粉煤灰和外加剂对混凝土力学性能的影响

2013-08-15文浪

湖南水利水电 2013年2期

文浪

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

引言

在混凝土中使用活性矿物掺和料和外加剂是改善混凝土各项性能、满足工程耐久性要求的主要技术途径。粉煤灰作为最常用的活性掺和料，既保护了环境、节约了混凝土的成本，又改善了混凝土的性能。在掺和料品种确定的情况下，掺和料的掺量则对混凝土的强度起决定性的作用。混凝土外加剂品种较多，功能各异。主要品种有泵送剂、减水剂、膨胀剂、早强剂、HF等。在混凝土工程应用中，有时候外加剂也会导致混凝土性能下降。因此，分析掺和料掺量及如何选择外加剂种类对混凝土性能影响是十分必要的。

1 原材料检测

1.1 水泥

水泥采用湖南耒阳南方水泥有限公司生产的耒阳南方P·O42.5及湖南省衡阳市金雷建材有限公司生产的金雷P·C32.5两种等级水泥。水泥品质和性能检验结果见表1，水泥的化学成分分析试验结果见表2。

表1 水泥品质和性能检验结果

表2 水泥化学成分分析试验结果 %

1.2 粉煤灰

粉煤灰采用湖南亿泰环保科技股份有限公司生产的耒阳电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰的品质检验结果见表3。

1.3 外加剂

外加剂采用聚羧酸高性能减水剂、UES膨胀剂及HF混凝土高强耐磨剂，推荐掺量分别为1.0%、10%、3%。

表3 粉煤灰品质检验结果

1.4 骨料

试验用骨料采用河砂、河卵石。砂的细度模数为3.14，属于粗砂；粗骨料粒径分为（5～20）mm，（20～40）mm 二个级配，骨料组合比为中∶小＝55∶45。

2 掺粉煤灰胶砂强度

南方P·O42.5水泥掺用粉煤灰的掺量分别为0%、20%、30%、40%，胶砂抗压强度强度试验结果分别见表4。

表4 不同掺量粉煤灰的胶砂抗压强度试验结果

试验结果表明：

（1）随着粉煤灰掺量的增加，水泥胶砂的强度逐渐降低。

（2）7 d龄期，掺粉煤灰胶砂的强度降低率高于粉煤灰掺量百分数；随着龄期的增长，28d龄期，掺粉煤灰胶砂的强度降低率逐渐低于粉煤灰掺量百分数。

（3）以28 d龄期强度为基准，90 d龄期掺粉煤灰胶砂强度的增长率明显超过纯水泥胶砂强度的增长率，由此可见掺粉煤灰胶砂的后期强度发展优于纯水泥胶砂。

这是因为水泥水化时产生的游离Ca（OH）2和粉煤灰中的活性成分SiO2与Al2O3之间的二次反应产生了附加水化产物，以及由熟料水化反应所产生的高碱性水化物与粉煤灰中的活性氧化硅反应后转化为低碱性水化物使胶凝性能提高，从而增强了胶砂强度。而在水化早期粉煤灰主要起惰性填料的作用，或者其微弱的火山灰反应产生的强度增益不足以弥补掺和料稀释作用所引起的水泥强度的降低。但是随着龄期的增长，火山灰反应发挥了明显的效应。

3 双掺粉煤灰和减水剂对混凝土强度的影响

掺减水剂和不同掺量粉煤灰混凝土抗压强度试验结果见表5，编号H2～H8混凝土强度曲线见附图。水泥选用耒阳南方P·O42.5，水胶比为0.45。

表5 掺粉煤灰和减水剂混凝土抗压强度试验结果

附图掺粉煤灰和外加剂混凝土抗压强度曲线

单掺粉煤灰混凝土强度发展规律与掺粉煤灰胶砂类似，早期抗压强度低于不掺粉煤灰混凝土。随着龄期的增长，粉煤灰对混凝土强度的贡献逐渐增加，后期强度发展有明显优势。

以H1为基准混凝土，单掺聚羧酸系减水剂混凝土坍落度增大，抗压强度也增长了104%～114%。这是因为减水剂具有润湿以及润滑作用，提高了混凝土的流动性；同时还能改善水泥的分散度，提高其水化程度，增进其微观结构的密实性，从而提高混凝土的抗压强度。

早期双掺粉煤灰和减水剂混凝土抗压强度均低于单掺减水剂混凝土。但是28 d龄期后，双掺粉煤灰和减水剂混凝土的抗压强度增长率逐渐高于单掺减水剂混凝土，且抗压强度增长率随着粉煤灰掺量的增加而增加。90 d龄期时，双掺粉煤灰和减水剂混凝土抗压强度则与单掺减水剂混凝土相当，甚至略高。其中粉煤灰掺量为10%时，强度优势尤为明显，抗压强度比达到111%。可见聚羧酸系减水剂与水泥、粉煤灰有良好的适应性，减水剂与粉煤灰的双掺既保证了混凝土的早期强度，又确保了混凝土后期强度的发展。在保证强度的情况下，提高了用以替代水泥的粉煤灰的掺量，降低了材料成本。

4 掺粉煤灰、减水剂、膨胀剂对混凝土强度的影响

掺粉煤灰、膨胀剂和减水剂混凝土抗压强度试验结果见表6。采用金雷P.C32.5水泥，水胶比为0.45、0.55、0.65，粉煤灰掺量 15%，膨胀剂掺量 0、10%，减水剂掺量1%。

表6 掺粉煤灰、膨胀剂和减水剂混凝土抗压强度试验结果

掺入掺粉煤灰、减水剂和膨胀剂混凝土抗压强度高于双掺粉煤灰、减水剂混凝土。水胶比取0.45、0.55、0.65，7d、28d 龄期抗压强度分别增长了 16.3%～18.2%、3.3%～4.9%。在水泥凝结硬化过程中，膨胀结晶体在混凝土内部起到填充、切断毛细孔缝的作用，改善混凝土的孔结构，使混凝土更加密实，从而提高混凝土的力学性能。可见在适当掺量下，三掺粉煤灰、减水剂、膨胀剂能充分地发挥外掺料各自在混凝土中的作用特点，进行相互作用相互补充。

5 双掺粉煤灰和HF对混凝土强度及抗冲磨性能的影响

掺粉煤灰和HF混凝土性能试验结果见表7。选用南方P·O42.5水泥，水胶比0.35，粉煤灰掺量15%、25%。

表7 掺粉煤灰和HF混凝土性能试验结果

由试验结果可知：

（1）对比H15和H16，掺入HF后，减水率达到29.4%，坍落度明显增大，可见HF具有优异的减水作用和改善混凝土和易性的作用；双掺粉煤灰和HF混凝土的抗压强度及28 d抗冲磨强度均高于单掺粉煤灰混凝土，7 d、28 d龄期抗压强度分别为单掺粉煤灰混凝土的140%、108%，28 d抗冲磨强度更达到了单掺粉煤灰混凝土的154%。这是由于HF可激发粉煤灰的活性，促进粉煤灰的二次水化反应，并使胶凝材料的水化产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能，显著提高混凝土的抗压强度及抗冲耐磨性能。

（2）双掺粉煤灰和HF混凝土，粉煤灰掺量15%相较于掺量25%，7d、28d龄期抗压强度增长了5.9%、3.9%，28 d抗冲磨强度增加了40.4%。因此，粉煤灰和HF双掺时，粉煤灰存在一个最佳掺量范围。当混凝土的设计龄期为28 d时，粉煤灰最佳掺量在15%左右。