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)能夠增強后期強度,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度增長持續(xù)時間長、早期強度低而后期高的特點。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,水泥的物理力學性能,見表1。

表1 水泥的物理力學性能

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,見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標

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

表3 集料的物理力學性能

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,見表4;拌合水用當?shù)刈詠硭?/p>

表4 減水劑主要性能指標

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《混凝土物理力學性能試驗方法標準》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,測定7d、28d和56d齡期的抗壓強度。采用滲水高度法按照現(xiàn)行試驗標準,測定標養(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,相當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齡期抗壓強度測試數(shù)據(jù)進行分析,混凝土抗壓強度試驗值,見圖2。從圖2可以看出,試驗組7d、28d抗壓強度小于基準組,且粉煤灰摻量與強度之間存在負相關(guān)關(guān)系。56d齡期抗壓強度隨摻量的增大呈先上升后下降的變化特征,摻20%粉煤灰時的強度最高,摻F·Ⅰ級整體高于F·Ⅱ級粉煤灰的強度。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度提高;③F·Ⅰ級小于F·Ⅱ級粉煤灰的細度,細度越小意味著比表面積越大即參與二次水化越充分。所以,對于混凝土強度F·Ⅰ級粉煤灰的增強作用更顯著。

圖2 混凝土抗壓強度試驗值

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,當水化產(chǎn)物無法填滿內(nèi)部孔隙時就會導致孔隙率偏高,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地位;粉煤灰摻量>20%則其“微集料”效應(yīng)無法彌補不利作用,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強度逐漸減小,56d齡期抗壓強度則表現(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性和抗壓強度,最終確定水工混凝土最優(yōu)粉煤灰摻量為20%。