大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比设计与性能

大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比设计与性能张晓喜,刘成松(武汉供电设计院有限公司,武汉430070)摘　要:　将大掺量粉煤灰高性能混凝土作为一种新材料,对其配合比设计进行了介绍,同时对比了大掺量粉煤灰高性能混凝土同普通混凝土在性能方面的差异,包括工作性、强度、变形性能和耐久性。

关键词:　粉煤灰;　混凝土;　配制;　性能Mixing and Properties of Large Dosage Fly Ash HighPerformance ConcreteZHA N G Xiao2xi,L IU Cheng2song(Wuhan Power Supply Design Institute Ltd,Wuhan430070,China)Abstract:　In this paper,the specialties and mixing method of large dosage fly ash high performance concrete as a new kind of concrete are summarized.The differences in properties between large dosage fly ash high performance concrete and OPC are compared,including the workability、strength and durability.K ey w ords:　fly ash;　concrete;　mixing;　properties 开发低水泥用量、高耐久性的混凝土是混凝土21世纪发展的方向和未来。

1990年美国首先正式提出“高性能混凝土”是一种新型高技术混凝土,其胶凝材料中要求掺加活性矿物掺合料。

20世纪80年代,人们认识到粉煤灰作为混凝土活性掺合料,具有3大有利效应:即形态减水效应,火山灰活性效应及微集料效应。

此后,研究粉煤灰作为活性掺合料以生产高性能混凝土便成为混凝土技术研究的一大热点。

1985年加拿大首先研究了粉煤灰占胶凝材料总体积55%～60%的高性能混凝土,从而掀起了大掺量粉煤灰高性能混凝土研究的高潮。

我国拥有丰富的粉煤灰资源,但长期以来我国粉煤灰在混凝土中利用率很低,东部地区粉煤灰取代水泥率不超过25%,中部地区粉煤灰取代水泥率不超过15%,西部混凝土技术落后的地区,粉煤灰取代水泥率甚至为零,与国外大掺量的差距甚远,究其原因,我国粉煤灰质量变异性大是一方面,更主要原因在于工作人员对大掺量粉煤灰高性能混凝土的配制及性能认识不足,因而有必要加强对大掺量粉煤灰高性能混凝土的认识。

1　大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比设计 正确的混凝土配合比设计是混凝土质量保证的前提。

以往粉煤灰混凝土配合比设计都是在一个已经确定不掺粉煤灰混凝土配合比基础上,采用一定量的粉煤灰等量或超量取代水泥,这样的配合比设计将粉煤灰和水泥等同看待,而没有充分考虑到两者之间的差异。

大量研究资料表明:粉煤灰对不同龄期混凝土强度的贡献同水泥是不一致的,此外,粉煤灰对混凝土强度的贡献还同水胶比密切相关(一般随着水胶比的减小,粉煤灰对不同龄期混凝土强度的贡献随之增加)。

因而采用以往的配合比设计方法对大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比进行设计时显然已经不再合适。

关于大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比的设计,英国Dunstan[4]提出了一种新的理念,他将粉煤灰做为一种单独的组分,将混凝土的水胶比、灰胶比(粉煤灰2胶结料比,FΠC+F)和强度建立了一个三维模型(见图1)。

这样进行大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比设计时就充分考虑了62粉煤灰和水泥之间的性质差异以及水胶比对强度影响的差异。

如图1所示,等水胶比平面显示当水胶比不变时R 28-F Π(C +F )的关系,即粉煤灰掺量增加时,混凝土强度下降;等强度平面显示达到相同强度时(W Π(C +F )-F Π(C +F ))的关系(图中阴影部分所示),即增加粉煤灰掺量时,要相应降低水胶比,以保证混凝土强度不变。

图1　R 282F Π(C +F )2W Π(C +F )三维关系图[4]2　大掺量粉煤灰高性能混凝土性能研究2.1　大掺量粉煤灰高性能混凝土拌合物性质大掺量粉煤灰高性能具有良好的粘聚性,能减少泌水。

同时,其和易性与粉煤灰的质量、外加剂品种及掺量等关系密切。

总的来说,只要大掺量粉煤灰混凝土的配合比恰当,搅拌时间充分,其工作性能够满足工程不同工程的要求。

当所设计的大掺量粉煤灰高性能混凝土需要引起时,粉煤灰的烧失量对引气效果非常显著,高掺量与高碳量结合,会使引气变得很困难。

即使是用低含碳粉煤灰配制的大掺量粉煤灰高性能混凝土,引气后的气泡保持能力也相对较差。

因此,对于引气的大掺量粉煤灰高性能混凝土,需要通过适宜的施工工艺措施确保大掺量粉煤灰高性能混凝土入仓后的含气量满足设计要求。

如果不考虑外加剂的影响,大掺量粉煤灰高性能混凝土的凝结时间和以往低掺量粉煤灰混凝土一样,随掺量增加凝结时间有所延缓,延缓的程度与水泥品种,粉煤灰的品质有关。

大掺量粉煤灰高性能混凝土通常还同时掺用高效减水剂或引气剂且计量较大,因此,凝结时间还受高效减水剂或引气剂用量的影响,当它们用量非常大时,大掺量粉煤灰高性能混凝土有时1d 乃至2d 都不能拆摸。

但使用活性激发剂可明显加快凝结时间,使其与普通混凝土的凝结时间基本相同。

此外,温度对大掺量粉煤灰高性能混凝土凝结时间及早期强度的影响,比普通混凝土和低掺量粉煤灰混凝土更为显著。

2.2　大掺量粉煤灰高性能混凝土强度一般而言,混凝土中掺粉煤灰后,其早期强度一般会随掺量的增加而降低。

但大掺量粉煤灰高性能混凝土中各组分的配比可以有较大的灵活性,因此同样可以配制出早期强度高的大掺量粉煤灰高性能混凝土。

同普通混凝土相比,大掺量粉煤灰高性能混凝土28d 后强度还有很大的增长。

此外,大掺量粉煤灰高性能混凝土强度发展同温度密切相关,温度高,其强度发展很快,基本与普通混凝土强度发展速度同步;温度低,强度发展速度远低于普通混凝土。

2.3　大掺量粉煤灰高性能混凝土变形性能大量工程实际表明,混凝土出现开裂80%是在承载之前。

即混凝土在承载之前,混凝土变形受到约束作用产生应力,当产生的应力超过混凝土自身抗拉强度时,即产生开裂。

因此混凝土的早期变形性能越来越收到人们的重视。

混凝土早期变形性能主要包括温度变形、收缩变形和徐变变形。

大掺量粉煤灰高性能混凝土含有大量粉煤灰,其水化放热导致的自身温升比普通硅酸盐水泥低得多,而且同普通水泥混凝土有明显的温峰且达温峰后温度下降相对较快相比,大掺量粉煤灰高性能混凝土得温降不太明显且达到最大温度后温度不会快速下降,因而温度变形小;此外,大掺量粉煤灰高性能混凝土弹性模量同普通混凝土相当,其收缩变形和徐变都低于普通混凝土。

因此,可以认为大掺量粉煤灰高性能混凝土具有很好的抗裂性。

2.4　大掺量粉煤灰高性能混凝土耐久性大掺量粉煤灰高性能混凝土的孔径分布与普通混凝土不同,大孔数量较少,渗透系数很小,一般在1.6×10-14～5.7×10-14m Πs ,具有很强的抗离子渗透能力。

大掺量粉煤灰高性能混凝土抗氯离子能力随龄期而变化,强度越高,氯离子渗透性越低[5]。

文献[6]的试验结果表明,大掺量粉煤灰高性能混凝土28d 试件的抗水渗透性都较基准混凝土差,但90d 的试件,其抗水渗透性都好于基准混凝土,特别时掺56%粉煤灰的混凝土抗水渗透性达到最好等级。

大掺量粉煤灰高性能混凝土具有很好的抗冻融性能。

文献[7]的试验结果表明,大掺量粉煤灰高性能混凝土的耐久性系数高于对照混凝土。

但试验中72也发现大约50次冻融循环后,大掺量粉煤灰高性能混凝土有轻微的表面剥落。

文献[8]比较了大掺量粉煤灰高性能混凝土(C=150kgΠm3,FA= 190kgΠm3)与普通混凝土(C=290～340kgΠm3)的抗冻融性,所有配合比都引入了5%～7%含气量。

结果表明,大掺量粉煤灰高性能混凝土的抗冻性明显好于普通混凝土。

文献[8]研究表明,大掺量粉煤灰高性能混凝土的碳化深度均大于同养护龄期、同碳化历时的普通混凝土(水泥用量与大掺量粉煤灰高性能混凝土总胶材用量相同),随养护龄期增长,碳化深度值有所降低。

粉煤灰与水泥用量对碳化深度值具有显著影响。

当总胶凝材料为222kgΠm3时,掺55%粉煤灰的大掺量粉煤灰高性能混凝土碳化深度增长平缓,但掺70%粉煤灰的大掺量粉煤灰高性能混凝土碳化深度急剧增长;当总胶凝材料用量333kgΠm3时,掺55%粉煤灰的大掺量粉煤灰高性能混凝土碳化深度值明显降低且增长趋势平缓,掺70%时,随碳化历时的延长,碳化进程有逐渐加快的趋势。

大掺量粉煤灰高性能混凝土具有非常好的抗硫酸盐侵蚀性。

日本Kawamura M等[9]把大掺量粉煤灰高性能混凝土浸入10%的Na2SO4溶液中,通过长达2年的试验研究,发现大掺量粉煤灰混凝土能有效地改善混凝土的抗硫酸盐性能。

大掺量粉煤灰高性能混凝土能有效地抑制碱2骨料反应,即使在一些严酷的条件下也是如此。

Malhotra等的研究表明,粉煤灰掺量为58%的大掺量粉煤灰高性能混凝土大大降低了混凝土的膨胀[10]。

大掺量粉煤灰高性能混凝土的抗除冰盐能力较差。

文献[11]用8种粉煤灰制作的大掺量粉煤灰高性能混凝土板状试件进行除冰盐试验,结果除5号混凝土在50次冻融循环后表现等级为4级外,其余的混凝土经过50或100次冻融循环后表现等级均为5级。

根据ASTM标准,4级与5级分别对应于中毒剥落和严重剥落。

2.5　大掺量粉煤灰高性能混凝土的养护和龄期Swamy等[12]通过研究认为,大掺量粉煤灰高性能混凝土可以用于结构混凝土和大体积混凝土。

养护湿度对大掺量粉煤灰高性能混凝土的性能是很重要的。

Vandewalle等[13]的研究结果也显示,大掺量粉煤灰砂浆,相比于普通混凝土砂浆和低掺量的粉煤灰砂浆对养护湿度更为敏感,较长时间潮湿养护有利于大掺量粉煤灰高性能混凝土的强度发展,特别是长期强度的发展。

文献[14]的试验结果表明,养护龄期对混凝土的干缩有很大的影响,当湿养护14d时,掺粉煤灰的各组混凝土的试件的早期干缩率与未掺粉煤灰的相近,直至后期如180d时,未掺粉煤灰的混凝土的干缩率才略大于各组HVFAC;湿养护28d时各组大掺量粉煤灰高性能混凝土的收缩率明显地小于未掺粉煤灰的混凝土,90d时干缩率可减小15%以上;当湿养护时间长达60d时,大掺量粉煤灰混凝土的收缩率更小,而且到后期,无粉煤灰混凝土的干缩率仍有继续增大的势头,而大掺量粉煤灰混凝土至干缩时间60d后干缩基本不再明显发展。

文献[15]的工程应用表明,采用“及时而充分”的湿养护,可有效预防或大大减少混凝土收缩裂缝的产生。