粉煤灰品质及掺量对水工混凝土耐久性的影响研究

陈海旭

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司,辽宁 朝阳 122000)

将适量粉煤灰掺入水工混凝土中能够有效减少水化放热,有利于抑制温度裂缝的形成与发展,研究粉煤灰对水工混凝土的影响规律极具现实意义[1]。工业活动产生的粉煤灰污染问题日趋严重,粉煤灰的使用既能改善混凝土的性能,又可以减轻环境污染,实现工业废料的充分利用[2-3]。粉煤灰主要通过以下途径改善混凝土的性能:①粉煤灰的形态效应可以减少单位用水量,在保证硬化强度的条件下降低水泥用量和水化升温,减小温度裂缝的形成概率,具有一定的致密效应和水势能;②火山灰效应能够增强后期强度,具有一定的反应势能;③粉煤灰的微集料效应能够降低混凝土的有害孔比例,优化孔隙结构,提高混凝土密实性、黏结强度和抗裂性能,具有一定的致密势能和骨架作用。有研究表明,粉煤灰混凝土具有强度增长持续时间长、早期强度低而后期高的特点。掺粉煤灰水工混凝土相较于普通混凝土其胶凝组分发生一定变化,粉煤灰被看作独立组分参与反应,目前高效减水剂和高质量粉煤灰的研发应用为研究性能优异的粉煤灰水工混凝土创造了条件[4]。鉴于此,文章不同粉煤灰品质及掺量对拌合物工作性、混凝土抗渗性和抗压强度的影响规律,为合理确定粉煤灰最优掺量以及充分发挥其火山灰、微集料和形态效应提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

1)水泥:试验选用华新P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,水泥的物理力学性能,见表1。

表1 水泥的物理力学性能

2)粉煤灰:鞍山火电厂生产的F·Ⅰ级和F·Ⅱ级粉煤灰,粉煤灰的主要性能指标,见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

3)粗、细骨料:试验选取人工机制砂和粒径5～31.5mm的花岗岩碎石,集料的物理力学性能,见表3。

表3 集料的物理力学性能

4)减水剂:科之杰聚羧酸高效缓凝减水剂,减水剂主要性能指标,见表4;拌合水用当地自来水。

表4 减水剂主要性能指标

1.2 试验方案

根据《水工混凝土配合比设计规程》和研究目的合理设计配合比,保持试验组与基准组水胶比(0.4)、砂率(0.42)和减水剂掺量(1.0%)不变,采用F·Ⅰ级和F·Ⅱ级粉煤灰等量替代10%、20%、30%、40%、50%的胶凝材料,试验配合比及拌合物性能,见表5。

表5 试验配合比及拌合物性能 kg/m3

1.3 测试方法

本研究依据现行试验规程评定拌合物的工作性能,参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》将拌合物制成100mm×100mm×100mm的试件,室内静置24h后拆模移入相对湿度>95%、温度(20±2)℃的环境中养护,测定7d、28d和56d龄期的抗压强度。采用渗水高度法按照现行试验标准,测定标养28d的各组试件抗渗性能。

2 结果与分析

2.1 拌合物工作性能

本试验通过观察拌合物流动性、测定其坍落度、辅以振捣和目视等其它手段评价混凝土保水性及黏聚性,综合评定新拌混凝土工作性能,不同掺量及品质粉煤灰混凝土坍落度测试结果,拌合物坍落度试验数据,见图1。

图1 拌合物坍落度试验数据

结果表明,掺F·Ⅰ级粉煤灰整体高于基准混凝土的坍落度,随F·Ⅱ级粉煤灰掺量的增加拌合物坍落度表现出先上升后下降的趋势,F·Ⅱ级粉煤灰掺量≥30%时的坍落度低于基准混凝土。全面分析产生这种变化的原因如下:①粉煤灰中存在大量玻璃微珠,这些微珠具有“形态”效应,能够有效减小基体中各材料的摩擦力,改善其流动性;②颗粒细小的粉煤灰能够填充水泥颗粒之间的孔隙,从而释放出孔隙内的水分,增加表层水和有效拌合水,所以适量粉煤灰的掺入可以发挥一定的“微集料”效应,增大拌合物坍落度;③F·Ⅱ级粉煤灰具有较高的需水量比和较大的烧失量,这使得水泥基体吸附减水剂的作用增强,相当于降低的减水剂的作用效果[5-6]。所以,掺量≥30%时掺F·Ⅱ级粉煤灰混凝土的坍落度减小。

针对表5拌合物和易性评价结果,从微观上分析粉煤灰的作用机理[7]:①掺量≤30%时掺F·Ⅱ级粉煤灰混凝土的和易性优于基准混凝土,这是因为粉煤灰发挥着“微集料”与“形态”双重效应,掺入一定量的粉煤灰能够改善拌合物流动性;②掺量>30%时拌合物黏聚性下降,并且可以观察到浆体下沉、粗骨料上浮的现象,这是因为随着掺量的进一步提高,分布在浆体内的大量玻璃微珠使得拌合物极度光滑,加之粉煤灰的“形态”效应可以减小各材料间的摩擦力,使得拌合物的骨料包裹能能力下降,从宏观上表现为浆体下沉、粗骨料上浮的现象;③掺量≤20%时F·Ⅱ级粉煤灰可以改善拌合物和易性,而掺量>20%时拌合物黏聚性增大,流动度快速下降,插捣难度明显增大,这是因为水泥密度大于粉煤灰,粉煤灰等量替代水泥时增大了胶凝材料的总表面积,加水形成的浆体絮凝结构难以分散,显著影响着其流动性,加之F·Ⅱ级粉煤灰的分散和润滑能力较差,在减水剂用量和用水量相同的条件下浆体更加黏稠,插捣难度增加。

2.2 力学性能

对不同掺量及品质粉煤灰混凝土的7d、28d、56d龄期抗压强度测试数据进行分析,混凝土抗压强度试验值,见图2。从图2可以看出,试验组7d、28d抗压强度小于基准组,且粉煤灰掺量与强度之间存在负相关关系。56d龄期抗压强度随掺量的增大呈先上升后下降的变化特征,掺20%粉煤灰时的强度最高,掺F·Ⅰ级整体高于F·Ⅱ级粉煤灰的强度。全面分析引起这种变化的原因如下[8]:①粉煤灰等量替代水泥相当于减少了胶凝体系中的水泥用量和参与早期水化的水泥熟料,可以提供早期强度水化产物不足;②随着时间的推移粉煤灰开始发挥“火山灰”效应,即粉煤灰中的Al2O3及活性SiO2能够与水化反应生成的Ca(OH)2反应生成大量水硬性物质,从而使得后期抗压强度提高;③F·Ⅰ级小于F·Ⅱ级粉煤灰的细度,细度越小意味着比表面积越大即参与二次水化越充分。所以,对于混凝土强度F·Ⅰ级粉煤灰的增强作用更显著。

图2 混凝土抗压强度试验值

2.3 抗渗性能

对不同掺量及品质粉煤灰混凝土渗水高度测试数据进行分析,混凝土28d渗水高度数据,见图3。从图3可以看出,水工混凝土掺20%粉煤灰时的渗水高度最小,说明该掺量下的抗渗性最优,掺量超过20%则抗渗性能逐渐下降。水泥基体中存在互相连接的孔隙通道是导致混凝土渗水的主要原因,而内部水分蒸发等许多因素均会造成这些孔隙[9]。因此,如何增大混凝土密实度是增强其抗渗性能的关键,粉煤灰掺量越高则水泥水化产物越少,当水化产物无法填满内部孔隙时就会导致孔隙率偏高,不利于抗渗性能的提升。然而,粉煤灰中的细小颗粒也发挥着一定的“微集料”效应,这种效应可以优化胶凝体系的级配关系,减少内部毛细孔通道,增大密实度,优化水泥基体的内部结构[10-12]。所以,掺20%粉煤灰所形成的胶凝体系级配最优,该条件下粉煤灰对抗渗性的改善作用占主导地位;粉煤灰掺量>20%则其“微集料”效应无法弥补不利作用,该条件下水化产物减少所产生的内部孔隙增大作用占主导地位。

图3 混凝土28d渗水高度数据

3 结 论

1)水工混凝土掺入适量粉煤灰有利于改善拌合物和易性,掺20%粉煤灰时拌合物和易性最优,掺量超过30%则和易性受粉煤灰影响较显著。不同龄期的抗压强度受粉煤灰的影响存在一定差异,随粉煤灰掺量的提高7d、28d强度逐渐减小,56d龄期抗压强度则表现出先上升后降低的变化趋势,掺20%粉煤灰时的力学性能最优。

2)随粉煤灰掺量增加水工混凝土抗渗性能表现出先下降后上升的变化趋势,掺20%粉煤灰时的抗渗性能最优。综合考虑和易性、抗渗性和抗压强度,最终确定水工混凝土最优粉煤灰掺量为20%。