掺加粉煤灰和减水剂对混凝土性能影响之研究

2020-09-06王雪莲任志福钱晓丽余景良张劲文韩玉梅

江西建材 2020年8期

杨朋，王雪莲，任志福，钱晓丽，余景良，张劲文，韩玉梅，彭峰

广州航海学院航务工程学院，广东广州 510725

为了改善混凝土相关性能，掺加粉煤灰和减水剂是两种比较常用的方法。粉煤灰是一种常用于混凝土的外加材料，它可在室温或者其它环境条件下(比如蒸汽、蒸压养护等)与氢氧化钙等金属氢氧化物产生化学反应，从而可生成水硬性胶凝材料。粉煤灰可定义为一种能提高混凝土强度和增加混凝土耐久性的外加材料。减水剂是指能保证混凝土拌合物和易性及水泥用量不变的前提下，能够明显减少拌合水用量但能增加混凝土力学性能的有机材料或无机材料。在另一方面，在水泥混凝土拌合物的和易性及强度维持不变的环境下，使用高效减水剂可以明显节约水泥的使用量［1-4］。恰当合理地使用高效减水剂能保证混凝土混合物的工作性能，增加施工和易性，减少混凝土中的容易出现的病害（比如窝状，横纵向裂纹等）［5］。为了研究粉煤灰和减水剂对混凝土的性能影响，本文选择了工程上普遍使用的两种产品，通过检测3d～360d龄期的混凝土试件的强度，研究了粉煤灰和减水剂对混凝土性能参数的影响，分析了试验数据结果，为二者的配合使用提供了长期试验的数据支持。

1 本研究所用材料和相关检测方法

1.1 材料

水泥材料采用华中某地产525型普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用某电厂生产的产品。减水剂采用某水泥外加剂公司生产的高效能减水剂（属萘系）。砂采用北江河砂（细度模数为2.19）。砂石采用肇庆石厂产花岗岩集料。混凝土拌和用水符合相关标准。

1.2 试验材料比例

本研究所采用的材料比例见表1、表2。两表中，粉煤灰掺入方法使用超量取代法［6］。矿粉则采用等量取代法［6］，其所用的等代率是20%。

表1 掺粉煤灰混凝土配料表

表2 掺减水剂混凝土配料表

1.3 试件制备及成型

混凝土拌合物用双卧轴强制式搅拌机混合搅拌。为了保障数据的可信度，随机从拌合场的搅拌车中取料，严格按照相关规范要求抽取样品。采用插捣加振动成型方法制作水泥混凝土试件。根据要求，试验中不同的强度等级混凝土需要抽取一个不同的样本。试验测试计算720d以内各龄期的龄期系数（抗压强度）。混凝土试件成型1d后立即进行拆模，将试件养生在于20±1℃的恒温养护室并保持至28d。28d后，取出到期试件将其置于室内并养护到试验规定的龄期。

1.4 公式计算

本试验为合理地评价水泥对混凝土强度的影响规律，规定了3个评价参数，分别为：水泥的强度效应，灰强比，龄期系数。其中，水泥的强度效应可定义为：每kg水泥材料在混凝土材料中能够产生的强度。灰强比可定义为为水泥混凝土达到一定抗压强度所需要的水泥材料的重量。龄期系数则反映了不同龄期混凝土试件的抗压强度与28d抗压强度的比例关系。3个请加参数的具体分析方法见公式（1）、公式（2）和公式（3）：

式1中，G为贡献率，P为不同龄期试件测得的强度（MPa），m（水泥）为试件所用水泥数量（kg）。

式2中，H为灰强比，P为不同龄期试件测得的强度（MPa），m（水泥）为试件所用水泥数量。

式3中，L为龄期系数，P为不同龄期试件测得的强度（MPa），P28为28d试件的强度。

2 掺加粉煤灰后混凝土试验结果及分析

掺加粉煤灰后混凝土各方面性能参数的变化见图1-图4。从图1中可以看出，随着养护龄期的增加，两种混凝土的强度不断增加，在3～14d时间段，掺加粉煤灰的混凝土强度低于基准混凝土。在28～360d时间段，掺加粉煤灰的混凝土强度明显高于基准混凝土。抗压强度比先减小后增加到最大（180d），随后又发生减小。这是因为粉煤灰等量取代水泥后，不但能降低胶凝材料中水泥含量，而且拨开了水泥颗粒间的距离，因而降低了形成凝胶网络结构的速度。有科技工作者在文献指出［7-10］，粉煤灰的潜在强度需要PH值在大于13.2～13.3的环境中才能完全发挥；另外，粉煤灰中低钙灰的火山灰活性相当低，发挥潜在强度的能力相当缓慢，影响了水泥在混凝土强度效应的发挥，所以降低了混凝土的早期强度。图2中水泥对混凝土强度贡献率随着龄期的增加，呈现先增加后减小再增加的趋势。图3中混凝土的灰强比随着龄期的增加，在3～90d期间呈现不断增加态势。到达90d后，则出现不断减小的趋势。图4中随着龄期的增加，在3～40d期间基准混凝土的龄期系数高于掺粉煤灰混凝土；但到达40d后，掺粉煤灰混凝土的龄期系数大于基准混凝土的龄期系数，且呈现不断增加态势。以上数据能充分说明：掺粉煤灰混凝土强度存在早期发挥迟缓，但后期持续增长能力强，具有巨大的潜在强度特性，这也是粉煤灰对混凝土强度的最大贡献。

图1 两种混凝土抗压强度对比（掺加粉煤灰）

图2 水泥对混凝土强度贡献率对比（掺加粉煤灰）

图3 两种混凝土灰强比对比（掺加粉煤灰）

图4 两种混凝土龄期系数对比（掺加粉煤灰）

3 掺加减水剂后混凝土试验结果及分析

掺加减水剂后混凝土各方面性能参数的变化见图5-图8。从图5中可以看出，减水剂略能提高180d前的强度。在保持水灰比和塌落度与基准混凝土不变条件下，混凝土掺了减水剂后，即使水泥用量降低了12%，也略能提高180d前的混凝土强度。抗压强度比在100%～115%之间波动，而后龄期略有下降。与掺加粉煤灰混凝土不同，掺加减水剂的混凝土的抗压强度比呈现不同的规律。从图6中可以看出，在3～28d时间段和28～180d时间段，抗压强度比先减小后增大，180～360d时间段则持续减小。由于减水剂的掺入，主要是释放被束缚在水泥浆中水泥颗粒间网状结构中的自由水，并不影响水化产物-凝胶体的结构。所以混凝土强度能与基准混凝土基本保持一致。但后期强度的龄期系略有下降。可以说掺减水剂后的混凝土具有与基准混凝土基本相同的强度龄期系数。从图7中可以看出，掺减水剂后，由于水泥用量降低了12.3%，但混凝土强度却略有提高。所以，水泥强度效应产生了0.71～3.18的差值，平均强度效应（按各龄期平均值计）提高了0.025，即水泥的单位胶结能提高了0.025。从图8可以看出，基准混凝土与掺粉煤灰混凝土的灰强比差值在不断减小。从以上试验结果可以看出，减水剂能显著地提高水泥的单位胶结能，表明其能提高水泥对混凝土强度的贡献。