高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務(wù)中心,遼寧 鞍山 114300)

0 引 言

將粉煤灰作為水泥替代材料摻入混凝土中,可以降低水化熱以及抑制大體積混凝土裂縫的形成,粉煤灰的應(yīng)用既能改善混凝土性能,還有利于減少工業(yè)活動造成的環(huán)境污染[1-3]。一般條件下,粉煤灰多被應(yīng)用于以下場景:大摻量替代水泥配制大體積水工混凝土,即長期強(qiáng)度處于25～35MPa的混凝土;道路基層或強(qiáng)度要求較低的回填部位大量摻用以及替代少量水泥的結(jié)構(gòu)混凝土中。研究發(fā)現(xiàn),粉煤灰可通過以下途徑改善混凝土性能:其形態(tài)效應(yīng)能夠減少用水量,在不降低強(qiáng)度的情況下節(jié)約水泥用量,減小溫度裂縫的形成概率及水化溫升速率;其火山灰和微集料效應(yīng)能夠增強(qiáng)后期強(qiáng)度,減少水泥基體內(nèi)有害孔比例,增大水泥基體的致密性,且水化作用還可以增強(qiáng)基體黏結(jié)強(qiáng)度和抗裂性能[4-5]。然而,早期強(qiáng)度偏低限制了粉煤灰在實(shí)際工程中的使用,要提高粉煤灰利用率就必須改善早期強(qiáng)度。例如,趙群等試驗(yàn)探究了粉煤灰早期強(qiáng)度受粉煤灰摻量的影響規(guī)律,結(jié)果表明混凝土早期性能具有較大波動,該研究為了解和認(rèn)識早期材料性能及解決早期強(qiáng)度問題提供了思路[6]。

預(yù)應(yīng)力混凝土的生產(chǎn)效率及混凝土施工進(jìn)度主要取決于早期強(qiáng)度的發(fā)展情況,廣大學(xué)者越來越關(guān)注早期強(qiáng)度研究。水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多以28d強(qiáng)度為依據(jù),由于早期強(qiáng)度偏小,因此結(jié)構(gòu)明確限制了摻量界限[7]?，F(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定粉煤灰摻量區(qū)間為15%～20%。近年來,因具有低熱、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)大摻量粉煤灰混凝土逐漸成為研究熱點(diǎn),如何提高粉煤灰摻量和混凝土早期強(qiáng)度就顯得非常重要。實(shí)踐表明,粉煤灰混凝土具有強(qiáng)度增長持續(xù)時間長、后期強(qiáng)度高而早期強(qiáng)度低的特點(diǎn),其膠凝組分重心與普通混凝土相比有所偏移,粉煤灰被作為獨(dú)立組分發(fā)揮相應(yīng)的效應(yīng),且高效減水劑和高質(zhì)量粉煤灰的研發(fā)應(yīng)用為大摻量粉煤灰混凝土研究提供了條件。鑒于此,文章通過固定減水劑和引氣劑摻量,以0%～50%粉煤灰等量替代水泥,采用抗壓強(qiáng)度和坍落度試驗(yàn)探究粉煤灰摻量對水工混凝土早期強(qiáng)度、和易性及成本的影響,旨在為北方寒冷地區(qū)高性能水工混凝土最優(yōu)配制方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥:沈陽冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥,其主要物理性能指標(biāo)如表1,化學(xué)成分如表2所示。

表1 水泥的物理性能指標(biāo)

表2 材料化學(xué)組成

2)粉煤灰:黑龍江火電公司生產(chǎn)的磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰,灰色粉狀,需水量比98%,細(xì)度21.6%,化學(xué)成分如表2。由表2可知,粉煤灰活性主要取決于Al2O3和SiO2含量,兩者占比達(dá)到72%,并且較高的CaO含量使得粉煤灰活性也較高。

3)粗、細(xì)集料:大連莊沙砂石場提供的水洗砂和連續(xù)級配石灰?guī)r碎石,碎石最大粒徑40mm,壓碎指標(biāo)3.5%,含泥量0.12%,飽和面干密度2650kg/m3,經(jīng)檢測砂石料主要技術(shù)指標(biāo)均符合《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》中的要求,砂的性能指標(biāo)如表3所示。

表3 砂的主要性能參數(shù)

4)外加劑和水:江蘇蘇博特SBTJM?-9系列高效減水劑和GYQ?-Ⅲ復(fù)合型高效引氣劑,養(yǎng)護(hù)水及拌和水均使用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比設(shè)計(jì)

水工混凝土膠凝材料選用水泥和粉煤灰,設(shè)計(jì)膠材總量400kg,水膠比0.4,固定減水劑摻量0.8%和引氣劑摻量1.0‰不變,以等質(zhì)量替代的方式用0%、25%、30%、35%、40%、45%和50%粉煤灰替代混凝土中的水泥,配合比設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 試驗(yàn)配合比

1.3 測試方法

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測定拌合物的流動性和很凄涼,將拌和均勻的混凝土倒入試驗(yàn)裝置測試擴(kuò)展度和坍落度,然后利用HC-7L測定儀測試拌合物種的含氣量。由于粉煤灰的存在可能降低其早期強(qiáng)度,應(yīng)探究不同摻量粉煤灰的影響規(guī)律,按照現(xiàn)行規(guī)范測定邊長100mm立方體試件的3d、7d、14d和28d齡期的抗壓強(qiáng)度,每組3個,強(qiáng)度代表值取3個試件平均值,測試結(jié)果如表5所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物和易性

新拌混凝土和易性受粉煤灰摻量的影響規(guī)律如圖1所示。試驗(yàn)表明,在膠凝材料、引氣劑和減水劑摻量相同的情況下,摻25%粉煤灰組明顯高于基準(zhǔn)組坍落度;摻25%～30%、35%～40%和 45%～50%粉煤灰組坍落度未發(fā)生明顯改變,摻30%～35%和40%～45%粉煤灰組坍落度呈明顯上升趨勢。究其原因是粉煤灰相比于水泥密度更小,在質(zhì)量不變的情況下用粉煤灰替代水泥,摻入的粉煤灰約為水泥體積的1.2倍,從而增大了漿體體積和拌合物流動性。結(jié)合表5種的數(shù)據(jù),摻0.8%減水劑和1.0‰引氣劑的情況下,以粉煤灰替代0%～50%水泥配制的混凝土都能夠滿足泵送要求。

圖1 坍落度隨粉煤灰摻量變化特征

采用粉煤灰等量替代水泥配制的混凝土不會產(chǎn)生離析或?qū)訝罘蛛x的情況,相比于基準(zhǔn)組具有更好的稠度,但也不會過分黏稠類似于硅粉混凝土,對可飾性產(chǎn)生影響。有研究表明,大摻量粉煤灰混凝土不易在運(yùn)輸和澆筑過程中產(chǎn)生離析,從外觀上看拌合物比較黏稠,能夠明顯改善和易性。試驗(yàn)配制的粉煤灰混凝土用水量不是很大,加之粉煤灰大于水泥比表面積具有較大的需水量,以及較好的親和力,所以拌合物泌水性較低。

2.2 早期抗壓強(qiáng)度

混凝土早期強(qiáng)度受粉煤灰摻量的影響作用如圖2。

圖2 早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化特征

由圖2可知,早期抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢,摻25%粉煤灰時試件的28d強(qiáng)度達(dá)到40.1MPa,為基準(zhǔn)組同齡期的83.89%;摻50%粉煤灰時試件的28d強(qiáng)度只有24.2MPa,僅達(dá)到基準(zhǔn)組同齡期強(qiáng)度的50.63%,該條件下測定的強(qiáng)度值最小。這是因?yàn)樗啾淮罅糠勖夯姨娲沟盟嗍炝霞八a(chǎn)物含量減少,粉煤灰成為混凝土中的主要膠材,水化早期粉煤灰未參與反應(yīng)僅發(fā)揮微集料及物理填充效應(yīng),這種作用效應(yīng)使得粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性,即早期抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而減小。

隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長試件強(qiáng)度不斷增加,早期粉煤灰具有一定的解絮作用,該階段水化反應(yīng)持續(xù)時間長,速度緩慢,粉煤灰摻量較高時試件早期強(qiáng)度偏低。隨著時間的推移水泥持續(xù)水化,使得Ca(OH)2含量增多激發(fā)了粉煤灰中的Al2O3和SiO2潛在活性,使其參與二次水化生成更多的Ca(OH)2與C-S-H凝膠,有利于減小水泥基體孔隙率,改善砂漿-骨料界面區(qū)的Ca(OH)2結(jié)構(gòu)及整體密實(shí)度。所以,粉煤灰對于混凝土后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用更明顯。

2.3 經(jīng)濟(jì)成本

充分考慮大連地區(qū)市場材料價(jià)格,對基準(zhǔn)組和大摻量粉煤灰組經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行分析,其中膠凝材料用量不同是導(dǎo)致成本差額的關(guān)鍵,在不考慮運(yùn)費(fèi)的情況下分析每1m3混凝土中的膠材膠材差異,如表6所示。

表6 經(jīng)濟(jì)成本分析

由表6可知,粉煤灰摻量越高則混凝土節(jié)約成本越多,摻50%粉煤灰組相較于基準(zhǔn)組可以節(jié)約72.0%的成本,實(shí)際工程中摻用粉煤灰具有非常顯著的成本經(jīng)濟(jì)效果。綜上分析,在引氣劑摻量1.0‰、減水劑摻量0.8%和膠材總量400kg的條件下,粉煤灰摻量≤30%時配制的混凝土28d強(qiáng)度能夠達(dá)到35MPa以上,摻35%～50%粉煤灰時的28d強(qiáng)度依然能夠達(dá)到24MPa。隨粉煤灰摻量增大混凝土工作性能有所改善和提升,其后期強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗?jié)B性以及密實(shí)性也優(yōu)于普通混凝土[9-10]。另外,大摻量粉煤灰能夠大大節(jié)約混凝土成本[11-12]。因此,北方寒冷地區(qū)水工混凝土可以摻50%粉煤灰,其主要技術(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。

2.4 增強(qiáng)機(jī)理

試驗(yàn)所用粉煤灰具有較好活性,經(jīng)檢測其CaO含量達(dá)到7.91%,水化早期會有少量CaO按方程CaO+H2O→Ca(OH)2參與反應(yīng);隨著水化的持續(xù)發(fā)生,水化產(chǎn)物不斷增多并激發(fā)Al2O3、SiO2按方程xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→xCaO·Al2O3·nH2O和xCa(OH)2+SiO2+(n-1)HO→xCaO·SiO2·nH2O參與二次反應(yīng),其中x代表1或2。水化后期粉煤灰發(fā)揮的作用與水泥相當(dāng)甚至有所增強(qiáng),對后期強(qiáng)度發(fā)展具有更顯著的作用。

因此,粉煤灰中的Al2O3、SiO2會與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-A-H及C-S-H凝膠,從而增強(qiáng)水泥基體中的薄弱過渡區(qū),混凝土中液相堿度的下降進(jìn)一步促進(jìn)了水泥水化,該化學(xué)反應(yīng)表明粉煤灰對改善混凝土整體性能具有明顯作用。

3 結(jié) 論

1)隨粉煤灰摻量的增加拌合物坍落度呈上升趨勢,其保水性、黏聚性和工作性能良好,均優(yōu)于基準(zhǔn)對照組,對實(shí)現(xiàn)自動化及全盤機(jī)械化混凝土配制具有重要作用。

2)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度呈增大趨勢,究其原因是早期粉煤灰只是發(fā)揮微集料效應(yīng),水化產(chǎn)物Ca(OH)2與其火山灰活性二次反應(yīng)才能增強(qiáng)后期強(qiáng)度。

3)在引氣劑摻量1.0‰、減水劑摻量0.8%和膠材總量400kg的條件下,摻入50%粉煤灰配制的混凝土28d強(qiáng)度不低于24MPa,主要技術(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求,實(shí)際使用時具有較好的耐久性。在水工混凝土中加大粉煤灰利用程度,還有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本及資源。