大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究

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(GreenHighPerformanceConcrete)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5～6亿吨粉煤灰贮存量。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C50～C60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Ⅱ区要求，细度模数为2.39。石：5～20mm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Ⅱ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SO3SiO3Fe2O3Al2O3CaOMgOK2ONa2O201061.730.30.1454.06.1127.72.571.231.500.373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/m3Ckg/m3Wkg/m3坍落度(mm)0h1h2h3h1054015323521519015022163241502302552302203270270153250240225220注：1．FDN掺量为总胶凝材料的1.5%；2．PFAC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100×100×100mm3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/m3Ckg/m3Wkg/m3坍落度mm抗压强度(MPa)3d28d56d1054015023057.779.2—221334713419560.194.7103.6316737815122546.674.784.8422732415123039.875.987.2524131912918056.592.4113.3627027015324041.280.7—注：1．FDN掺量为胶凝材料总量的1.3～2.0%；2．试件尺寸均为100×100×100mm3表3为高强混凝土的试验结果，其胶凝材料用量为540～560kg/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/m3Bkg/m3Wkg/m3坍落度mm抗压强度(MPa)RPLMPa3d28d13040014016541.062.95.923042014515032.060.25.134040013713032.353.05.044042014516534.758.75.055040013716035.558.65.565042013515534.056.15.7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100×100×100mm3；3．潭建牌高效减水剂掺量为胶凝材料总量的0.8～1.2%。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：B＝460kg/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%R3R28R56R90R120RPLRAE×104048.261.863.668.870.26.7053.23.842531.755.660.568.170.95.3547.13.874021.248.255.559.867.94.8415.23.675516.745.753.554.761.34.8137.83.407010.333.238.541.743.03.0429.63.36注：试件尺寸均为100×100×100mm3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3.60×104MPa，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)3d7d14d21d28d012045761210481212130125115423594948107611804011240756991310771132551154005648961065111570120508714110113471508注：1．W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/m3R28MPa干缩率(×10-6)1d7d14d28d60d90d180d1014566.3901702103204305405502015569.48018029037040054068034014080.7401701902202903604904*4015068.910026030037037049064055014465.750220230290360410490注：1．胶凝材料总量为480kg/