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混凝土强度、粉煤灰掺量和水胶比关系探究与应用.pdf
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1、2 0 1 5年 第 9 期 (总 第 3 1 1 期) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL OGY d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 9 0 4 1 混凝 土 强度 、 粉煤 灰掺量和水胶 比关系探究与应 用 刘志杰 ,张栓齐 ,余春荣 , 李国宏 , 耿加会 ( 1 河南省建筑业协会混凝土分会,河南 漯河 4 6 2 0 0 0; 2 漯河市建设工程质量监督站 ,
2、河南 漯河 4 6 2 0 0 0 ; 3 建筑材料工业技术情报研究所, 北京 1 0 0 2 4 3 ; 4 舞阳县惠达公路工程有限公司, 河南 漯河 4 6 2 4 0 0 ) 摘要: 粉煤灰作为混凝土中最常用 的矿物掺合料, 其优点得到业界的广泛认可。 对于“ 混凝土强度 一粉煤灰掺量 一 水胶 比” 三 者之间的关系 , 国内外专家学者对粉煤灰进行了深入的研究。 通过大量的试验数据 , 探讨 “ 混凝土强度 一粉煤灰掺量 一水胶比” 三者之间的关系, 并通过工程应用 , 为粉煤灰的使用提供一点借鉴。 关键词: 混凝土强度 ; 粉煤灰掺量; 胶凝材料; 水胶比; 水灰 比; 配合比设计
3、中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 5 1 0 5 E x p l o r a t i on a n d a p p l i c a t i on o f c o n c r e t e s t r e n g t h, f ly a s h c on t e n t a n d wa t e r c e me n t r a t i o U UZ h i j i e , Z HANG S h u a n q i , y【 , C h u n r o n g , L IGu o h
4、o n g , G ENG J i a h u i ( 1 He n a n Co n s t r u c ti o n I n d u s t r y As s o c i a ti o n c o n c r e t e s b r a n c h, L u o h e 4 6 2 0 0 0, C h i n a ; 2 L u o h e C i t y C o n s t r u c ti o n P r o j e c t Q u a l i t y S u p e r v i s i o n S t a ti o n, L u o h e 4 6 2 0 0 0, C h i n
5、 a ; 3 B u i l d i n g Ma t e ri a l s I n d u s t r y T e c h n o l o g y I n f o r ma t i o n I n s ti t u t e , B e ij i n g 1 0 0 2 4 3 , C h i n a 4 Wu y a n g Hu i d a Hi g h wa y E n g i n e e ri n g C o , L t d , L u o h e 4 6 2 4 0 0, C h i n a ) Abst r a c t: F l y a s h i s t h e mos t c
6、o mmon l y u s e d a s mi n e r a l a d mi x t u r e s o f c o mme r c i a l c o n c r e t e, i t s a dv a n t a g e i s wi d e l y r e c o g n i z e d b y the i n du s t r y Ex pe ls an d s c h ol a r s a t h o me a n d a b r o a d h a v e c o n d uc t e d mo r e th o r o ug h r e s e arc h o n the
7、 ny a s h f o r th e r e l a tio n s h i p b e t we e n t h e c o n c r e te s t r e n g t hf l y a s h c o n t e n twa t e r t o b i nd e r r a tio I t e x p l o r e d the r e l a tio n s h i p b e t we e n the c o n c r e te s tr e n g t hfl y a s h c o n t e n t wa t e r t o b i n d e r r a tio t
8、 h r o u g h a l arg e n u mbe r o f e x p e rime n t a l d a t a an d wa s a pp l i e d t o e ng i n e e rin g, i n o r d e r to p r o v i de s o me r e f e r e n c e s f o r the u s e o f fly a s h Key wor ds: c o nc r e t e s ge ng th ; fly a s h c on t e n t ; c e me n tin g ma t e r i a l ; wa
9、ter t o b i n d e r r a tio; wa t e r c e me n t r a tio; mi x t u r e r a t i o d e s i g n 0 引言 预拌混凝土经过 三十年 的发展 , 截止 2 0 1 3年底 产量 已达 2 1 9 6亿 IT I , 年 , 比 2 0 1 2年 ( 1 8 4 9亿 r n 年 ) 增长 了 1 8 7 7 , 混凝土已经成为重要 的大宗建筑材料。 混凝土消 耗 的水泥量也在 逐年增 加 , 利用 矿物 掺合 料部 分取 代水 泥 , 具有 良好 的经济效益和社会效益 。 粉煤灰是 我国 目前 排放量最大的燃
10、煤副产 品之一 , 也是利用程度和利用水平 最高的工业废渣之一 ; 粉煤灰以其诸 多优点成为混凝土 的重要组成部分 。 经过几十年的发展 , 我 国电厂设备 的改进使粉煤灰 的 燃烧更加充分 , 粉煤 灰的质量和稳定性有 较大 的提 高。 再 加上高效减水剂( 高性能减水剂 ) 复合使用 , 可以大幅度降 低水胶 比, 改善了粉煤 灰的使用环境 。 工程实践及试 验研 究表明 , 粉煤灰作为混凝 土的矿物掺合料 , 既可 以降低 水 化热 , 利用二次水化增加混 凝土后期强度 , 又能提高 混凝 土的和易性 、 泌水性 、 流动性 、 泵送性及耐久性等。 2 0 世纪 8 0年代我国杰 出的粉
11、煤灰学者沈旦 申 提出 了“ 粉煤灰效应” 假说 : 形态 效应 、 填 充效应 、 火山灰效应。 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 1 2 1 英 国的 D u n s t a n研究发 现 : 混 凝土 的水胶 比减 小 , 粉煤灰 对不 同龄期混凝土强度的贡献随之增大 , 粉煤灰对强度 的 贡献与水胶 比的关 系 比水 泥还 敏感 。 粉 煤灰 掺入 以后 , “ 混凝土强度 一水灰 比” 二元关 系转 变成 “ 混凝 土强度 一 粉煤灰掺量 一 水胶 比” 三元关系( 如图 1 4 ) 。 ( B o l o my , 定性) 粉煤灰掺量 图 1 “ 混凝土抗压强度 一粉煤灰掺量 一
12、 水胶 比” 的关系 1 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数年来 的研究 工作使混凝土技术的 巨大的进步和发 展 , 这些为人们认识 和使用粉煤灰的作用机理 和应用技术 提供 了可靠 的理论指导和技术支持 , 对粉煤灰在混凝土 中 的应用起到了积极的推动作用。 但是长期以来, 粉煤灰是 作为水泥的替代 品来 掺用的 , 先后 出现 了等水 胶 比 1 法 、 超量取代法和等水灰 比法 。 本试验在混凝土强度指标 找到“ 混凝土强度 一 粉煤灰掺量 一 水胶 比” 的之间 的具体 量化关系, 更好地指导粉煤灰在混凝土生产 中的应用。 1 原材料 水泥 : 宝
13、丰大地水泥 P O 4 2 5级 , 其物理力学性能如 表 1 。 的基础上对粉煤灰掺量与水胶 比的关系上进行探讨 , 力求 粉煤灰 : 平顶 山姚孟 电厂 I I 级灰 , 其性能如表 2 。 表 1 水泥的物理与力学性能 表 2粉煤灰 性能 粗集料 : 舞钢市矿 山碎石 , 其性能指标如表 3 。 细集料 : 平顶 山市叶县辛店镇河砂 , 细度模数 2 8 , 性 能指标见表 4 。 减水剂 : 脂肪族复合高效减水剂 , 其性能指标见表 5 。 2 粉煤灰掺 量对混凝土强度 的影 响 2 1 粉煤灰掺量 对混凝 土强度 的影响试验 常用的混凝土强度等级为 C 1 0 C 6 0 , 水胶
14、比的变化范 围为 0 7 0 3 , 胶凝材料的用量也从 3 0 0 5 5 0 k g m。 。 依据 混凝土公 司的生产实际所需要 的混凝土强度等级 , 试验分 别采用胶凝 材料为 : 3 0 0 、 3 5 0 、 4 1 0 、 4 7 0 、 5 4 0 k g m ; 水胶 比 为: 0 6 0 、 0 5 0 、 0 4 2 、 0 3 5 、 0 3 0 ; 粉煤灰 掺量为 : 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 ; 用调整砂率及减水剂用量的方法将混凝土 的坍落度控制在 1 8 0 2 0 0 mi l l 的范围内 , 进行混凝 土强度 试验 , 其试验结
15、果如表 5 。 表 3 舞钢碎石性能指标 k 观密 g m霉 k积 密g m 零 空 细 数颗 粒 级 配 ( ) ( ) ,9 6 96 一 2 5 5 0 1 5 3 0 4 0 2 7 I I区 表 5减水 剂性 能指标 从上表可以看出 : 随着粉煤灰掺量 的增加 , 混凝土各 龄期 的强度均表现出不 同程度 的下降 ; 各水胶 比下混凝土 7 d 强度的降低幅度均大于混凝 土 2 8 d 强度变化 的幅度 ; 从 2 8 d 强度下降 的幅度来看 , 水胶 比越大强度 下降 的幅 度越大 ( 例如 , 水胶 比为 0 6 , 粉煤灰掺量为 1 0 时 , 混凝 土 2 8 d强度下 降
16、 7 , 粉煤灰掺量 为 5 0 时混凝土 2 8 d 强度 降低下降 5 1 。 而水胶 比为 0 3 , 粉煤灰掺 量为 1 0 时, 混 凝土 2 8 d强度上升了 3 , 粉煤灰掺量 5 0 时混凝 土 2 8 d 强度 降低下降了 3 0 , 水胶比 0 6时的混凝土 2 8 d强度 降 低幅度 明显大于水胶 比 0 3时的强度 降低 幅度 ) ; 随着水 胶比的降低, 混凝土2 8 d强度每变化 l , 粉煤灰掺量的变 化范围在扩 大 ( 例 如 , 水 胶 比 0 6 , 粉 煤 灰 掺 量 为 1 0 5 0 , 混凝土 2 8 d强度每变化 1 , 粉煤灰掺量变化在范围 在
17、1 0 1 4 , 水胶比为 0 3 , 粉煤灰掺量为 1 0 - 5 0 , 混 凝土 2 8 d强 度 每 变 化 1 , 粉 煤 灰 掺 量 变 化 在 范 围 在 1 7 7 5 , 随着水胶 比的降低 , A K的变化范围在扩大 ) ; 粉煤灰掺量相同时, 随着水胶 比的降低 , 混凝 土 2 8 d强度 1 5 2 降低的幅度在缩小( 例如, 粉煤灰掺量为 3 0 : 水胶 比0 6 时, 混凝土 2 8 d强度 降低 了 2 1 ; 水胶 比 0 5时 , 混凝 土 2 8 d强度降低 了 1 8 ; 水胶比 0 4 2时, 混凝土 2 8 d 强度降 低 了 1 5 ; 水胶
18、比 0 3 5时, 混凝 土 2 8 d强度降低 了 1 0 ; 水胶 比0 3时, 混凝土 2 8 d强度仅降低 了 4 ) 。 2 2 试验 结果分析 试验研究说明孔隙率对混凝土强度有着决定性的影 响 , 孔的其他属性 ( 例如孔径 、 孔的分布 、 孔形与取向等 ) 对 混凝土强度也有影 响 J 。 水泥水化过程 中, 单位体 积的水 泥水化后体积增加约 1 2倍 , 使原来 由水 占据的空间为水 化产物所填充 , 而引起浆 体孔 隙率的降低。 同样粉 煤灰的 火山灰反应形成水化产物体积超过反应前 的体积 , 也会对 减少浆体孔隙率起 到作用 。 中国建材 院董刚 研 究表 明: 水泥浆
19、体中粉煤灰在 1 4 d前反应较少( 仅为 2 5 ) , 2 8 d 以后粉煤灰 的反应 程度才开始逐渐增 大, 到 1 8 0 d仅 有 2 0 左右参与二次水化 。 总 的来说 , 粉煤 灰的反应速率 和反应率是很低的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 6 不 同水胶比、 胶凝材料用量、 粉煤灰掺量的混凝土强度 水胶比 胶凝材料总量 k g 粉煤灰掺量 A 9 6 7 d MP a 2 8 d MP a 2 8 d 强度变化 x A K O 6 0 5 0 3 5 注 : A x 表不强度每变化 1 , 粉煤灰掺量变化情况; +表不强度增加 , 一 表
20、示强度降低 。 水泥的活性好 、 反应 速度远远大 于粉 煤灰 , 在水胶 比 利用水泥的水化产物进行二次水化反应 , 使混凝土 中早期 相同的条件下, 水泥之间的孔隙可以得到水泥水化产物的 参与水化反应的水泥的“ 水灰比” 变大。 如果不考虑粉煤 有效填充 , 随着粉 煤灰掺量 的增 加 , 水泥熟料矿 物成分相 灰对水 的表面物理 吸附作用 , 初期 实际参 与水泥 水化 的 对减少 , 水胶比不变 , 而水灰 比增大 , 产生的水化产 物也减 “ 水灰 比” 接近 0 6 , 远远高于水泥理 论上完 全水化所需要 少 , 不能足 以填充 颗粒间 的空隙 , 混凝土 中水 泥石有大量 的水
21、灰 比, 此时可 以认为水 泥水化 不受水化空 间的制约 , 的孔隙存在, 混凝土强度降低。 粉煤灰掺量越大, 未被填充 较之于水灰比为 O 3 0的纯水泥浆体, 掺粉煤灰的浆体中 的空 隙越多 , 混凝土降低 的幅度越 大。 水 泥的水 化及粉煤 水泥组分可达到较高的水化程度。 灰利用水泥水化产物 C a ( O H) 二次水化均能降低混凝土 的孔 隙率 , 早期粉煤 灰反应程度低 , 掺量 越大强 度降低幅 度越 明显 , 但到后期 随着水化反 应的进行 , 混凝 土浆体 的 孔 隙率逐渐被填充 , 混凝土强度降低 的幅度变小 。 水胶 比也是影响混凝土空隙率 的一个重要 的因素 , 随
22、着水胶 比的降低 , 用水量 减少 , 胶凝材料 颗粒之 间距 离变 小 。 需要填充 的孔 隙也变 小 , 不需 要过多 的胶凝 材料水化 产物就能填充胶凝材料颗粒之间的空 隙, 且粉煤灰 中含有 较高的球形玻璃体 , 使 水泥分散更均匀 。 再加上粉煤 灰对 水泥的颗粒填充效应, 使混凝土浆体孑 L 隙率得到有效降 低 , 并成为水泥水化产物的内核 , 加之 , 粉煤灰 的掺入水化 热的减少, 都有利于强度提高。 因此, 在低水胶 比的环境 下 , 粉煤灰水化慢的弱点被掩 盖 , 降低混凝土水 化热及 改 善低水胶 比情况下的水化环境的优点体现出来 。 例如在水 灰比0 3时, 用 5 0
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