楊綠峰，陳正．高活性稻殼灰混凝土的強度特性和孔結構研究[J]．武漢理工大學學報， 2005 ：17~20.

[7] 劉寶舉，楊元霞．大摻量粉煤灰高強混凝土研究[J]．混凝土，2004(4)：29～34 .