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复掺粉煤灰和硅灰对混凝土力学性能的影响

作者:周跃森 符聪冲 来源:建材发展导向 论文栏目:建筑工程论文     更新时间:2019-04-15   浏览

周跃森符聪冲

摘 要:混凝土的性能受多种因素的影响,掺入粉煤灰和硅灰,混凝土的性能会有明显的改善。对单掺粉煤灰、硅灰和复掺粉煤灰、硅灰对混凝土力学性能影响的研究,并展望了复掺粉煤灰和硅灰对混凝土性能的研究前景。

关键词:混凝土;粉煤灰;硅灰;力学性能

混凝土是当前用途最广、用量最大的人造土木工程材料,也是单位质量产品能耗最低的材料之一,并主要用于工程结构。众多研究表明,在混凝土中掺入矿物掺合料既能减少水泥用量也能改善混凝土的力学性能,在实际生产中应用越来越广泛。在混凝土中掺入优质的矿物掺合料,不但能取代水泥、节约能源以及减少环境污染,也被誉为混凝土的“第六组分”。例如粉煤灰是一种具有火山灰活性的矿物掺合料,在混凝土中掺入粉煤灰,将有利于其后期强度的发展。但单一的矿物掺合料对混凝土性能会产生一些不利影响,例如新拌混凝土的泌水量会变大、和易性变差、早期强度降低等,使它在工程应用中受到一些限制。如果将两种甚至多种矿物掺合料复合使用,可能会产生复合交互效应,不失为改善混凝土综合性能的有效途径。已有研究表明同时在混凝土中掺粉煤灰和矿粉,比单掺粉煤灰或矿粉具有更好的效果。

在我国,硅灰通常是作为掺合料用于混凝土产业中,不仅可节约水泥熟料,降低成本,还能减少环境污染,保护环境,此外硅灰具有很好的活性,能够很好的改善混凝土的性能。

由此,本文对不同龄期,不同水胶比,单掺和复掺粉煤灰、硅灰混凝土的抗压和抗拉强度进行了实验研究。

1 试验原材料与方案

1.1 试验原材料

1.1.1 胶凝材料

水泥:试验采用杭州海狮水泥有限公司产的普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5,其化学成分及物理力学性能如表1所示。

1.1.2 其它材料

试验所用的砂为天然河砂,属于Ⅱ级中砂,孔隙率40.2%,细度模数2.6,堆积密度1630kg/m3,表观密度2.56g/cm3;石子为5mm-25mm的碎石,堆积密度为1465kg/m3;减水剂为萘系高效减水剂,减水效率20%;水为自来水。

1.2 试验方案

①在水胶比为0.5的情况下,取砂率为34%。用粉煤灰替代0%、15%、30%以及45%的水泥,对不同粉煤灰掺量的混凝土抗拉、抗压强度进行试验研究,分析粉煤灰掺量对混凝土抗拉、压强度的影响;

②在试验①的基础上,掺入硅灰,分析复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗压、抗拉强度的影响;

③在试验①、②的基础上,分别取水胶比0.4和0.6,对混凝土抗拉、抗压强度进行研究,分析水胶比对复掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗拉、抗压强度的影响;

为了所拌制的混凝土能满足施工泵送要求,调配外加剂的掺量,使混凝土的坍落度处于160mm-180mm内。混凝土的具体配合比如表4所示。

混凝土抗压、抗拉强度的试件尺寸为150mm×150mm× 150mm,并按规范要求制作、养护,当养护龄期达到3d、7d、28d时分别测试不同配合比的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度。

2 试验结果和分析

2.1 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

从图1、图2可知,混凝土的强度随着粉煤灰掺量的变化而变化,掺入粉煤灰使混凝土的前期抗压强度均有所下降,其中FA30(0.5)和FA45(0.5)这两组降幅较明显。此外,7d龄期前掺粉煤灰的混凝土的抗压强度发展比未掺粉煤灰的慢,且掺量越大,强度增长越缓慢。但在后期,粉煤灰混凝土的抗压强度增长较快。在28d龄期时,FA15(0.5)的抗压强度甚至要大于FA0(0.5),而FA30(0.5)和FA45(0.5)的抗压强度虽增长较快,但仍旧比FA0(0.5)的低。

在劈裂抗拉强度方面,早期掺粉煤灰混凝土的抗拉强度较低,FA45(0.5)的尤其明显。后期掺粉煤灰混凝土的抗拉强度有所提高,但仍然比FA0(0.5)的要低。由此可见,劈裂抗拉强度可能是限制掺粉煤灰混凝土综合性能的一个指标。根据本次实验的结果,分析混凝土抗压、抗拉强度之间的关系(如图3),得式2-1:

由此可知,本次试验所拟合的公式和现有已知公式虽大致相同,但还存在差异,考虑试验组数有限,系统误差得不到完全检定和校正。

2.2 单掺硅灰及复掺粉煤灰和硅灰对混凝土强度的影响

根据以上分析结果,认为粉煤灰掺量的相对最佳值约为30%,因此以下试验均以粉煤灰掺量30%为试验参数。从图4,图5可知,在3d龄期,FA0S(0.5)的抗压强度要比FA0(0.5)的低,且FA30S(0.5)的抗压强度比FA30(0.5)的要低。但到了7d龄期,FA0S(0.5)的抗压强度有明显的增长且比FA0(0.5)的要高。到28d龄期时,FA0S(0.5)的抗压强度虽然比FA0(0.5)的要高,但是相差不大。FA30S(0.5)的抗压强度在3d,7d龄期时虽然都比FA30(0.5)的要低,但是增长速度比FA30(0.5)的要快,到了28d龄期时,FA30S(0.5)的抗压强度就比FA30(0.5)的要高。可见硅灰是可以提高混凝土早期强度的。

在劈裂抗拉强度方面,早期FA0S(0.5)的抗拉强度比FA0(0.5)的要低,FA30S(0.5)的抗拉强度也要低于FA30(0.5)的抗拉强度。在7d龄期和28d龄期时,FA0S(0.5)的抗拉强度比FA0(0.5)和FA30(0.5)的抗拉强度均有较大的提升,而FA30S(0.5)的抗拉强度比FA30(0.5)的抗拉强度要低。

综上所述,单掺硅灰可以提高混凝土早期的抗压和抗拉强度。在此次试验中硅灰对强度的提高不能弥补粉煤灰对强度的减少,可能它们之间存在一个最优配比,既能提高混凝土的强度也能弥补单掺粉煤灰混凝土在前期抗拉强度的不足。

2.3 水胶比对复掺粉煤灰和硅灰混凝土强度的影响

从图6,图7分析可知,在混凝土其它配比不变,养护条件相同的情况下,FA30S(0.4)的抗压强度在3d龄期虽然是最小,但增幅最大。到28d龄期时,FA30S(0.4)抗压强度最大,FA30S(0.6)的抗压强度最小,FA30S(0.5)则居中。

在抗拉强度方面,3d龄期时,三者的抗拉强度相差不大,到了28d龄期,FA30S(0.4)抗拉强度最大,FA30S(0.6)的抗拉强度最小,FA30S(0.5)居中。

可见,复掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗压,抗拉强度与普通混凝土一样,在一定范围内随着水胶比的增大而减小。

3 结语

混凝土在掺入粉煤灰后,若量较少则对混凝土前期的强度影响不大,掺量过大则强度会有明显的降低。在中后期掺粉煤灰的混凝土的强度增长较快。当掺量在15%和30%之间时,28d龄期的抗压强度会比未掺粉煤灰的混凝土高。但粉煤灰对混凝土的抗拉强度增幅较小。

单掺硅灰会提高早期混凝土的抗压,抗拉强度。复掺粉煤灰和硅灰时,它们之间应该存在一个最优配比,既能提高混凝土的强度也能弥补单掺粉煤灰混凝土在早期抗拉强度的不足。

在混凝土其它配比不变,养护条件相同的情况下。混凝土同龄期的抗压强度会随着水胶比的减小而逐渐提高。可见,水胶比是影响混凝土强度的不能忽视的重要因素。

混凝土的强度会随着龄期的延长而增大。

在进行公路,桥梁,机场等道面混凝土施工时,不妨在混凝土中复掺粉煤灰和硅灰,并用高效减水剂控制好坍落度,这样不仅混凝土早期强度得到提高,而且后期强度的增长也有了保证,混凝土的性能和结构得以改善。

4 展望

本研究中硅灰掺量只有5%一种,且只与30%掺量的粉煤灰复掺。复掺其它量的硅灰和粉煤灰对于混凝土力学性能的影响还有待研究。

本研究中混凝土的力学性能试验龄期为3d,7d,28d,对于后期粉煤灰和硅灰对混凝土的力学性能的影响无法准确得知,还有待于延长龄期进行观察试验。

本研究中,混凝土试块是在20℃恒温养护条件下测试混凝土的力学性能,而实际应用中环境温度变化会可能会导致其性能变化,因此不同温度养护条件下混凝土的性能有待研究。

本研究只研究了粉煤灰和硅灰对混凝土力学性能的影响,而实际应用中还可能要考虑到混凝土的抗冻性,抗渗性,耐久性等性能。所以粉煤灰和硅灰对混凝土其它性能的影响还有待研究。

确定一个改进混凝土综合性能的最优粉煤灰、硅灰替代比并将其应用于实际生产中。既能减少水泥用量,改善混凝土性能,又科学环保符合可持续发展的主题。随着我国的建筑不断向高层化、大型化、现代化发展,高性能混凝土必将越来越受到人们的重视。

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基金项目:2015年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(项目编号:2015R412022);2014年绍兴市大学生科技创新项目(项目编号:JYSXKC1402)。

作者简介:周跃森(1993- ),男,浙江东阳人,本科,浙江农林大学暨阳学院,研究方向:土木工程。

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