粉煤灰和外加劑對混凝土力學(xué)性能的影響

文 浪

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 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，摻和料的摻量則對混凝土的強度起決定性的作用。混凝土外加劑品種較多，功能各異。主要品種有泵送劑、減水劑、膨脹劑、早強劑、HF等。在混凝土工程應(yīng)用中，有時候外加劑也會導(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混凝土性能影響是十分必要的。

1 原材料檢測

1.1 水 泥

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

表1 水泥品質(zhì)和性能檢驗結(jié)果

表2 水泥化學(xué)成分分析試驗結(jié)果 %

1.2 粉煤灰

粉煤灰采用湖南億泰環(huán)保科技股份有限公司生產(chǎn)的耒陽電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰的品質(zhì)檢驗結(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混凝土高強耐磨劑，推薦摻量分別為1.0%、10%、3%。

表3 粉煤灰品質(zhì)檢驗結(jié)果

1.4 骨 料

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

2 摻粉煤灰膠砂強度

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

表4 不同摻量粉煤灰的膠砂抗壓強度試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，水泥膠砂的強度逐漸降低。

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

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

這是因為水泥水化時產(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，從而增強了膠砂強度。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)生的強度增益不足以彌補摻和料稀釋作用所引起的水泥強度的降低。但是隨著齡期的增長，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混凝土強度的影響

摻減水劑和不同摻量粉煤灰混凝土抗壓強度試驗結(jié)果見表5，編號H2～H8混凝土強度曲線見附圖。水泥選用耒陽南方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度試驗結(jié)果

附圖 摻粉煤灰和外加劑混凝土抗壓強度曲線

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

以H1為基準混凝土，單摻聚羧酸系減水劑混凝土坍落度增大，抗壓強度也增長了104%～114%。這是因為減水劑具有潤濕以及潤滑作用，提高了混凝土的流動性；同時還能改善水泥的分散度，提高其水化程度，增進其微觀結(jié)構(gòu)的密實性，從而提高混凝土的抗壓強度。

早期雙摻粉煤灰和減水劑混凝土抗壓強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度增長率逐漸高于單摻減水劑混凝土，且抗壓強度增長率隨著粉煤灰摻量的增加而增加。90 d齡期時，雙摻粉煤灰和減水劑混凝土抗壓強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，強度優(yōu)勢尤為明顯，抗壓強度比達到111%。可見聚羧酸系減水劑與水泥、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度，又確保了混凝土后期強度的發(fā)展。在保證強度的情況下，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、膨脹劑對混凝土強度的影響

摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑混凝土抗壓強度試驗結(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度試驗結(jié)果

摻入摻粉煤灰、減水劑和膨脹劑混凝土抗壓強度高于雙摻粉煤灰、減水劑混凝土。水膠比取0.45、0.55、0.65，7d、28d 齡期抗壓強度分別增長了 16.3%～18.2%、3.3%～4.9%。在水泥凝結(jié)硬化過程中，膨脹結(jié)晶體在混凝土內(nèi)部起到填充、切斷毛細孔縫的作用，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更加密實，從而提高混凝土的力學(xué)性能。可見在適當(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，進行相互作用相互補充。

5 雙摻粉煤灰和HF對混凝土強度及抗沖磨性能的影響

摻粉煤灰和HF混凝土性能試驗結(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混凝土性能試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知：

（1）對比H15和H16，摻入HF后，減水率達到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混凝土的抗壓強度及28 d抗沖磨強度均高于單摻粉煤灰混凝土，7 d、28 d齡期抗壓強度分別為單摻粉煤灰混凝土的140%、108%，28 d抗沖磨強度更達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齡期抗壓強度增長了5.9%、3.9%，28 d抗沖磨強度增加了40.4%。因此，粉煤灰和HF雙摻時，粉煤灰存在一個最佳摻量范圍。當(dāng)混凝土的設(shè)計齡期為28 d時，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度和后期強度的發(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，90 d齡期強度優(yōu)勢尤為明顯，抗壓強度比達到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，其抗壓強度高于雙摻粉煤灰、減水劑混凝土，7 d、28d齡期強度分別增長了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后混凝土的抗壓強度及抗沖耐磨性能得到顯著地提高。粉煤灰和HF雙摻時，粉煤灰存在一個最佳摻量范圍。當(dāng)混凝土的設(shè)計齡期為28 d時，粉煤灰最佳摻量在15%左右。

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