大摻量粉煤灰混凝土性能研究及機理分析

鄭杰文 姜 藝*

(武漢輕工大學,湖北 武漢 430023)

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大摻量粉煤灰混凝土性能研究及機理分析

通過大量探索性試驗，討論了粉煤灰摻量、水膠比及齡期等因素對粉煤灰混凝土抗壓抗折強度的影響，每次試驗粉煤灰與水泥總量固定不變，粉煤灰摻量分別為40%，50%，60%和70%，水膠比分別為0.35，0.40和0.45，實驗結果表明：大摻量粉煤灰雖然早期強度較低，但中后期強度增幅較明顯，后期抗壓強度可達38.7 MPa，抗折強度可達3.91 MPa。

粉煤灰，水膠比，齡期，抗壓強度

0 引言

電力是人們日常生活中所必不可少的能源之一，由于電能轉換來源及發電技術要求，風力發電及生物降解發電在推廣方面受到一定的限制，目前，火力發電仍然是城鎮居民主要用電來源。火電廠在發電的同時，它所帶來的環境問題也日益嚴重，粉煤灰是火力發電后的主要固體廢料，它里面含有大量重金屬離子，如果不加以處理而隨意填埋或堆積，重金屬離子會滲入地下水，進而進入飲用水中，長期飲用會對人畜健康造成一定的損害。大量學者研究發現粉煤灰作為混凝土填充料具有很大的潛力，并且會使混凝土部分性能更加優越，提高混凝土的質量,其多數用于大體積混凝土以及早期強度要求不高的混凝土中。

本文從大摻量粉煤灰混凝土的角度出發，通過試驗手段，分析了粉煤灰摻量、水膠比和水泥用量等因素對大摻量粉煤灰混凝土性能及工作性能的影響，并從微觀角度對其機理進行分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：中國葛洲壩集團水泥有限公司生產的42.5號普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：湖北陽邏電廠生產的二級粉煤灰。

試驗用水：普通自來水。

1.2 配合比及試驗方法

粉煤灰摻量分別為400 g，500 g，600 g及700 g，粉煤灰與水泥總摻量為1 000 g，水膠比分別為0.3，0.35，0.4及0.45。由于變量及變量水平值均較少，因此考慮使用全面試驗方法，具體配合比及試驗組合見表1。

表1 混凝土配合比

1.3 試件制作及養護

試件制備方法：將粉煤灰與水泥按順序倒入攪拌機容器，低速干拌3 min使其均勻混合，平均分三次慢速加入水，每次間隔1 min，然后用刮刀刮下葉輪上粘結的原材料，再快速攪拌2 min后，裝入模具，振動臺振動1 min以除去氣泡，待其成型。

試件養護方法：原材料裝入標準模具成型，24 h后脫模，對所有試件按順序標號，然后放在標準養護室養護到試驗齡期。

2 試驗結果及討論

分別測試試件7 d，14 d，28 d及56 d抗壓抗折強度，結果如表2所示。

不考慮蒸汽側流量偏差，造成過熱汽溫偏差的主要原因包括煙氣流速不均和煙氣溫度不均。對于四角切圓鍋爐，爐膛出口普遍存在“煙氣殘余旋轉”，A廠鍋爐燃燒器假想切圓方向為順時針，爐膛上部水平煙道A側煙氣殘余旋轉方向與引風機吸力方向一致，煙氣流速較快；B側的煙氣旋轉方向與引風機吸力方向相反，煙氣流速低且紊流程度大，由此在煙道A、B兩側形成較大的速度偏差。

表2 混凝土力學性能測試結果 MPa

2.1 齡期及粉煤灰摻量對試件強度的影響

由于試驗變量較多，齡期，粉煤灰摻量，水膠比對強度都有一定的影響，為了更加直觀的了解試件強度隨齡期和粉煤灰摻量變化趨勢，故暫時不考慮水膠比的影響，試件的強度值取三個水平水膠比對應強度值的平均值。經處理后的強度值見表3。

表3 不考慮水膠比影響的試件強度值 MPa

作出強度隨齡期和粉煤灰摻量的變化曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，試件早期強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低，但是隨著齡期的增長，大摻量粉煤灰水泥試件的強度增長率逐漸增大，后期強度相差較少，即粉煤灰的摻入，對試件后期強度有一定的提升，試件抗折強度隨齡期和粉煤灰摻量的變化曲線與抗壓強度相似[1-3]。

2.2 齡期和水膠比變化對試件抗壓強度的影響

從圖2可以看出，隨著水膠比的提高，試件的強度有一定的降低。早中期強度差異較明顯，后期強度差異不大。水膠比是混凝土制備過程中一個很重要的參數，當水膠比過小時，材料的流動性和工作性能較差，同時由于水分過少，水泥水化不充分影響設計效果，當水膠比過大時，材料較稀且泌水現象嚴重，分層離析會對材料的強度有一定的影響。

3 試驗微觀機理分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對試件微觀結果進行分析。取樣品10作為掃描觀測對象，SEM結果如圖3所示(其中圖3a)為放大1 500倍結果，圖3b)為放大5 000倍結果)。

經過對比辨認，圖中圓狀物質為粉煤灰顆粒，粉煤灰顆粒是一種玻璃態的物質，它的主要成分是硅鋁酸鹽，并且這種硅鋁酸鹽

玻璃體具有很好的化學活性。在加水拌合的過程中，水泥與水反應水化，水泥中的氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，大量游離的氫氧根離子使得材料所處的環境變成堿性，堿性物質進一步又激發粉煤灰顆粒的活性。大量的粉煤灰玻璃體在堿性環境下溶解成硅酸根離子和鋁酸根離子，這種兩性離子與游離的鈣離子反應會生產硅酸鈣和鋁酸鈣并附著粘結在水泥和粉煤灰顆粒表面，使得原本獨立的各種顆粒粘結成一個整體，并且隨著時間的增長，持續的水化作用使得大量晶體附著粘結在顆粒表面如圖3b)所示，并且填充滿顆粒間的間隙，這也是粉煤灰混凝土后期強度增長較快的原因[4-6]。

4 結語

1)粉煤灰與堿反應是粉煤灰混凝土復雜水化過程中的最主要的部分，從試驗結果來看，70%高摻量粉煤灰混凝土的后期強度增幅較明顯，這個時候主要的膠凝材料是粉煤灰，而30%的水泥主要作為堿性物質的來源。與常規試驗中水泥作為主要膠凝材料而粉煤灰作為普通摻量有一定的不同。

2)試件制備過程中，水膠比極為重要，之前經過探索性的試驗發現0.3水膠比無法拌合原材料，通過分析試驗結果，本試驗所應選取的最優水膠比大概在0.35。

3)由于地方原材料不一樣，各地火電廠的粉煤灰主要物質成分也不盡相同，因為試驗條件所限，不能一一取樣試驗，因此本實驗結果僅對武漢地區粉煤灰有一定的特征意義，無法代表其他地區粉煤灰。

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Performance study and mechanism analysis of high volume fly ash concrete

Zheng Jiewen Jiang Yi*

(WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430023,China)

This paper mainly discusses the content of fly ash, water binder ratio and curing age on the strength of fly ash concrete compressive and flexural effects after a large number of exploring test, in each of the tests of fly ash and cement amount is fixed, the amount of fly ash were 40%, 50%, 60% and 70%, water binder ratio of 0.35, 0.40 and 0.45 respectively. The experimental results show that a large amount of fly ash although early strength is low, but later strength increased obviously, the compressive strength can reach 38.7 MPa at the later stage, and the bending strength is up to 3.91 MPa.

fly ash， water binder ratio， curing age， compressive strength

1009-6825(2016)28-0111-02

2016-07-18

鄭杰文(1989- )，男，在讀碩士

姜 藝(1957- ),男，教授

鄭杰文 姜 藝*

(武漢輕工大學,湖北 武漢 430023)

TU528

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