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超细粉煤灰与粉煤灰混凝土力学性能对比试验研究
云氟2021-12-10 365


编辑:姚韦靖 庞建勇 编辑:云南氟业


当今,作为土木工程用量最大的材料——混凝土,其中水泥作为其最主要的组成部分,用量之大不言而喻。随着社会的发展,自然资源开发日益加剧,更加要求土木行业能够节约、合理利用资源,研究开发新的产品来替代建筑材料。国内,由吴中伟院士首次提出“环保型胶凝材料”和“绿色高性能混凝土”的概念,即在保证混凝土性能的前提下,大量利用工业废渣来代替水泥的建议,为“变废为宝”指明了方向。



而本文使用的超细粉煤灰,是一种具有更细粒度的特殊粉煤灰,通过试验,对比了两种粉煤灰混凝土的综合性能,超细粉煤灰比粉煤灰混凝土具有更大的优势,更能有效降低水泥用量,满足当前提出的绿色、环保、节约要求。


1 材料与增强机理概述


1.1 粉煤灰与超细粉煤灰


粉煤灰:煤燃烧后烟气中收集的细灰,是燃煤电厂排出的工业废料。


超细粉煤灰:是由粉煤灰经过分级、筛选而来,其细度介于普通硅酸盐水泥和硅灰之间,本文使用的超细粉煤灰直径小于32μm。


1.2 超细粉煤灰增强机理


超细粉煤灰作为优质的外加剂,理论上可以等量取代水泥,由于其直径较水泥小,形成更好的颗粒级配,其增强机理如下:


(1)填料效应:超细颗粒有效填充于混凝土的空隙之中,孔隙率降低,密实度增加,提高混凝土强度。


(2)活化效应:粉煤灰中活性成分SiO2和Al2O3与水化过程中产生的Ca(OH)2反应,生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体。


(3)减水效应:可以证明,胶凝材料颗粒越细,混凝土的初始流动速度越大,流动度相同时,水灰比可降低7%~9%。


具体作用过程为:首先,粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2反应。生成的水化铝酸钙胶凝和水化铝酸钙晶体,具有胶凝性质,填充于骨料间使混凝土结构更加紧密;反应过程中消耗了Ca(OH)2,使混凝土碱度降低,更有利于水化铝酸盐的形成,形成火山灰效应,即后期强度增长明显,甚至可以超过同级别混凝土强度;同时,产生微骨料效应,超细粉煤灰的超细颗粒一方面可以填充空隙裂缝,改善孔结构的同时亦提高了密实度,另一方面,未参与水化反应的颗粒分散于胶凝体中也起了骨架的作用;最后,具有形态效应,由于粉煤灰中存在大量球状玻璃微珠,在水泥颗粒间起到润滑的作用,混凝土的流动性因此提高。


2 试验与试件制备


本文采用正交试验方法,分别使用超细粉煤灰和粉煤灰,配制了三种不同强度的混凝土,即C25、C30、C35,测试其28d的抗压、抗拉强度,经对比分析,验证了超细粉煤灰具有更大的优势,即在保证混凝土使用要求的前提下,不仅节约了水泥,还改善了混凝土的综合性能。


2.1 试验材料


水泥:42.5级普通硅酸盐水泥。


粉煤灰:淮南某电厂生产的Ⅰ级粉煤类,其化学成分见表1。

超细粉煤灰:淮南某企业生产的超细粉煤灰,其直径分布在32μm以下,其化学成分见表2。

砂:中砂,细度模数2.8,含泥量低于0.85%。


石子:碎石,粒径为5-18mm。


减水剂:萘系高效减水剂,掺量是胶凝材料的0.75%。


2.2 试验配合比设计


采用正交试验方法设计,在一般混凝土配比基础上,考虑超细粉煤灰和粉煤灰掺量2个因素作为试验变量,具体分别为代替水泥用量的0、10%、20%、30%,设计混凝土强度等级为C25、C30、C35,分别采用水灰比为0.52、0.48、0.42,砂率为42%、41%、40%。分24组试验,具体议案见表3。


2.3 试件制作与养护


先将石子、砂搅拌1.5min,再加入水泥、减水剂、超细粉煤灰(粉煤灰)搅拌1min,待搅拌均匀,然后加水,再搅拌2min,即可入模成型(模具规格为150mm?150mm?150mm)。静置一昼夜,有一定强度后,方可拆模,在标准养护条件下养护28d,进行抗压、抗拉强度测试。

3 试验数据结果与分析


3.1 试验结果


各配比的抗压强度和抗拉强度数据见表3。


3.2 试验结果分析


根据表3分别绘制出超细粉煤灰(粉煤灰)掺量相同时,C25、C30、C35混凝土28d抗压强度对比图,如图1~图3所示。


3 试验数据结果与分析


3.1 试验结果


各配比的抗压强度和抗拉强度数据见表3。


3.2 试验结果分析


根据表3分别绘制出超细粉煤灰(粉煤灰)掺量相同时,C25、C30、C35混凝土28d抗压强度对比图,如图1~图3所示。

由图1~图3可以看出,混凝土设计强度相同时,随着粉煤灰掺量的增加混凝土抗压强度随之降低,可以看出,粉煤灰混凝土掺量在16%以下,而超细粉煤灰混凝土掺量在20%以下时,强度下降较缓,既可以保证混凝土抗压要求,又能有效减少水泥用量。


对比数据及上图,可以发现超细粉煤灰混凝土的曲线明显在粉煤灰混凝土上方,且超细粉煤灰混凝土的强度变化幅度小于粉煤灰混凝土的强度变化幅度,这说明超细粉煤灰比粉煤灰在混凝土抗压强度的影响上有更明显的优势,可以增大掺入量,更有效代替水泥,提高抗压强度。究其原因,这是因为拥有更细小颗粒的超细粉煤灰,有更大的比表面积,和水泥中的Ca(OH)2反应更充分。而且更细的颗粒,使反应物中浆体的密实度和强度也更大,有利于提高混凝土强度。


根据表3分别绘制在超细粉煤灰(粉煤灰)掺量相同时,C25、C30、C35混凝土,28d抗拉强度对比图,如图4~图6所示。

由图4~图6可以看出,混凝土设计强度相同时,与抗压强度类似,随着粉煤灰掺量的增加

抗拉强度随之降低,可以看出,粉煤灰掺量在16%以下,超细粉煤灰掺量在20%以下时,强

度下降较缓,可以保证混凝土抗拉强度要求的同时,又能有效减少水泥用量。


对比数据及上图,与抗压强度曲线类似,超细粉煤灰混凝土的曲线依然在粉煤灰混凝土上方,且变化幅度较小,说明超细粉煤灰对于混凝土抗拉性能的影响优于粉煤灰。其原因与上述抗压强度原因类似,在此不累述。


综上,在抗压、抗拉强度两方面,超细粉煤灰均较粉煤灰具有更大的优势,在试验过程中还发现,超细粉煤灰混凝土的流动性明显优于粉煤灰混凝土,可塑性和黏聚性也更好,能很好地入模成型,早期的拆模强度也较高,这是因为细小的颗粒水化反应更容易、更充分,不仅提高了流动性、可塑性和黏聚性,对于早期强度的提高也很有利。


3.3 经济综合性能分析


由上述强度对比,可以明显看出超细粉煤灰在满足同等强度条件下,可比粉煤灰多掺入5%左右,节约5%的熟料用量。同时,在生产实际中,超细粉煤灰也拥有明显优势,包括:工作性好,新拌混凝土坍落度高,保水性、可塑性好,泌水少;耐久性好,抗硫酸盐腐蚀,抗萎缩,抗氯盐渗析,抗海水侵蚀,抗碳化,抗碱集料反应;强度高,能显著提高混凝土的后期强度,耐磨性好,与钢筋结合力强;水化热低,有益于防止大体积混凝土内部升温引起的裂缝;同时,还具有节约水泥资源,减少二氧化碳排放的环境效益和改善混凝土外观,使其颜色均匀一致的美观效果。


基于以上分析,超细粉煤灰应用于混凝土中,不仅明显改善混凝土性能,还能有效节约资源,在价格上虽高于普通粉煤灰,但随着加工工艺的提升,建设环境友好型社会的需要,其经济效益和综合性能将愈加明显可观。


4 结论


(1)由试验分析,得出超细粉煤灰和粉煤灰掺量对抗压、抗拉强度的影响,皆随着掺量的增加而降低,合理掺量为粉煤灰混凝土掺量在16%以下,超细粉煤灰混凝土在20%以下时,强度下降速率较低,可以满足使用要求。


(2)由数据对比,超细粉煤灰混凝土的抗压、抗拉强度明显优于粉煤灰混凝土,且流动性和早期强度也更好,可以在保证混凝土的使用要求时,掺入量更大,既提高混凝土的综合性能,又有效减少水泥用量。



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