粉煤灰陶粒制备轻质高强混凝土的试验研究

2021-01-06毛雨琴王小雨朱路平

上海第二工业大学学报 2020年4期

毛雨琴, 王小雨, 朱路平, 崔晏

(1.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;2.攀枝花学院材料工程学院,四川攀枝花617000)

0 引言

轻质高强混凝土(High-strength light weight concrete,HSLC)具有质轻、高强、耐久性好、无碱骨料反应、体积稳定性好、保温隔热性能良好等优点[1],可广泛应用于大跨度桥梁、城市立交桥、海工构筑物、高层建筑等工业与民用建筑,具有很好的经济价值。自上世纪60年代以来,HSLC在世界范围内获得了长足的发展和应用,目前已成世界混凝土技术的发展方向之一。随着经济快速发展,世界各国对混凝土的需求量越来越大,我国的混凝土年用量已经达到了70亿t,占世界的45%以上。作为混凝土重要组成部分的水泥,在生产过程中的能源和环境问题十分突出。因此,迫切需要发展绿色高性能混凝土以实现社会的可持续化发展。近年来,高性能生态环保型HSLC的制备受到了国内外学者的广泛关注。其中,粉煤灰替代水泥来制备HSLC的研究引起了人们的极大重视。

粉煤灰作为燃煤电厂的副产品,具有量大、价廉的特点。我国每年燃煤电厂排放的粉煤灰约为1.2亿t,当前处理粉煤灰主要有建立贮灰场储灰和粉煤灰综合利用两种方式,直接长期堆放粉煤灰不仅占用大量的土地,还会破坏土壤的酸碱平衡,影响动、植物的生存空间[2-4]。国外已对粉煤灰的综合利用开展了相当多的研究,其中,法国对粉煤灰的利用率高达75%,德国的利用率为65%,而我国的利用率相对较低,加强粉煤灰的综合利用迫在眉睫[5-6]。粉煤灰作为一种工业固废,将其添加至混凝土中,不仅可以填充混凝土内部的孔隙,提高混凝土的抗渗性,而且还能极大地减少混凝土搅合过程中的用水量、降低混凝土早期的干燥收缩,提高其抗压强度和耐久性。此外,粉煤灰对于混凝土的密实性也有很大提升作用。根据国家标准(《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2005)),粉煤灰分为多个品级,我国燃煤电厂产生的粉煤灰大多品级较低,能够达到I、II级别的非常少。为提高其品级,通常需要进行脱碳、研磨等处理,这在一定程度上增加了生产成本,延长了生产周期,推高了粉煤灰资源综合利用的门槛[6]。因此,将低品质粉煤灰直接添加到混凝土中,并通过合理的配比设计来制备HSLC,不仅可以减少土地占用、降低环境危害,而且还能减耗增效、节约成本,达到资源可持续化发展的要求,具有较高的经济和社会效益。

本文以粉煤灰和页岩陶粒为主要的原材料通过合理的配比设计,制备了HSLC,并对其相关性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验器材:电子桌秤(最大称量5 kg,分度0.5),搅拌机(转速90 r/min),震动台(频率2 860次/min),HBY-40B混凝土标准养护箱,FSY-150A水泥细度负压筛析仪,YAW—300C型微机控制恒应力水泥压力试验机(最大负荷2 000 kN),混凝土模具(100 mm×100 mm×100 mm),泥抹子,砖刀,毛刷等。

主要试剂:700级页岩陶粒,铝酸盐水泥,F级粉煤灰,PY一型高效减水剂,硅灰,漂珠,自来水。

1.2 试验方案

HSLC的配合比设计要求与普通混凝土的要求相同,参照行业标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)[7]得到的试验数据,如表1所示。

本试验以3个100 mm×100 mm×100 mm的用量进行实验,具体的配合比数据见表2。

所得试块在HBY-40B混凝土标准养护箱中养护28 d(温度(20±3)℃,湿度大于90%),然后测量其抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 水灰比对HSLC的影响

在一定的荷载作用下,试件表面首先会发出微小的裂开声,随着荷载力增加,立方体试件会出现竖向的裂纹,然后裂纹逐渐贯穿整个试件,最后完全破裂。从每组试块中任意选取两块对其进行最大荷载测量。按照行业规定[7],配制强度可由下式计算:

式中:fcu,0-混凝土的配制强度,MPa;fcu,k-混凝土立方体抗压强度标准值,MPa;σ-混凝土强度标准差,σ的取值可按表4取用。1.645-强度保证系数,其对应强度保证率为95%。

由于HSLC要求混凝土的强度等级不小于CL30,因此混凝土强度标准差σ应取6.0。当混凝土立方体抗压强度标准值为55 MPa时,根据式(1)HSLC的配制强度fcu,0=fcu,k+1.645σ=55+1.645×6=64.87 MPa,其平均抗压强度如图1所示。从中可以看出,当水灰比相同,粗、细骨料的用量不同时,试块的抗压强度有较大的差别。当细骨料与粗骨料质量之比为1:1.5时,混凝土试块的抗压强度较高,都达到了50 MPa以上,说明当粗、细骨料达到一定比例之后,混凝土的抗压强度升高。主要由于粗、细骨料与水泥有较好的相容性,能较好地减少混凝土试块的孔隙率,从而增加试块的抗压强度,即材料的结构越密实,抗压强度越高。此外,所有试块的平均抗压强度均未达到配制fcu,0,这可能与试块制备过程中的搅拌方式、环境的温度、湿度、试件的形状尺寸、所加荷载的大小及试块表面状态等有关。

表1 HSLC的配合比设计Tab.1 Mix proportion design of the HSLC

表2 HSLC各组分的用量Tab.2 Dosage of each component of the HSLC

表3 混凝土强度标准差σ值Tab.3 Strength standard deviation σ value of concrete

表4 硅微粉的化学成分Tab.4 Chemical composition of the silica powder %

图1不同试块的平均抗压强度图Fig.1 Average compressive strength of the different test blocks

图2 所示为不同水灰比(W/C)时,不同试块的平均抗压强度图。从中可以看出,在同种水泥的条件下,混凝土试块的抗压强度主要取决于水灰比。通常,水泥水化时所需的结合水只占水泥质量的23%左右,在拌制混凝土拌和物时,为了达到所需的流动性,往往采用较大的水灰比。混凝土硬化后,试块中多余的水分残留在混凝土内部形成气泡,或者蒸发后在试块表面形成气孔,从而在混凝土的内部及表面形成孔隙,这会降低混凝土抵抗外力的能力。因此,当满足和易性要求的混凝土的水灰比越大时,混凝土的抗压强度越高。如果在实验过程中加水太少,即水灰比过小时,拌和物则过于干硬,从而使混凝土中出现较多的孔洞,抗压强度反而有所降低。

图2水灰比不同时试块的平均抗压强度Fig.2 Average compressive strength of the test blocks with different water cement ratio

2.2 水泥品种对HSLC的影响

图3 所示为水灰比相同时,不同品种的水泥对混凝土试块抗压强度的影响。其中A、G试块使用的是强度等级较高的铝酸盐水泥,而H、I试块使用的是42.5R的硅酸盐水泥,A和H(或G和I)试块除了所用水泥的品种不同外,其余原材料均相同。从图可以看出,使用铝酸盐水泥的试块抗压强度明显高于硅酸盐水泥的试块。因此,在配合比相同的前提条件下,实验过程所用到的水泥强度等级越高,所制备出来的混凝土强度越高。

图3不同水泥品种下试块的平均抗压强度Fig.3 Average compressive strength of the test block with different cement types

2.3 硅微粉/漂珠对抗压强度的影响

图4 所示为相同水灰比的条件下,不同硅微粉/漂珠下试块的平均抗压强度图。由图可以看出,E与C试块的平均抗压强度值相差很大。E与C试块的最显著区别在于原材料中是否添加了漂珠(见表2),其中E试块添加了漂珠,而C试块没有。漂珠作为一种减轻剂,在配制HSLC的过程添加漂珠,通常有利于减轻混凝土试块的表观密度。然而,作为一种硅质的空心球体,漂珠自身的强度通常比较低,不能经受长时间的摩擦与碰撞,这就使得只添加漂珠的HSLC试块的抗压强度明显低于不添加漂珠的HSLC试块。

对C、E、G试块的组成成分进行分析发现,G试块和C、E试块的区别在于是否采用了矿物掺和料的复掺技术,G试块采用了“硅微粉+漂珠”的复掺技术,其中,m(硅微粉)/m(漂珠)=0.091/0.091,而C和E试块则分别采用的是硅微粉和漂珠的单掺技术。矿物掺和料的化学成分如表4所示。

在HSLC的配制过程中,矿物掺和料这种工业废料起着不可替代的作用。一方面可以保护环境,另一方面可以改善混凝土的力学性能等。在水灰比相同的情况下,采用复掺技术对于HSLC的相关性能极为重要。G试块硅微粉的掺量为水泥用量的5%,而C试块的掺量为水泥用量的10%,E试块没有加入硅微粉。由于硅微粉具有很强的火山灰活性,可以用于配制高强、超高强混凝土,其掺量通常为水泥用量的5%,而在配制超高强混凝土时,掺量可达20%左右。由图4可以看出,掺入的硅灰越多,混凝土试块的抗压强度越高。而添加漂珠有利于HSLC试块轻质化,但一定程度上会降低试块的抗压强度。因此,需在兼顾高抗压强度的同时,适当轻质化,从而使配制的HSLC满足实际应用的要求。目前HSLC的研究大都集中于单掺的方法,对于复掺两种或两种以上矿物的研究较少。复掺法在普通混凝土的配制中能够产生很好的“叠加效应”,对于复掺法能否对HSLC产生相同的效果,以及在什么范围内达到最佳效果等,值得进行深入的探究。

此外,对于HSLC的研究还需从多方面进行考虑,如外加剂量的调节;粉煤灰陶粒混凝土的抗冻性能、抗渗性能;粉煤灰陶粒混凝土的疲劳试验等,从而实现HSLC性能的最优化。