粉煤灰掺量对混凝土性能影响试验研究

 

 

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排放的主要固体废弃物,我国火电厂粉煤灰的主要化学成分及含量比例为:SiO2(45%~65%)、Al2O3(20%~35%)、Fe2O3(5%~10%)和CaO(4.5%)等。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一,随着电力工业的发展,燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理,就会产生扬尖,污染大气。同时粉煤灰也是一种火山灰质材料,在混凝土拌合过程中入适量粉煤灰后可以改善混凝土的一系列性能,不仅可以取代部分水泥,降低混凝土的生产成本,保护生态环境,而且在常温下,粉煤灰可以与混凝土中的氢氧化钙晶体进行二次水化反应,生成难溶的水化硅酸钙凝和水化铝酸钙凝胶体,不仅降低了粉煤灰溶出的可能,也填充了混凝土内部的孔隙,对混凝土后期强度和抗渗性都有提高作用。

 

在现代混凝土中,粉煤灰已经与水泥、骨料、水和外加剂一样,成为混凝土的一种重要组分,是一种性能良好的矿物外加剂,也称为第二胶凝材料。我国粉煤灰产量大,对生态环境污染较为严重,开发以粉煤灰为主的混凝土掺合料应用应大力提倡。

本文在先前研究的基础上,旨在研究在混凝土中掺加粉煤灰时掺量的变化情况,以及对混凝土基本性能的影响。因此研究粉煤灰对混凝土性能影响,对于保证混凝土质量,提高建筑工程质量有实际指导意义。

1原材料及试验方案

1.1原材料

水泥水泥在水化过程中会放出大量热量,造成混凝土结构内部温度升高,在大体积混凝土配合比设计中应当选择低水化热的水泥,本试验采用峨眉水泥厂生产的普通硅酸盐42.5级水泥水泥检测结果如表1所示。

 

粉煤灰:掺加粉煤灰可以减少水泥用量并有效降低水化热,还可以降低混凝土的需水量,改善混凝土拌合物的和易性,本试验用粉煤灰采用成都电厂Ⅱ级粉煤灰。氧化硅、氧化铝、细度、需水量比、烧失量、三氧化硫等指标均达到了Ⅱ级粉煤灰的技术指标要求,粉煤灰的检测试验结果如表2所示;骨料:粗骨料为4.75mm~40mm连续级配碎石,继骨料为中砂;减水剂:高效减水剂,减水率为20%;水:自来水。

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1.2试验方案

混凝土配合比设计不但要满足结构力学需要,同时也要满足环境所要求的耐久性。目前混凝土生产已经普遍采用单掺合双掺技术,掺入矿物掺合料和高效减水剂。在混凝土配合比设计中掺入矿物材料的计算有多种方法,包括超量取代法、等水灰比法和等水胶比法。

本试验研究采用等水胶比法,即掺加矿物掺合料前后的水胶比保持不变,也就是简单的等量取代。由于粉煤灰的二次水化在早期反应程度较低,因而采用这种简单的等量取代水泥方式必然造成混凝土早期强度的降低,而且掺量越多下降幅度越大。

本方案采用C20混凝土进行试验,首先保持外加剂掺量相同,同时采用水胶比不变,粉煤灰等量取代水泥,而水泥的重量相应减少,粉煤灰掺量由0增加到25%。重点考察粉煤灰的掺量对混凝土凝结时间、抗压强度、干缩和抗冻性的影响。制定配合比如表3所示。

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2试验结果与分析

2.1粉煤灰对拌合物和易性及凝结时间的影响

优质粉煤灰掺入到混凝土中,能够改善混凝土拌合物的和易性及凝结时间。本试验采用外加剂及用水量不变情况下,粉煤灰取代水泥用量逐步增加时对混凝土拌合物坍落度及凝结时间进行试验比较。试验时,C20等级的混凝土粉煤灰等量取代水泥用量由30kg增加至100kg,此时粉煤灰取代水泥率为10%~33.3%,试验结果见表4。

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由表4可以看出粉煤灰取代部分水泥掺加在混凝土中后,混凝土拌合物的坍落度增加,即改善了新拌混凝土的和易性。混凝土随着粉煤灰取代水泥比率增加,坍落度比不掺加粉煤灰的混凝土增大5mm~25mm。另外,粉煤灰等量取代部分水泥后,混凝土在凝结过程中水化热释放速度降低,从而延长了混凝土拌合物的凝结时间,随着粉煤灰取代水泥比率的增加,凝结时间的推迟程度也相应增加。

试验结果表明:在混凝土中,粉煤灰等量取代水泥后,对混凝土拌合物的和易性和凝结时间可以起到很好的调节作用。

2.2粉煤灰掺量对混凝土强度影响

不同掺量粉煤灰对混凝土抗压强度影响如表5所示。

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从试验结果看出,对同一配比混凝土,随龄期增加,水泥水化反应持续进行,通过凝结硬化过程,其抗压强度逐渐增加。对于不同配比,龄期在28d以内时,随粉煤灰取代水泥比例增加,其抗压强度逐渐减小,当粉煤灰掺加量从0增加加到25%时,3d的混凝土强度降低程度为27.5%,28d的混凝土强度降低程度为1.5%,这是由于在水化反应早期,部分水泥被粉煤灰所取代,导致单位体积混凝土中水化程度降低,水化产物减少,使抗压强度相应减小。在28d以后,粉煤灰中的活性成分氧化硅和氧化铝与混凝土中的水化产物氢氧化钙开始发生反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,生成的水化产物具有较强的胶凝特性,使得混凝土的抗压强度进一步增加,如2~5组混凝土的90d抗压强度均大于1组混凝土的90d抗压强度。

2.3粉煤灰掺量对混凝土干缩的影响

不同粉煤灰掺量配制的混凝土干缩试验结果如表6所示。

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从试验结果看出,对同一配比混凝土,随龄期增加,其干缩值逐渐增加;对不同配比混凝土,其干缩值随粉煤灰掺量增加逐渐减小。即粉煤灰有降低混凝土干缩率的作用,对于提高混凝土抗裂性能起着积极的作用。

2.4粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响

(1)抗渗性

不同粉煤灰掺量对混凝土抗渗性的影响如表7所示。试验结果表明,粉煤灰取代水泥量不大于20%时,混凝土抗渗性能与基准混凝土差别不大,当粉煤灰掺量超过20%时,混凝土抗渗性下降。

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(2)抗冻性

混凝土抗冻性试验采用浙江中科仪器公司生产的快速冻融试验箱,动弹性模量测定采用北京三思行公司生产的DT-16动弹性模量测定仪,质量变化由电子台称测定。本次试验分别对经过0、20、40、60、80、100次冻融循环后的试件进行质量测量,并计算质量损失率,试验结果如表8所示。

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由试验结果可以看出,掺入20%以下粉煤灰的混土质量损失都差别不大,当掺入量超过20%以后,质量损失率明显增加,这说明掺入粉煤灰对混凝土抗冻性能没有大的影响,但粉煤灰掺量不宜过量。

经过0、20、40、60、80、100次冻融循环后的试件进行动弹模测试,并计算相对动弹性模量。试验结果如表9所示。

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从相对动弹性模量的试验结果看出,掺入粉煤灰对混凝土的抗冻性没有明显改善,但掺入量超过20%以后,反而会降低混凝土的抗冻性能。

3结论

采用等量取代法,在混凝土拌制过程中,保持水胶比不变,通过改变粉煤灰的不同掺量配制混凝土。试验结果得到以下结论:

(1)掺加粉煤灰可以提高混凝土流动性,改善拌合物的和易性,延缓混凝土凝结时间。

(2)龄期在28d之内时,随粉煤灰取代水泥比例增加,其抗压强度逐渐减小,在28d之后,混凝土的抗压强度与基准配合比相比进一步增加。

(3)混凝土干缩值随粉煤灰掺量增加逐渐减小。

(4)在耐久性方面,掺入粉煤灰对抗冻性能和抗渗性能没有明显改善,过量掺加粉煤灰反而会降低混凝土的抗冻和抗渗性能。

 

 


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