高钙粉煤灰混凝土的力学及耐久性能的试验及微观机理研究.pdf

第 4 8卷第 6期 2 0 1 2年 6月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA N S U WA T ER R E5 D切匪 a璐 A N D 明) l l 0P 0WE R如虻 瓢N I ) I O GY Vo 1 4 8 No 6 J u n ， 2 01 2 设计与研究 高钙粉煤灰混凝土的力学 及耐久性能的试验及微观机理研究 李晓兵 ( 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要： 低钙灰的广泛应用使得其相关研究和技术已经比较成熟， 而针对高钙粉煤灰混凝土的安定性、 力学及耐久性 能的深入研究还较少， 现有的研究对于指导工程实践还非常欠缺。针对这一问题 ， 以新疆某水电站工程为例， 对不同 掺量高钙粉煤灰混凝土的体积安定性进行试验， 确定出满足体积安定性的高钙灰最优掺量； 进而通过实验研究了最 优掺量下高钙粉煤灰对水泥混凝土力学性能、 抗渗性能和抗冻性能的影响； 最后， 通过拍摄电镜照片， 从微观机理角 度对上述宏观性能进行分析解释。 关键词： 高钙灰混凝土； 4 e 定性； 力学性能； 耐久性能； 水胶比； 微观机理 中图分类号： I f U 5 0 2 文献标志码 ： A 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 - 0 0 1 0 0 4 1 前言 高钙粉煤灰是指褐煤或次烟煤经过粉磨燃烧 后 ， 从烟道气中收集到的粉末 ， 其氧化钙含量在 8 以上 ( 或游离氧化钙含量大于 l ) 。 与低钙粉煤灰相 比。 高钙灰用作水泥混合材或混凝土掺和料具有减 水效果好、 早期强度发展快、 改善混凝土和易性和活 性等优点， 但高钙灰由于其游离氧化钙含量高 ， 可能 引起水泥安定性不 良和混凝土胀裂 。 极大地影响 了 高钙灰在混凝土中的应用。 近年来 ， 随着我国高钙粉煤灰产量的日益增多 ， 如何有效利用高钙粉煤灰提高水泥混凝土的力学及 耐久性能 ， 规避其可能带来的不良后果， 同时节约资 源保护环境 。 是值得深入研究的重大课题。 2试 验材料 和方 法 2 1 试 验材 料及性 质 ( 1 ) 水泥： 采用青松 4 2 5 R普通硅酸盐水泥， 3 d 抗压强度为 2 6 9 MP a ， 2 8 d抗压强度 为 4 9 8 MP a ， 安定性合格 。 ( 2 ) 粉煤灰 ： 新疆某电厂生产的高钙粉煤灰 ， 氧 化钙含量 1 3 4 8 ， 烧失量为 3 7 2 ， 细度为 6 3 。游 离氧化钙为 4 4 。 ( 3 ) 细 骨料 ： 天然砂 ， 细度模数 2 6 ， 连续级配 ， 含 泥量 1 8 。 ( 4 )粗骨料 ： 卵石， 最大粒径 4 0 l l l m， 连续级配。 ( 5 ) 减水剂 ： 试验用减水剂确定选用 F D N萘系 高效减水剂， 最佳掺量为 1 O 。 ( 6 )引气剂 ： 试验用引气剂确定采用 K D S F型 引气剂 。最佳掺量 以满足混凝土拌合物达到适宜的 含气量为标准。 2 2 试 验 方案设 计 将不同掺量的高钙粉煤灰和水泥混合 ，配制出 掺量分别为 2 5 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的高钙灰 混凝 土 ， 测定其胶凝材料的安定性 。确定 出高钙粉煤灰的最 优掺量。 在进行配合 比设计时 。高钙灰的掺量固定为最 优掺量， 水胶 比分别为 0 4 5 、 0 4 0 、 0 3 5 、 0 3 0 。 根据经 验计算 出初步配合 比，然后进行混凝土拌和物试拌 调整试验 ， 以满足达到泵送混凝土和易性 ( 坍落度、 黏聚性、 保水性、 扩散度 ) 要求作为考核指标 ， 进行配 合比调整。此后 。将满足试拌调整的配合 比拌和物 浇筑试件 ，标准养护 ，再进行不同龄期抗压强度试 验 、 抗渗试验 和抗冻试验 等 ， 养 护龄期为 3 d 、 7 d 、 1 4d 、 2 8 d 、 6 0d和 9 0d 。 2 3 试 验 方法 ( 1 ) 安定性检测试验。试验采用雷氏膨胀法( 参 照 G B 1 3 4 6 8 9 ) 。水泥安定性合格的判定条件为雷 氏膨胀值5 mm。 ( 2 ) 抗压强度试验 。 强度试验借鉴 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ( 水泥胶砂强度检验方法 ( I S O法) 进行 ， 试件 均在温度为 2 O c I = 2、 R 日5 O 的成型室里浇筑 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 2 一 O 6 _ 0 1 作者简介： 李晓兵( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 甘肃高台人， 工程师， 主要从事水利水电工程造价管理。 l O 第 6 期 李晓兵 ： 高钙粉煤灰混凝土的力学及耐久性能的试验及微观机理研究 第 4 8卷 成型后的试件放入温度为 2 0 l c I = 、 R H9 0 的 标准养护室中 ， 带模养护 2 4 h后脱模 ， 然后试件放 入标准养护室养护至设定龄期取出 。 进行抗压强度 试 验 。 ( 3 )抗 渗试 验。抗渗实验 采用 国家标 准 GB J 8 2 8 5的逐级加压法。 ( 4 ) 抗冻试验。混凝土抗冻实验按照 国家标准 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验方法 中的“ 快冻法” 的要求。 3试验 结果及 分析 按照上述试验方案 ， 测定不 同掺量高钙灰混凝 土的体积安定性 ， 确定出高钙粉煤灰的最优掺量 ， 然 后以不同水胶比为影响因素进行高钙灰混凝土不同 龄期抗压强度试验、 抗渗试验和抗冻试验 ， 实验结果 和分析如下 。 3 1 不 同掺量高 钙灰 混凝土 安定性 检测 不同掺量高钙灰混凝土的胶凝材料的体积安定 性检 测结 果如表 1 所 列 。 表 1 新疆某电厂不同掺量粉煤灰 的 胶凝材料安定性试 验结果 由表 1 可以绘制出高钙粉煤灰掺量一 雷 氏值之 间的关系( 图 1 ) 。 j 型 恤 高钙粉煤灰掺量 图 1 高钙粉煤灰掺量 一雷氏值关系图 由图 1 可 以看出。雷氏值随着高钙粉煤灰掺量 的增多而增大，掺 2 5 新疆某电厂粉煤灰的胶凝材 料安定性合格 ， 而高钙灰掺量达到 3 0 时， 雷 氏值就 以略微超过了水泥安定性合格的判定条件 。因此可 得结论 ： 考虑到实际生产的需要 ， 高钙灰的最优掺量 应取为 2 0 2 5 为宜 ；对有特殊要求的混凝土 ， 在 高钙灰质量达到优质标准的情况下 ，其掺量可放宽 至 3 0 左 右 。 4 2 高 钙粉煤 灰对 水泥 混凝土 力学 性能 的影响 以高钙灰掺量为 2 5 ， 水胶 比分别控制在 O 4 5 、 0 4 0 、 0 3 5和 O 3 O ，进行混凝土拌和物调整试验 ， 使 每一个配合 比的混凝土拌和物的和易性都能达到工 程设计的要求。在此前提下 ， 再浇筑混凝土试件、 标 养 ， 进行不同龄期抗压强度试验。 调整后的混凝土配合 比见表 2 ，拌和物和易性 试验结果以及抗压强度试验结果见表 3 。 表 2 调整后的混凝土配合比 2 0 1 2年第 6期 甘肃水利水电技术 第 4 8卷 为将高钙灰和低钙灰 掺入混凝土影响进行对 比， 将上述配合 比中高钙灰全部换成低钙灰 ， 可得掺 低钙灰混凝土强度试验结果 ， 如表 4所列。 以龄期为横坐标 ， 抗压强度为纵坐标 ， 可得不同 水胶 比下高钙灰和低钙灰混凝土的抗压强度一 龄期 关系曲线对 比图( 图 2 ) 。 表 4 掺低钙灰混凝土试验结果 8 0 6 0 4 0 2 0 培= o 4 0 cF A WI B - 4 5 - cF A O 4 0 6 o 龄期， d 图 2 高钙灰和低钙灰混凝土抗压 强度 一龄期关系曲线对比图 从 图 2可 以看 出， 高钙灰和低钙灰混凝土抗压 强度都随着龄期的增加而提高 ， 随着水胶 比的降低 而提高。在水胶 比相同的情况下 ， 高钙灰混凝土的 抗压强度要高于低钙灰混凝土 ， 高钙灰混凝土的强 度发展优势主要体现在早龄期 ， 随着龄期的发展， 这 种优 势有减弱的趋势。高钙灰的这种优势主要得益 于其 良好的自硬性以及较低钙灰更高的反应活性。 就粉煤灰 中硅酸盐阴离子的聚合状态而言 ， 低 钙灰主要由多聚物组成 ， 单聚物较少 ， 而高钙灰则有 较多 的单聚物和二聚物 ， 因此高钙灰的反应活性较 一 般低钙灰高 ， 对混凝土的增强作用也更明显。 4 3 高 钙粉 煤灰对 水 泥混凝 土抗渗 性能 的影 响 上述高钙灰混凝土配合 比中。 水胶 比最高 、 混凝 土强度最低的配合 比为 X1 ，如果 X1 组的抗渗、 抗 冻性能满足要求 ，那么另外几组混凝土性能均可满 足要求 。 根据该原则 。对 X 1组配合 比的混凝土进行抗 渗试验 试验结果见表 5 。 袭 5 X 1组配合比的混凝土抗渗试验结果 从高钙灰混凝土抗渗试验可以看出，其抗渗指 标均 比较高 ( 达到 W1 0以上 ) ，且试件渗水高度较 低 ， 说 明掺高钙灰混凝土具有 良好的抗渗性能。 究其原因 。 高钙灰具有较高的火山灰活性， 在水 泥水化过程 中，高钙灰及二次水化反应产物能填充 到混凝土结构中的毛细管及孔隙裂缝之中，改善了 孔结构， 从而提高了水泥石的密实度， 调节 了凝胶量 和胶凝过程， 起到了改善混凝土宏观性能， 提高抗渗 性的作用 。 4 4高钙粉煤灰对水泥混凝土抗冻性能的影响 对 X1 组配合 比的混凝土进行抗冻试验 ，试验 结果见表 6 。 表6 X1组配合比的混凝土抗冻试验结果 从高钙灰混凝土抗冻试验可 以看出 ， 其抗冻指 标 比较高， 质量损失率和相对动弹性模量富裕率比 较大 ， 当水胶 比降低时， 掺高钙粉煤灰的混凝土抗冻 性能更好 说明掺高钙粉煤灰混凝土具有 良好的抗 B d W ， 斟霞出 刊 赠 2 0 1 2年第 6期 甘肃水利水电技术 第 4 8卷 ( 上接 第 1 3页 ) ( 2 ) 高钙灰和低钙灰混凝土抗压强度都随着龄 期的增加而提高 ， 随着水胶比的降低而提高。在水 胶比相同的情况下 ， 高钙灰混凝土的抗压强度要高 于低钙灰混凝土 ， 高钙灰混凝土的强度发展优势主 要体现在早龄期 。 随着龄期的发展 ， 这种优势有减弱 的趋势。高钙灰的这种优势主要得益于其 良好的自 硬性以及较低钙灰更高的反应活性。 ( 3 )高钙灰混凝 土具有 良好 的抗渗性 能， 究其 原 因， 高钙灰具有较高的火山灰活性， 在水泥水化过 程 中， 高钙灰及二次水化反应产物能填充到混凝土 结构 中的毛细管及孔隙裂缝之中， 改善了孔结构， 从 而提高了水泥石的密实度，调节了凝胶量和胶凝过 程， 起到了改善混凝土宏观性能， 提高抗渗性的作用。 ( 4 ) 高钙灰 混凝土具有 良好的抗冻性能 ， 冻融 循环对水泥结构的破坏作用与水泥石的微观结构和 抗渗性有关 ， 抗渗性的提高使水分不易进入混凝土， 减少造成冻胀性破坏的几率 ， 有利于改善抗冻性。 ( 5 ) 微观机理研究显示掺加高钙粉煤灰的混凝 土水泥石中的孔隙很少 孔径不 大， 结构很密实 ； 高 钙粉煤灰颗粒填充在水泥石 中。起到 了填充作用和 微集料的作用o粉煤灰颗粒表面在较早龄期即发生 了水化反应 ，这种水化产物结构有利于减少水化反 应 引起 的 收缩 以及 减少 由于 微裂缝 及 大孔洞 形成 的 水渗通道， 提高混凝土力学性能及耐久性能。 ( 上接第 2 3页)便于各方掌握焊接过程的细节 ， 便 于检查监督和量化管理 。 便于及时发现问题和解决 问题 。 同时也为分项工程的验收及竣工做好原始资 料 的积累 。 4焊接 质量保 证措 施 建立完善的质量保证体系 ， 确保对压力钢管的 制安质量进行有效控制。 从原材料采购至钢管制作 、 安装验收 按照质量手册的程序性文件技术规范和 标准进行质量控制和质量检测。 强化质量意识 ， 施工中各工序检查执行“ 三检 制” 并且各道工序实行工序传递卡制度。坚持质量 问题“ 三不放过” 的原则。加强焊工管理工作 ， 制定 3 2 焊接质量奖励与处罚制度 ， 奖优罚劣。 焊工经培训合格后 。 持证上 岗 ， 且具有能源部 、 水利部颁发的适用于水利水 电工程压力钢管制造、 安装焊工考试合格证或劳动人事部门颁发的锅炉 、 压力容器有效合格证书。定期对全部焊接设备进行 检修 。 防止设备带病运行 。 5结论 泰安抽水 蓄能电站尾水压力 钢管焊 接工程质 量 ，通过实施上述一系列全面和完整地焊接过程质 量控制措施 。 达到了控制焊接质量盼 目的 ， 顺利通过 了竣工验收。并经受住了 自2 O o 7年发电至今以来 的实践检验 。 质量可靠 、 工艺优 良。