粉煤灰品質(zhì)及摻量對水工混凝土耐久性的影響研究

陳海旭

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 朝陽 122000)

將適量粉煤灰摻入水工混凝土中能夠有效減少水化放熱,有利于抑制溫度裂縫的形成與發(fā)展,研究粉煤灰對水工混凝土的影響規(guī)律極具現(xiàn)實意義[1]。工業(yè)活動產(chǎn)生的粉煤灰污染問題日趨嚴(yán)重,粉煤灰的使用既能改善混凝土的性能,又可以減輕環(huán)境污染,實現(xiàn)工業(yè)廢料的充分利用[2-3]。粉煤灰主要通過以下途徑改善混凝土的性能:①粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)可以減少單位用水量,在保證硬化強(qiáng)度的條件下降低水泥用量和水化升溫,減小溫度裂縫的形成概率,具有一定的致密效應(yīng)和水勢能;②火山灰效應(yīng)能夠增強(qiáng)后期強(qiáng)度,具有一定的反應(yīng)勢能;③粉煤灰的微集料效應(yīng)能夠降低混凝土的有害孔比例,優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu),提高混凝土密實性、黏結(jié)強(qiáng)度和抗裂性能,具有一定的致密勢能和骨架作用。有研究表明,粉煤灰混凝土具有強(qiáng)度增長持續(xù)時間長、早期強(qiáng)度低而后期高的特點(diǎn)。摻粉煤灰水工混凝土相較于普通混凝土其膠凝組分發(fā)生一定變化,粉煤灰被看作獨(dú)立組分參與反應(yīng),目前高效減水劑和高質(zhì)量粉煤灰的研發(fā)應(yīng)用為研究性能優(yōu)異的粉煤灰水工混凝土創(chuàng)造了條件[4]。鑒于此,文章不同粉煤灰品質(zhì)及摻量對拌合物工作性、混凝土抗?jié)B性和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,為合理確定粉煤灰最優(yōu)摻量以及充分發(fā)揮其火山灰、微集料和形態(tài)效應(yīng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)水泥:試驗選用華新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,水泥的物理力學(xué)性能,見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

2)粉煤灰:鞍山火電廠生產(chǎn)的F·Ⅰ級和F·Ⅱ級粉煤灰,粉煤灰的主要性能指標(biāo),見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

3)粗、細(xì)骨料:試驗選取人工機(jī)制砂和粒徑5～31.5mm的花崗巖碎石,集料的物理力學(xué)性能,見表3。

表3 集料的物理力學(xué)性能

4)減水劑:科之杰聚羧酸高效緩凝減水劑,減水劑主要性能指標(biāo),見表4;拌合水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

表4 減水劑主要性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和研究目的合理設(shè)計配合比,保持試驗組與基準(zhǔn)組水膠比(0.4)、砂率(0.42)和減水劑摻量(1.0%)不變,采用F·Ⅰ級和F·Ⅱ級粉煤灰等量替代10%、20%、30%、40%、50%的膠凝材料,試驗配合比及拌合物性能,見表5。

表5 試驗配合比及拌合物性能 kg/m3

1.3 測試方法

本研究依據(jù)現(xiàn)行試驗規(guī)程評定拌合物的工作性能,參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》將拌合物制成100mm×100mm×100mm的試件,室內(nèi)靜置24h后拆模移入相對濕度>95%、溫度(20±2)℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù),測定7d、28d和56d齡期的抗壓強(qiáng)度。采用滲水高度法按照現(xiàn)行試驗標(biāo)準(zhǔn),測定標(biāo)養(yǎng)28d的各組試件抗?jié)B性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物工作性能

本試驗通過觀察拌合物流動性、測定其坍落度、輔以振搗和目視等其它手段評價混凝土保水性及黏聚性,綜合評定新拌混凝土工作性能,不同摻量及品質(zhì)粉煤灰混凝土坍落度測試結(jié)果,拌合物坍落度試驗數(shù)據(jù),見圖1。

圖1 拌合物坍落度試驗數(shù)據(jù)

結(jié)果表明,摻F·Ⅰ級粉煤灰整體高于基準(zhǔn)混凝土的坍落度,隨F·Ⅱ級粉煤灰摻量的增加拌合物坍落度表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,F·Ⅱ級粉煤灰摻量≥30%時的坍落度低于基準(zhǔn)混凝土。全面分析產(chǎn)生這種變化的原因如下:①粉煤灰中存在大量玻璃微珠,這些微珠具有“形態(tài)”效應(yīng),能夠有效減小基體中各材料的摩擦力,改善其流動性;②顆粒細(xì)小的粉煤灰能夠填充水泥顆粒之間的孔隙,從而釋放出孔隙內(nèi)的水分,增加表層水和有效拌合水,所以適量粉煤灰的摻入可以發(fā)揮一定的“微集料”效應(yīng),增大拌合物坍落度;③F·Ⅱ級粉煤灰具有較高的需水量比和較大的燒失量,這使得水泥基體吸附減水劑的作用增強(qiáng),相當(dāng)于降低的減水劑的作用效果[5-6]。所以,摻量≥30%時摻F·Ⅱ級粉煤灰混凝土的坍落度減小。

針對表5拌合物和易性評價結(jié)果,從微觀上分析粉煤灰的作用機(jī)理[7]:①摻量≤30%時摻F·Ⅱ級粉煤灰混凝土的和易性優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土,這是因為粉煤灰發(fā)揮著“微集料”與“形態(tài)”雙重效應(yīng),摻入一定量的粉煤灰能夠改善拌合物流動性;②摻量>30%時拌合物黏聚性下降,并且可以觀察到漿體下沉、粗骨料上浮的現(xiàn)象,這是因為隨著摻量的進(jìn)一步提高,分布在漿體內(nèi)的大量玻璃微珠使得拌合物極度光滑,加之粉煤灰的“形態(tài)”效應(yīng)可以減小各材料間的摩擦力,使得拌合物的骨料包裹能能力下降,從宏觀上表現(xiàn)為漿體下沉、粗骨料上浮的現(xiàn)象;③摻量≤20%時F·Ⅱ級粉煤灰可以改善拌合物和易性,而摻量>20%時拌合物黏聚性增大,流動度快速下降,插搗難度明顯增大,這是因為水泥密度大于粉煤灰,粉煤灰等量替代水泥時增大了膠凝材料的總表面積,加水形成的漿體絮凝結(jié)構(gòu)難以分散,顯著影響著其流動性,加之F·Ⅱ級粉煤灰的分散和潤滑能力較差,在減水劑用量和用水量相同的條件下漿體更加黏稠,插搗難度增加。

2.2 力學(xué)性能

對不同摻量及品質(zhì)粉煤灰混凝土的7d、28d、56d齡期抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,混凝土抗壓強(qiáng)度試驗值,見圖2。從圖2可以看出,試驗組7d、28d抗壓強(qiáng)度小于基準(zhǔn)組,且粉煤灰摻量與強(qiáng)度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。56d齡期抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大呈先上升后下降的變化特征,摻20%粉煤灰時的強(qiáng)度最高,摻F·Ⅰ級整體高于F·Ⅱ級粉煤灰的強(qiáng)度。全面分析引起這種變化的原因如下[8]:①粉煤灰等量替代水泥相當(dāng)于減少了膠凝體系中的水泥用量和參與早期水化的水泥熟料,可以提供早期強(qiáng)度水化產(chǎn)物不足;②隨著時間的推移粉煤灰開始發(fā)揮“火山灰”效應(yīng),即粉煤灰中的Al2O3及活性SiO2能夠與水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2反應(yīng)生成大量水硬性物質(zhì),從而使得后期抗壓強(qiáng)度提高;③F·Ⅰ級小于F·Ⅱ級粉煤灰的細(xì)度,細(xì)度越小意味著比表面積越大即參與二次水化越充分。所以,對于混凝土強(qiáng)度F·Ⅰ級粉煤灰的增強(qiáng)作用更顯著。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗值

2.3 抗?jié)B性能

對不同摻量及品質(zhì)粉煤灰混凝土滲水高度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,混凝土28d滲水高度數(shù)據(jù),見圖3。從圖3可以看出,水工混凝土摻20%粉煤灰時的滲水高度最小,說明該摻量下的抗?jié)B性最優(yōu),摻量超過20%則抗?jié)B性能逐漸下降。水泥基體中存在互相連接的孔隙通道是導(dǎo)致混凝土滲水的主要原因,而內(nèi)部水分蒸發(fā)等許多因素均會造成這些孔隙[9]。因此,如何增大混凝土密實度是增強(qiáng)其抗?jié)B性能的關(guān)鍵,粉煤灰摻量越高則水泥水化產(chǎn)物越少,當(dāng)水化產(chǎn)物無法填滿內(nèi)部孔隙時就會導(dǎo)致孔隙率偏高,不利于抗?jié)B性能的提升。然而,粉煤灰中的細(xì)小顆粒也發(fā)揮著一定的“微集料”效應(yīng),這種效應(yīng)可以優(yōu)化膠凝體系的級配關(guān)系,減少內(nèi)部毛細(xì)孔通道,增大密實度,優(yōu)化水泥基體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[10-12]。所以,摻20%粉煤灰所形成的膠凝體系級配最優(yōu),該條件下粉煤灰對抗?jié)B性的改善作用占主導(dǎo)地位;粉煤灰摻量>20%則其“微集料”效應(yīng)無法彌補(bǔ)不利作用,該條件下水化產(chǎn)物減少所產(chǎn)生的內(nèi)部孔隙增大作用占主導(dǎo)地位。

圖3 混凝土28d滲水高度數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1)水工混凝土摻入適量粉煤灰有利于改善拌合物和易性,摻20%粉煤灰時拌合物和易性最優(yōu),摻量超過30%則和易性受粉煤灰影響較顯著。不同齡期的抗壓強(qiáng)度受粉煤灰的影響存在一定差異,隨粉煤灰摻量的提高7d、28d強(qiáng)度逐漸減小,56d齡期抗壓強(qiáng)度則表現(xiàn)出先上升后降低的變化趨勢,摻20%粉煤灰時的力學(xué)性能最優(yōu)。

2)隨粉煤灰摻量增加水工混凝土抗?jié)B性能表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢,摻20%粉煤灰時的抗?jié)B性能最優(yōu)。綜合考慮和易性、抗?jié)B性和抗壓強(qiáng)度,最終確定水工混凝土最優(yōu)粉煤灰摻量為20%。