大摻量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鶴 李鴻霖 孫浩浩 王 彬 石榮生

(中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院,江蘇 徐州 221008)

大摻量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鶴 李鴻霖 孫浩浩 王 彬 石榮生

(中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院,江蘇 徐州 221008)

粉煤灰是工業(yè)副產(chǎn)品，實際生產(chǎn)中排放量巨大。在混凝土中摻加粉煤灰，不但可以變廢為寶，還能降低混凝土的成本，其中大摻量粉煤灰混凝土的應(yīng)用更是優(yōu)勢巨大。通過對現(xiàn)有研究情況的歸納總結(jié)，簡述了大摻量粉煤灰混凝土在強(qiáng)度、耐久性等方面的研究現(xiàn)狀。

大摻量粉煤灰，強(qiáng)度，耐久性

1 概述

粉煤灰又稱飛灰，是現(xiàn)代工業(yè)的附屬產(chǎn)品，屬火山灰制材質(zhì)，通常所指的粉煤灰為火力發(fā)電廠煤粉燃燒后經(jīng)裝置收集的物質(zhì)。目前國內(nèi)粉煤灰處于高排放量低利用率的階段，大部分粉煤灰在灰?guī)熘袦簦绾斡行Ю梅勖夯沂悄壳八媾R的問題。粉煤灰多呈灰褐色，含有較多硅鋁化合物，在工程中主要用在混凝土，路基回填，墻體、磚體材料等方面，而其中作為混凝土的摻合料是解決粉煤灰問題的主要途徑之一。

隨著建筑結(jié)構(gòu)等的不斷發(fā)展，對混凝土性能的要求也越來越高。但高性能常伴隨高成本，尋找價格便宜、來源豐富的材料來配制高性能混凝土，就顯得尤為重要。已有的研究表明，在普通混凝土中摻入粉煤灰等摻合料，會對混凝土的許多性能產(chǎn)生有利的影響，同時粉煤灰的利用還可以節(jié)省能源、減少污染。目前，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定粉煤灰摻量一般不超過30%。為了更有效的利用粉煤灰，研究大摻量粉煤灰混凝土勢在必行，這樣不僅可以充分地利用粉煤灰，化害為利、保護(hù)耕地、節(jié)約能源，而且在改善混凝土的工作性能、強(qiáng)度、耐久性和綜合造價上亦有較大優(yōu)勢。推進(jìn)大摻量粉煤灰混凝土在工程中的應(yīng)用符合建筑業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

2 目前主要研究方向

2.1配制技術(shù)

粉煤灰混凝土配合比的設(shè)計，其主要目的是確定合理、經(jīng)濟(jì)、符合要求的材料組合，并通過試配等來滿足混凝土各方面的性能。

粉煤灰混凝土配合比設(shè)計常采用超量取代法進(jìn)行計算，即按照J(rèn)GJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程要求設(shè)計基準(zhǔn)混凝土配合比，然后以此為基礎(chǔ)根據(jù)等標(biāo)號原則再采用粉煤灰超量取代水泥的方法進(jìn)行配合比設(shè)計。但對于大摻量粉煤灰混凝土配合比的設(shè)計來說，由于粉煤灰摻量較大，其對混凝土性能的影響不同于普通混凝土，需要將粉煤灰作為混凝土的一個單獨(dú)變量來考慮。國內(nèi)外學(xué)者均提出了一些計算方法，如Dunstan提出的三維設(shè)計法、Dhir提出的圖表設(shè)計法，艾紅梅引入的粉煤灰膠凝系數(shù)β法等[1]，但這些大摻量粉煤灰混凝土配合比的設(shè)計方法均存在缺陷，其配制技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

2.2強(qiáng)度影響

大量研究表明，大摻量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢，后期強(qiáng)度則提高較多，一般情況下其抗壓強(qiáng)度在28 d～6個月期間增長幅度較大。這是由于隨著齡期的增長，大摻量粉煤灰混凝土水化程度逐漸提高，水化產(chǎn)物增多，強(qiáng)度、密實性不斷提高，甚至高于基準(zhǔn)混凝土。

在實際工程中，由于大摻量粉煤灰混凝土存在早期強(qiáng)度較低的特性，導(dǎo)致現(xiàn)場施工拆模時間延長，影響施工工期。改善大摻量粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度，對大摻量粉煤灰混凝土在工程中的應(yīng)用推廣意義重大。為解決此問題，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[2-6]。有研究發(fā)現(xiàn)，將納米材料(納米SiO2或納米CaCO3)適量添加到混凝土中等量代替水泥后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度有較大幅度的提高，納米材料對混凝土早期力學(xué)性能的改善優(yōu)于后期。但是限于目前納米材料的昂貴價格，納米混凝土還未能廣泛應(yīng)用。若能解決納米材料成本問題或者選取其他廉價的摻合料來改善粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低的問題，可大大推動粉煤灰的開發(fā)利用。

2.3耐久性影響

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，混凝土的耐久性問題已日益被人們重視?；炷恋哪途眯詥栴}主要有兩方面原因，一方面由于混凝土本身受到影響，另一方面由于內(nèi)部鋼筋受到影響。近年來，大摻量粉煤灰混凝土技術(shù)在工程中的應(yīng)用越來越多，對其耐久性能的研究也較多。主要包括抗?jié)B性、抗碳化和抗凍性等方面。

2.3.1抗?jié)B性研究

混凝土材料的抗?jié)B性是其耐久性方面最重要的性能之一，當(dāng)混凝土的抗?jié)B性較差時，外部有害介質(zhì)容易侵入混凝土內(nèi)部，造成混凝土的性能退化。與普通混凝土相比，摻粉煤灰材料的混凝土的抗?jié)B性能較優(yōu)，這是因為粉煤灰的火山灰反應(yīng)會生成一種水化硅酸鈣，這種水化硅酸鈣會進(jìn)入混凝土的空隙中，使得混凝土的密實度得以提高[7]。

2.3.2抗碳化研究

混凝土的碳化指的是水泥中的水化產(chǎn)物和外界的二氧化碳發(fā)生作用，生成硅酸鹽等物質(zhì)的現(xiàn)象?；炷撂蓟髩A度降低，內(nèi)部環(huán)境由堿性向酸性發(fā)展，使得混凝土內(nèi)部的鋼筋喪失鈍化保護(hù)?；炷撂蓟闹饕绊懸蛩赜腥齻€：外界環(huán)境的二氧化碳濃度，內(nèi)部化學(xué)因素和內(nèi)部的物理因素。其中，內(nèi)部的物理因素主要指二氧化碳由混凝土外部向內(nèi)部的擴(kuò)散，而擴(kuò)散速率則主要受混凝土孔隙情況影響，因此，混凝土的密實度是影響混凝土碳化的一個非常重要的因素。粉煤灰是具有活性的摻合料，主要含有SiO2和Al2O3，這些成分與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)后填充了混凝土內(nèi)部成型時出現(xiàn)的一些孔隙和孔洞，降低了混凝土的孔隙率，切斷了二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，使得混凝土的抗碳化能力得到改善。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的摻量在一定摻量范圍(30%左右)時，混凝土的后期抗碳化能力較好[8]。而大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨粉煤灰摻量的增加(超過50%)有降低趨勢，需要采取其他措施來提高抗碳化性能。

2.3.3抗凍性研究

抗凍性是混凝土耐久性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一。凍融循環(huán)后，混凝土遭到破壞，嚴(yán)重影響其使用壽命?；炷猎趦鋈谘h(huán)作用下，交替產(chǎn)生膨脹和收縮變形，使得混凝土結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生損壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性，因此提高混凝土的抗凍性能尤為重要。目前對普通混凝土的抗凍性能研究較多，對大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的研究也已開展。研究表明，混凝土中摻入適量粉煤灰可以起到填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，大大改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使得混凝土的結(jié)構(gòu)變得更為致密，抗凍性能得以提高。

2.4高溫影響

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中可能會遭受火災(zāi)高溫作用，因此除了要保證其常溫下的性能，也應(yīng)保證其火災(zāi)高溫后的性能。近年來，許多學(xué)者對混凝土材料包括大摻量粉煤灰混凝土材料高溫后的性能進(jìn)行了相關(guān)研究。研究表明，隨著受熱溫度的升高，大摻量粉煤灰高溫后抗壓、抗拉強(qiáng)度不斷降低，但降低幅度低于普通混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為40%左右時，高溫后殘余強(qiáng)度最高[9]。

2.5微觀分析

采用X射線衍射技術(shù)和電鏡微觀測試技術(shù)來分析混凝土內(nèi)部的微觀形貌結(jié)構(gòu)，是目前分析粉煤灰對混凝土影響機(jī)理的常用手段?；炷猎诤暧^上所表現(xiàn)出來的強(qiáng)度、耐久性、耐高溫性等特征，從根本上取決于混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。因此，從大摻量粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展出發(fā)，探討混凝土結(jié)構(gòu)演化機(jī)制和結(jié)構(gòu)模型的特點，進(jìn)而指出實際工程中混凝土出現(xiàn)問題的所在，并為最優(yōu)性能的大摻量粉煤灰混凝土提供可靠方案，進(jìn)行微觀分析必不可少?，F(xiàn)有研究顯示，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥硬化后水泥漿體的孔溶液堿度有一定程度的降低，硬化后，隨著齡期的增加，水泥漿體結(jié)構(gòu)不斷密實。

3 結(jié)語

對大摻量粉煤灰混凝土各方面性能的研究，有助于粉煤灰在實際工程中的推廣應(yīng)用，對于降低施工成本，改善混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能有重要意義。目前除了在混凝土中摻粉煤灰外，其他材料，如納米材料、礦渣等的復(fù)合摻加對混凝土的影響還需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

[1] 艾紅梅，王立久.大摻量粉煤灰混凝土配合比設(shè)計的理論研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010，30(sup)：365-368.

[2] 黃 聰.大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能試驗及應(yīng)用[J].人民長江，2015，46(S1)：189-192.

[3] 胡小鋒，方曉瑞，胡春環(huán).粉煤灰對高強(qiáng)混凝土性能的影響[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2009，30(5)：53-55.

[4] 李 輝，曹敏麗，張 偉，等.大摻量超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土研究[J].硅酸鹽通報，2014，33(5)：1028-1034.

[5] 魯良輝.納米SiO2復(fù)摻粉煤灰對混凝土抗壓強(qiáng)度研究[J].建筑技術(shù)，2017，48(1)：41-43.

[6] 陳燕飛，孟云芳，李鐵軍.摻納米SiO2、粉煤灰高性能混凝土的力學(xué)性能試驗研究[J].寧夏工程技術(shù)，2011，10(3)：229-231.

[7] 王 鵬，杜應(yīng)吉.大摻量粉煤灰混凝土抗?jié)B抗凍耐久性研究[J].混凝土，2010(12)：76-78.

[8] 劉 斌.大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能[J].混凝土，2003(3)：44-47.

[9] 賈福萍，崔艷莉，孫宜兵，等.高溫作用對大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能影響[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，43(4)：581-586.

Illustrationonpropertiesoflargeamountofflyashcontentconcrete★

WangSongheLiHonglinSunHaohaoWangBinShiRongsheng

(XuhaiCollege,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Fly ash is the industrial byproduct, and the emission of fly ash is enormous. Mixing with fly ash in concrete can not only turn waste into wealth, but also reduce the cost of concrete. And the application of large amount of fly ash concrete has great advantage. The research status of large amount of fly ash concrete on strength and durability are described through the summary of the existing research situation.

large amount of fly ash, compressive strength, durability

1009-6825(2017)29-0123-02

2017-08-05 ★:江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(201713579007Y)

王松鶴(1996- )，男，在讀本科生

TU502

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