粉煤灰和外加劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

文 浪

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

引 言

在混凝土中使用活性礦物摻和料和外加劑是改善混凝土各項(xiàng)性能、滿足工程耐久性要求的主要技術(shù)途徑。粉煤灰作為最常用的活性摻和料，既保護(hù)了環(huán)境、節(jié)約了混凝土的成本，又改善了混凝土的性能。在摻和料品種確定的情況下，摻和料的摻量則對(duì)混凝土的強(qiáng)度起決定性的作用?；炷镣饧觿┢贩N較多，功能各異。主要品種有泵送劑、減水劑、膨脹劑、早強(qiáng)劑、HF等。在混凝土工程應(yīng)用中，有時(shí)候外加劑也會(huì)導(dǎo)致混凝土性能下降。因此，分析摻和料摻量及如何選擇外加劑種類對(duì)混凝土性能影響是十分必要的。

1 原材料檢測(cè)

1.1 水 泥

水泥采用湖南耒陽(yáng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的耒陽(yáng)南方P·O42.5及湖南省衡陽(yáng)市金雷建材有限公司生產(chǎn)的金雷P·C32.5兩種等級(jí)水泥。水泥品質(zhì)和性能檢驗(yàn)結(jié)果見表1，水泥的化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 水泥品質(zhì)和性能檢驗(yàn)結(jié)果

表2 水泥化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果 %

1.2 粉煤灰

粉煤灰采用湖南億泰環(huán)?？萍脊煞萦邢薰旧a(chǎn)的耒陽(yáng)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。粉煤灰的品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

1.3 外加劑

外加劑采用聚羧酸高性能減水劑、UES膨脹劑及HF混凝土高強(qiáng)耐磨劑，推薦摻量分別為1.0%、10%、3%。

表3 粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

1.4 骨 料

試驗(yàn)用骨料采用河砂、河卵石。砂的細(xì)度模數(shù)為3.14，屬于粗砂；粗骨料粒徑分為（5～20）mm，（20～40）mm 二個(gè)級(jí)配，骨料組合比為中∶小＝55∶45。

2 摻粉煤灰膠砂強(qiáng)度

南方P·O42.5水泥摻用粉煤灰的摻量分別為0%、20%、30%、40%，膠砂抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見表4。

表4 不同摻量粉煤灰的膠砂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，水泥膠砂的強(qiáng)度逐漸降低。

（2）7 d齡期，摻粉煤灰膠砂的強(qiáng)度降低率高于粉煤灰摻量百分?jǐn)?shù)；隨著齡期的增長(zhǎng)，28d齡期，摻粉煤灰膠砂的強(qiáng)度降低率逐漸低于粉煤灰摻量百分?jǐn)?shù)。

（3）以28 d齡期強(qiáng)度為基準(zhǔn)，90 d齡期摻粉煤灰膠砂強(qiáng)度的增長(zhǎng)率明顯超過(guò)純水泥膠砂強(qiáng)度的增長(zhǎng)率，由此可見摻粉煤灰膠砂的后期強(qiáng)度發(fā)展優(yōu)于純水泥膠砂。

這是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)產(chǎn)生的游離Ca（OH）2和粉煤灰中的活性成分SiO2與Al2O3之間的二次反應(yīng)產(chǎn)生了附加水化產(chǎn)物，以及由熟料水化反應(yīng)所產(chǎn)生的高堿性水化物與粉煤灰中的活性氧化硅反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為低堿性水化物使膠凝性能提高，從而增強(qiáng)了膠砂強(qiáng)度。而在水化早期粉煤灰主要起惰性填料的作用，或者其微弱的火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)度增益不足以彌補(bǔ)摻和料稀釋作用所引起的水泥強(qiáng)度的降低。但是隨著齡期的增長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)發(fā)揮了明顯的效應(yīng)。

3 雙摻粉煤灰和減水劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

摻減水劑和不同摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5，編號(hào)H2～H8混凝土強(qiáng)度曲線見附圖。水泥選用耒陽(yáng)南方P·O42.5，水膠比為0.45。

表5 摻粉煤灰和減水劑混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

附圖 摻粉煤灰和外加劑混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

單摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與摻粉煤灰膠砂類似，早期抗壓強(qiáng)度低于不摻粉煤灰混凝土。隨著齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)逐漸增加，后期強(qiáng)度發(fā)展有明顯優(yōu)勢(shì)。

以H1為基準(zhǔn)混凝土，單摻聚羧酸系減水劑混凝土坍落度增大，抗壓強(qiáng)度也增長(zhǎng)了104%～114%。這是因?yàn)闇p水劑具有潤(rùn)濕以及潤(rùn)滑作用，提高了混凝土的流動(dòng)性；同時(shí)還能改善水泥的分散度，提高其水化程度，增進(jìn)其微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

早期雙摻粉煤灰和減水劑混凝土抗壓強(qiáng)度均低于單摻減水劑混凝土。但是28 d齡期后，雙摻粉煤灰和減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸高于單摻減水劑混凝土，且抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨著粉煤灰摻量的增加而增加。90 d齡期時(shí)，雙摻粉煤灰和減水劑混凝土抗壓強(qiáng)度則與單摻減水劑混凝土相當(dāng)，甚至略高。其中粉煤灰摻量為10%時(shí)，強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)尤為明顯，抗壓強(qiáng)度比達(dá)到111%?？梢娋埕人嵯禍p水劑與水泥、粉煤灰有良好的適應(yīng)性，減水劑與粉煤灰的雙摻既保證了混凝土的早期強(qiáng)度，又確保了混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。在保證強(qiáng)度的情況下，提高了用以替代水泥的粉煤灰的摻量，降低了材料成本。

4 摻粉煤灰、減水劑、膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6。采用金雷P.C32.5水泥，水膠比為0.45、0.55、0.65，粉煤灰摻量 15%，膨脹劑摻量 0、10%，減水劑摻量1%。

表6 摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

摻入摻粉煤灰、減水劑和膨脹劑混凝土抗壓強(qiáng)度高于雙摻粉煤灰、減水劑混凝土。水膠比取0.45、0.55、0.65，7d、28d 齡期抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了 16.3%～18.2%、3.3%～4.9%。在水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中，膨脹結(jié)晶體在混凝土內(nèi)部起到填充、切斷毛細(xì)孔縫的作用，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更加密實(shí)，從而提高混凝土的力學(xué)性能?？梢娫谶m當(dāng)摻量下，三摻粉煤灰、減水劑、膨脹劑能充分地發(fā)揮外摻料各自在混凝土中的作用特點(diǎn)，進(jìn)行相互作用相互補(bǔ)充。

5 雙摻粉煤灰和HF對(duì)混凝土強(qiáng)度及抗沖磨性能的影響

摻粉煤灰和HF混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。選用南方P·O42.5水泥，水膠比0.35，粉煤灰摻量15%、25%。

表7 摻粉煤灰和HF混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）對(duì)比H15和H16，摻入HF后，減水率達(dá)到29.4%，坍落度明顯增大，可見HF具有優(yōu)異的減水作用和改善混凝土和易性的作用；雙摻粉煤灰和HF混凝土的抗壓強(qiáng)度及28 d抗沖磨強(qiáng)度均高于單摻粉煤灰混凝土，7 d、28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別為單摻粉煤灰混凝土的140%、108%，28 d抗沖磨強(qiáng)度更達(dá)到了單摻粉煤灰混凝土的154%。這是由于HF可激發(fā)粉煤灰的活性，促進(jìn)粉煤灰的二次水化反應(yīng)，并使膠凝材料的水化產(chǎn)物致密、堅(jiān)硬、耐磨，改善膠材與骨料間的界面性能，顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗沖耐磨性能。

（2）雙摻粉煤灰和HF混凝土，粉煤灰摻量15%相較于摻量25%，7d、28d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了5.9%、3.9%，28 d抗沖磨強(qiáng)度增加了40.4%。因此，粉煤灰和HF雙摻時(shí)，粉煤灰存在一個(gè)最佳摻量范圍。當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)齡期為28 d時(shí)，粉煤灰最佳摻量在15%左右。

6 結(jié)論與展望

（1）聚羧酸系減水劑改善了混凝土的流動(dòng)性和力學(xué)性能。雙摻減水劑與粉煤灰有效地保證了混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的發(fā)展，提高了用以替代水泥的粉煤灰的摻量。其中粉煤灰摻量為10%時(shí)，90 d齡期強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)尤為明顯，抗壓強(qiáng)度比達(dá)到111%。

（2）在適當(dāng)摻量下，三摻粉煤灰、減水劑、膨脹劑能充分地發(fā)揮外摻料各自在混凝土中的作用特點(diǎn)，其抗壓強(qiáng)度高于雙摻粉煤灰、減水劑混凝土，7 d、28d齡期強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了16.3%～18.2%、3.3%～4.9%。

（3）HF具有優(yōu)異的減水作用及改善混凝土和易性的作用。摻入HF后混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗沖耐磨性能得到顯著地提高。粉煤灰和HF雙摻時(shí)，粉煤灰存在一個(gè)最佳摻量范圍。當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)齡期為28 d時(shí)，粉煤灰最佳摻量在15%左右。

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