高掺量粉煤灰混凝土含气量试验研究

刘桂玲

(山西大同大学,山西 大同 037003)

由胶凝材料将集料胶结成整体的混凝土,是一种坚硬的人工建筑材料,历史悠久,最早可追溯到古罗马穹顶和拱建筑结构的建造；尤其是现代钢筋混凝土应用非常广泛,在国民经济建设中发挥着不可替代的作用。国家统计局和发改委经济运行调节局统计表明：2016年,全国水泥产量240295万t,商品混凝土产量179200万m3。山西大同是全国重要的电煤生产基地,10余家燃煤热电厂,而作为热电厂副产品排放的粉煤灰呈逐年上升趋势；年利用粉煤灰不足80万t,露天堆放粉煤灰300万t/a。从全国来看,由2001年1.54亿t的排放量,激增至2014年的5.78亿t[1]。堆积的粉煤灰占用了大量土地,势必造成空气、水体、耕地等周围环境污染。因此,积极推动高品质粉煤灰综合利用,已成为减少固体废物污染、改善大气环境质量,实现变废为宝、节约能源的迫切需要；更会对我国绿色发展和可持续发展产生深远影响。粉煤灰混凝土以一定量粉煤灰取代部分水泥配制而成,可以充分发挥粉煤灰潜在活性,以减少配制水泥用量,降低工业生产成本,还能改善混凝土耐久性[2]。R.E.Davis[美]于1954年首次提出：混凝土中若用较大比例的粉煤灰与水泥作胶凝材料配制可形成一种新材料—高掺量粉煤灰混凝土(High Fly-ash Content Concrete,简称HFCC)。本文拟采用当地常见工程材料,对HFCC进行配合比设计,通过拌合物含气量等试验研究,其大规模应用提供依据。

1 HFCC配合比设计

大同冀东P.O42.5水泥满足国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007的。细骨料为产自大同县平均细度模数为3.0的中砂,人工碎石作为粗骨料；中砂和碎石都符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。从燃煤电厂烟道气体中收集的煤燃烧所产生的烟气中的固体废弃物——粉煤灰,通常可分为：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级[3]。由GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》,本地区热电厂袋装粉煤灰：密度2.2g/cm3,堆积密度750kg/m3,细度0.045mm筛余14.5%,烧失量3.5%；其他化学成分见表1。因此,该Ⅱ级粉煤灰可用于F类混凝土、砂浆拌制需要。

表1 粉煤灰掺合料试验

选用质量法进行粉煤灰混凝土配合比设计,同时,采用多因素试验设计法以确保取得满意试验效果[4-5]。混凝土的设计强度等级分别为C30、C40、C50,42.5硅酸盐水泥的粉煤灰掺量为0%、10%、20%、30%、40%；混凝土塌落度选择120±20mm。经过多次试验满足混凝土配置强度和塌落度等要求的混凝土配合比设计,如下表2所示。

表2 HFCC配合比设计

试验编号水胶比配制材料用量(kg/m3)水粉煤灰水泥砂子石子F00-C40F10-C40F20-C40F30-C40F40-C400.3518505255701065185504754901145180100425490115518015536049711591802103105101190F00-C50F10-C50F20-C50F30-C50F40-C500.3018505804701120185625604701165180116475480116018018241548210851802403904651130

2 HFCC拌合物含气量试验

HFCC混凝土拌合物的拌制和凝结硬化过程中也会有内生气体、孔隙,从而进一步加速混凝土碳化、冻胀,引起抗压、抗渗、抗折等物理力学性能降低[6-7]。因此,探讨HFCC含气量对于混凝土实际运用具有重要意义。

2.1 试验仪器

由GB/T20080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准按照标准》,采用容积7L,粗骨料最大粒径为40mm的CA-3只读式混凝土含气量测定仪,其含气量量程10%,精度0.1%,气密性试验压力、设计最高压力分别为：0.4MPa、4MPa。

2.2 试验结果

图1 混凝土含气量-粉煤灰掺量曲线

从图1看出,对于C30、C40、C50试验混凝土,掺加粉煤灰可明显降低混凝土含气量；含气量由不掺加粉煤灰时的2.5%,下降到掺量40%的1.7%,最大降幅约0.8%。因此,由于粉煤灰在混凝土中很好发挥了形态、填充效应,降低了混凝土含气量、提高了密实度,改善了混凝土拌合物性能。

由图2,水灰比分别0.45、0.35、0.30时,含气量随着粉煤灰掺量的增加(10%、20%、30%、40%)而降低；粉煤灰掺量不变时,含气量随着水胶比的增大而增加。

图2 混凝土含气量-水灰比变化图

3 结论

由于粉煤灰在混凝土中的形态、填充效应,密实度提高、含气量降低,混凝土拌合物性能得到改善。HFCC随粉煤灰掺量增大,含气量的大幅度降低。同时,水灰比由0.45下降到0.30,混凝土的含气量也呈正比逐渐下降0.5%左右。

[1]CCPA粉煤灰材料分会.2016年度粉煤灰行业发展报告[R]．

[2]王福元,吴正严.粉煤灰利用手册(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2004．

[3]GB/T1596-2005 用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S]．

[4]JGJ55-2011 普通混凝土设计规程[S]．

[5]GB/T50146-2014 粉煤灰混凝土应用技术规范[S]．

[6]吴溪.粉煤灰掺量对混凝土的抗碳化性能的影响[J].江西建材,2016(04):3-6．

[7]王华山.粉煤灰对混凝土力学性能和耐久性能影响研究现状分析[J].江西建材,2017(21):10-11．