大掺量粉煤灰水工混凝土早期强度分析

高立新

(岫岩满族自治县水利事务中心,辽宁 鞍山 114300)

0 引 言

将粉煤灰作为水泥替代材料掺入混凝土中,可以降低水化热以及抑制大体积混凝土裂缝的形成,粉煤灰的应用既能改善混凝土性能,还有利于减少工业活动造成的环境污染[1-3]。一般条件下,粉煤灰多被应用于以下场景:大掺量替代水泥配制大体积水工混凝土,即长期强度处于25～35MPa的混凝土;道路基层或强度要求较低的回填部位大量掺用以及替代少量水泥的结构混凝土中。研究发现,粉煤灰可通过以下途径改善混凝土性能:其形态效应能够减少用水量,在不降低强度的情况下节约水泥用量,减小温度裂缝的形成概率及水化温升速率;其火山灰和微集料效应能够增强后期强度,减少水泥基体内有害孔比例,增大水泥基体的致密性,且水化作用还可以增强基体黏结强度和抗裂性能[4-5]。然而,早期强度偏低限制了粉煤灰在实际工程中的使用,要提高粉煤灰利用率就必须改善早期强度。例如,赵群等试验探究了粉煤灰早期强度受粉煤灰掺量的影响规律,结果表明混凝土早期性能具有较大波动,该研究为了解和认识早期材料性能及解决早期强度问题提供了思路[6]。

预应力混凝土的生产效率及混凝土施工进度主要取决于早期强度的发展情况,广大学者越来越关注早期强度研究。水工结构设计大多以28d强度为依据,由于早期强度偏小,因此结构明确限制了掺量界限[7]。现行技术规程规定粉煤灰掺量区间为15%～20%。近年来,因具有低热、节能等优点大掺量粉煤灰混凝土逐渐成为研究热点,如何提高粉煤灰掺量和混凝土早期强度就显得非常重要。实践表明,粉煤灰混凝土具有强度增长持续时间长、后期强度高而早期强度低的特点,其胶凝组分重心与普通混凝土相比有所偏移,粉煤灰被作为独立组分发挥相应的效应,且高效减水剂和高质量粉煤灰的研发应用为大掺量粉煤灰混凝土研究提供了条件。鉴于此,文章通过固定减水剂和引气剂掺量,以0%～50%粉煤灰等量替代水泥,采用抗压强度和坍落度试验探究粉煤灰掺量对水工混凝土早期强度、和易性及成本的影响,旨在为北方寒冷地区高性能水工混凝土最优配制方案设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1)水泥:沈阳冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥,其主要物理性能指标如表1,化学成分如表2所示。

表1 水泥的物理性能指标

表2 材料化学组成

2)粉煤灰:黑龙江火电公司生产的磨细Ⅱ级粉煤灰,灰色粉状,需水量比98%,细度21.6%,化学成分如表2。由表2可知,粉煤灰活性主要取决于Al2O3和SiO2含量,两者占比达到72%,并且较高的CaO含量使得粉煤灰活性也较高。

3)粗、细集料:大连庄沙砂石场提供的水洗砂和连续级配石灰岩碎石,碎石最大粒径40mm,压碎指标3.5%,含泥量0.12%,饱和面干密度2650kg/m3,经检测砂石料主要技术指标均符合《水工混凝土砂石骨料试验规程》中的要求,砂的性能指标如表3所示。

表3 砂的主要性能参数

4)外加剂和水:江苏苏博特SBTJM®-9系列高效减水剂和GYQ®-Ⅲ复合型高效引气剂,养护水及拌和水均使用当地自来水。

1.2 配合比设计

水工混凝土胶凝材料选用水泥和粉煤灰,设计胶材总量400kg,水胶比0.4,固定减水剂掺量0.8%和引气剂掺量1.0‰不变,以等质量替代的方式用0%、25%、30%、35%、40%、45%和50%粉煤灰替代混凝土中的水泥,配合比设计如表4所示。

表4 试验配合比

1.3 测试方法

参照《水工混凝土试验规程》测定拌合物的流动性和很凄凉,将拌和均匀的混凝土倒入试验装置测试扩展度和坍落度,然后利用HC-7L测定仪测试拌合物种的含气量。由于粉煤灰的存在可能降低其早期强度,应探究不同掺量粉煤灰的影响规律,按照现行规范测定边长100mm立方体试件的3d、7d、14d和28d龄期的抗压强度,每组3个,强度代表值取3个试件平均值,测试结果如表5所示。

2 结果与分析

2.1 拌合物和易性

新拌混凝土和易性受粉煤灰掺量的影响规律如图1所示。试验表明,在胶凝材料、引气剂和减水剂掺量相同的情况下,掺25%粉煤灰组明显高于基准组坍落度;掺25%～30%、35%～40%和 45%～50%粉煤灰组坍落度未发生明显改变,掺30%～35%和40%～45%粉煤灰组坍落度呈明显上升趋势。究其原因是粉煤灰相比于水泥密度更小,在质量不变的情况下用粉煤灰替代水泥,掺入的粉煤灰约为水泥体积的1.2倍,从而增大了浆体体积和拌合物流动性。结合表5种的数据,掺0.8%减水剂和1.0‰引气剂的情况下,以粉煤灰替代0%～50%水泥配制的混凝土都能够满足泵送要求。

图1 坍落度随粉煤灰掺量变化特征

采用粉煤灰等量替代水泥配制的混凝土不会产生离析或层状分离的情况,相比于基准组具有更好的稠度,但也不会过分黏稠类似于硅粉混凝土,对可饰性产生影响。有研究表明,大掺量粉煤灰混凝土不易在运输和浇筑过程中产生离析,从外观上看拌合物比较黏稠,能够明显改善和易性。试验配制的粉煤灰混凝土用水量不是很大,加之粉煤灰大于水泥比表面积具有较大的需水量,以及较好的亲和力,所以拌合物泌水性较低。

2.2 早期抗压强度

混凝土早期强度受粉煤灰掺量的影响作用如图2。

图2 早期强度随粉煤灰掺量变化特征

由图2可知,早期抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈下降趋势,掺25%粉煤灰时试件的28d强度达到40.1MPa,为基准组同龄期的83.89%;掺50%粉煤灰时试件的28d强度只有24.2MPa,仅达到基准组同龄期强度的50.63%,该条件下测定的强度值最小。这是因为水泥被大量粉煤灰替代使得水泥熟料及水化产物含量减少,粉煤灰成为混凝土中的主要胶材,水化早期粉煤灰未参与反应仅发挥微集料及物理填充效应,这种作用效应使得粉煤灰掺量与抗压强度呈负相关性,即早期抗压强度随粉煤灰掺量的增加而减小。

随养护龄期的延长试件强度不断增加,早期粉煤灰具有一定的解絮作用,该阶段水化反应持续时间长,速度缓慢,粉煤灰掺量较高时试件早期强度偏低。随着时间的推移水泥持续水化,使得Ca(OH)2含量增多激发了粉煤灰中的Al2O3和SiO2潜在活性,使其参与二次水化生成更多的Ca(OH)2与C-S-H凝胶,有利于减小水泥基体孔隙率,改善砂浆-骨料界面区的Ca(OH)2结构及整体密实度。所以,粉煤灰对于混凝土后期强度的贡献作用更明显。

2.3 经济成本

充分考虑大连地区市场材料价格,对基准组和大掺量粉煤灰组经济成本进行分析,其中胶凝材料用量不同是导致成本差额的关键,在不考虑运费的情况下分析每1m3混凝土中的胶材胶材差异,如表6所示。

表6 经济成本分析

由表6可知,粉煤灰掺量越高则混凝土节约成本越多,掺50%粉煤灰组相较于基准组可以节约72.0%的成本,实际工程中掺用粉煤灰具有非常显著的成本经济效果。综上分析,在引气剂掺量1.0‰、减水剂掺量0.8%和胶材总量400kg的条件下,粉煤灰掺量≤30%时配制的混凝土28d强度能够达到35MPa以上,掺35%～50%粉煤灰时的28d强度依然能够达到24MPa。随粉煤灰掺量增大混凝土工作性能有所改善和提升,其后期强度、耐腐蚀性、抗渗性以及密实性也优于普通混凝土[9-10]。另外,大掺量粉煤灰能够大大节约混凝土成本[11-12]。因此,北方寒冷地区水工混凝土可以掺50%粉煤灰,其主要技术指标能够达到工程设计要求。

2.4 增强机理

试验所用粉煤灰具有较好活性,经检测其CaO含量达到7.91%,水化早期会有少量CaO按方程CaO+H2O→Ca(OH)2参与反应;随着水化的持续发生,水化产物不断增多并激发Al2O3、SiO2按方程xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→xCaO·Al2O3·nH2O和xCa(OH)2+SiO2+(n-1)HO→xCaO·SiO2·nH2O参与二次反应,其中x代表1或2。水化后期粉煤灰发挥的作用与水泥相当甚至有所增强,对后期强度发展具有更显著的作用。

因此,粉煤灰中的Al2O3、SiO2会与Ca(OH)2反应生成C-A-H及C-S-H凝胶,从而增强水泥基体中的薄弱过渡区,混凝土中液相碱度的下降进一步促进了水泥水化,该化学反应表明粉煤灰对改善混凝土整体性能具有明显作用。

3 结 论

1)随粉煤灰掺量的增加拌合物坍落度呈上升趋势,其保水性、黏聚性和工作性能良好,均优于基准对照组,对实现自动化及全盘机械化混凝土配制具有重要作用。

2)随养护龄期的延长粉煤灰混凝土早期强度呈增大趋势,究其原因是早期粉煤灰只是发挥微集料效应,水化产物Ca(OH)2与其火山灰活性二次反应才能增强后期强度。

3)在引气剂掺量1.0‰、减水剂掺量0.8%和胶材总量400kg的条件下,掺入50%粉煤灰配制的混凝土28d强度不低于24MPa,主要技术指标能够达到工程设计要求,实际使用时具有较好的耐久性。在水工混凝土中加大粉煤灰利用程度,还有利于保护环境、节约成本及资源。