超細粉煤灰高強混凝土的綜合性能研究

摘　要: 　評述了超細粉煤灰高強混凝土的綜合性能,分析了影響超細粉煤灰高強混凝土的綜合性能的主要因素,超細粉煤灰高性能混凝土的早期抗壓強度主要取決于水灰比,后期抗壓強度主要取決于水膠比和膠凝材料總用量,摻UFA高性能混凝土長期抗壓強度增長穩(wěn)定。同時,耐久性良好,高性能混凝土也具有良好的徐變性能。

關鍵詞: 　超細粉煤灰; 　高強混凝土; 　力學性能; 　耐久性

中圖分類號: 　TU 528. 31 文獻標識碼: 　A 文章編號:1671-4431 (2008) 05-0032-03

　　目前,混凝土的發(fā)展方向是高強度化、長耐久性,超細粉煤灰等超細粉體起到了重要的作用。超細粉體作為水泥基復合材料的活性摻合料,可降低水化熱和水化熱釋放速率,改善工作性,增強后期強度,改善內(nèi)部結構,提高抗腐蝕能力。這是因為超細粉體能夠使多孔的水泥基材料中的孔結構變細且不連通,降低孔隙率,而且使水泥水化產(chǎn)物中的不利成分氫氧化鈣減少,生成更多有利的水化硅酸鈣,從而提高水泥基材料的性能。摻合料對水泥基材料強度增長系數(shù)的影響至關重要,摻和料的不同比例以及摻和料的不同種類對強度增長速度的快慢有著很大的影響,超細粉體對水泥基材料的抗折強度和抗壓強度均有明顯影響;超細粉體能夠跟水泥水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 發(fā)生二次水化反應,生成大量的C-S-H 凝膠,較好地改善水泥基材料的微觀結構,提高材料的力學性能。

1 　超細粉煤灰高強混凝土的力學性能

　　超細粉煤灰(ult rafine fly-ash ,簡稱UFA) 在水泥混凝土水化過程中的效應歸結起來可分為形態(tài)效應、活性效應和微集料效應:

　　1) 形態(tài)效應　所謂形態(tài)效應泛指混凝土或砂漿中的粉煤灰,由其顆粒的外觀形貌、內(nèi)部結構、表面性質(zhì)、顆粒級配等物理性狀所產(chǎn)生的效應。

　　2) 活性效應　超細粉煤灰的活性效應是指粉煤灰中的活性成分SiO₂ 和Al₂O₃ 與堿性激發(fā)劑Ca (OH) ₂ 發(fā)生化學反應生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體的能力。

　　3) 微集料效應　超細粉煤灰的微集料效應是指粉煤灰微細顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中,就像微細的集料一樣。粉煤灰在水泥漿體中分散狀態(tài)良好,有助于新拌混凝土和硬化混凝土均勻性的改善,粉煤灰微集料填充性的作用也有助于混凝土中空隙和毛細孔的填充和細化^{[2 ]} 。其對混凝土力學性能的影響很多學者已做了不少的工作。中南大學的李益進博士采用粉煤灰為原料研究了混凝土的力學性能^[1] ,采用多元回歸方法分析粉煤灰高性能混凝土組成參數(shù),包括膠凝材料總用量ρB ( kg/ m³ ) 、UFA 摻量w UFA ( %) 、水膠比m_W/ m_B 、水灰比m_W/ m_c 。對不同齡期混凝土抗壓強度的影響,同時對自變量(組成材料) 的偏回歸平方和進行了F 檢驗。研究發(fā)現(xiàn),混凝土的早期抗壓強度主要由水泥的水化作用提供,故早期抗壓強度主要決定于水灰比;后期混凝土抗壓強度增長較快是由于UFA 參與了二次水化反應和UFA 微集料填充效應所致,故ρ_B 、m_W/ m_B 成為了影響抗壓強度的顯著因素, m_W/ m_c 的影響則次之。圖1 為文獻^{[ 1 ]}報道的不同UFA 摻量混凝土的強度發(fā)展曲線。由圖可見:對早期抗壓強度而言,隨UFA 摻量的增加,其逐漸降低;而在28 d 和56 d 齡期時,混凝土抗壓強度較為接近,說明UFA 摻量不大于35 %時對混凝土后期抗壓強度影響較小。

　　混凝土棱柱體的受壓狀態(tài)和實際工程中受壓構件的受壓狀態(tài)比較接近,因此混凝土棱柱體軸心抗壓強度具有重要的意義。根據(jù)試驗統(tǒng)計及對試驗結果的線性回歸可知:混凝土棱柱體軸心抗壓強度與立方體抗壓強度線性相關性較好(見圖2) ,其線性關系式如下

f _pr = 2. 471 + 0. 768 f _cu

高性能混凝土棱柱體軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值平均為0. 81 ,比普通混凝土的比值稍高。因原材料、試件數(shù)量、試件質(zhì)量及試驗方法對試驗結果的影響較大,但是這一關系尚需進一步通過試驗論證。

　　粉煤灰高性能混凝土組成參數(shù),包括水泥用量ρ_C (kg/ m³) ,UFA 摻量w _UFA ( %) 、水膠比mW/ mB 、水灰比m_W/ m_c 對混凝土的劈裂抗拉強度有明顯的影響,各因素影響程度大小順序為:ρ_c > m_W/ m_c > w _UFA >m_W/ m_B ;隨著齡期的增加,混凝土拉壓比隨之降低,且降低的幅度逐漸減小。這表明,無論是普通混凝土或HPC ,隨齡期增長其脆性也隨之增加;但50 d 后摻UFA 的HPC 的拉壓比均大于基準混凝土,這是由于“粉體效應”在后期較為充分地發(fā)揮了作用的緣故,故而后期摻UFA 混凝土的脆性比普通混凝土有所改善。同時,處于同一強度等級的混凝土,適宜的UFA 摻量不僅不會降低拉壓比,相反反而使其拉壓比與普通混凝土相比還會稍有增大,但繼續(xù)增加UFA 摻量又會使得拉壓比下降。摻UFA 高性能混凝土的抗拉性能優(yōu)于普通高強混凝土。

　　隨著UFA 摻量增加,混凝土彈性模量均增大。但過多的粉煤灰對混凝土彈性模量不利。在混凝土開裂之前,外剪力主要由水泥石和骨料共同承擔,而一旦出現(xiàn)裂縫,外剪力則主要由骨料本身以及骨料與水泥石之間的咬合力承擔。混凝土在直剪狀態(tài)下破壞時的破壞面均穿越骨料,因而有理由相信骨料本身的抗剪強度對混凝土抗剪強度有重要影響。表1 為摻UFA 高性能混凝土抗剪強度試驗結果。

　　由表1 可見:在等水膠比條件下,當UFA 摻量為30 %時,混凝土7 d 抗剪強度較基準混凝土的低19 %;而當UFA 摻量為25 % —35 %時,混凝土28 d 抗剪強度與基準混凝土相差不大;混凝土抗剪強度與抗壓強度之比為0. 086 —0. 096 。

2 　抗?jié)B性及干縮特性

　　抗?jié)B性指材料抵抗各種有害介質(zhì)進入內(nèi)部的能力,是評價耐久性的重要指標之一。滲透性可間接反映硬化水泥漿體界面的孔隙率和孔徑分布,與水泥石物理力學性質(zhì)密切相關。

　　粉煤灰混凝土干縮率基本隨著UFA 摻量mw/ mc 和的增加而增加;當UFA 摻量< 50 %時,高性能混凝土的干縮率均小于基準混凝土的干縮率[1 ] 。

3 　耐磨性及徐變特性

　　由于超細粉煤灰良好的減水增強效應,同時因其本身玻璃微珠強度很高, 因此,粉煤灰混凝土28 d 單位面積磨耗值均比基準混凝土低,相對磨耗分別只有基準混凝土的41 %、48 %、60 %。這說明隨著UFA 摻入,混凝土的耐磨性得到了很大改善,能滿足現(xiàn)代道路交通的要求^{[3 ]} 。

　　徐變是指混凝土在持續(xù)荷載作用下隨時間增長的變形,通常以不同持荷時間的徐變度Ct (單位荷載應力下的徐變變形值) 和徐變系數(shù)K (徐變變形值與瞬時變形值之比) 來表示,是鐵路橋梁用預應力混凝土的一項重要指標。超細粉煤灰高性能混凝土在蒸養(yǎng)條件下360 d 齡期時的徐變度比標養(yǎng)條件下的降低22 %;而徐變系數(shù)則與標養(yǎng)條件下的接近。不管是在標養(yǎng)條件還是在蒸養(yǎng)條件下,其360 d 齡期徐變度均小于同強度等級的普通混凝土。UFA 的摻入減小了混凝土的干縮和徐變值,其原因主要是水泥用量大幅度降低和UFA 改善了混凝土的孔結構,特別是在蒸養(yǎng)時,摻UFA 混凝土水化生成的C-S-H 凝膠有助于減少孔隙率并細化晶粒,從而提高混凝土強度的緣故[1 ] 。

4 　其他特性

　　混凝土鋼筋握裹力是制備鋼筋混凝土的重要指標,當UFA 摻量為25 %時,混凝土鋼筋握裹力最高。當UFA 摻量> 25 %時,混凝土鋼筋握裹力稍有降低,但均高于基準混凝土。隨著立方體抗壓強度的增加,混凝土鋼筋握裹力顯著增加;當立方體抗壓強度相當時,螺紋鋼筋的握裹力顯著大于光面鋼筋的握裹力^{[1 ]} 。

5 　結　論

　　a. 超細粉煤灰高性能混凝土的早期抗壓強度主要取決于水灰比,后期抗壓強度主要取決于水膠比和膠凝材料總用量。早期抗壓強度隨UFA 摻量的增加即有效水灰比的增大而降低,而UFA 摻量對后期抗壓強度的影響不大。摻UFA 高性能混凝土長期抗壓強度增長穩(wěn)定。

　　b. 超細粉煤灰高性能混凝土的劈拉強度主要取決于水泥用量和UFA 摻量。隨著齡期增加,高性能混凝土的拉壓比逐漸降低,且降低的幅度隨齡期的增大而減小。約在50 d 后,UFA 摻量為25 % —35 %的高性能混凝土,其拉壓比均稍高于基準混凝土。

　　c. UFA 摻量為25 % —35 %的高性能混凝土,其28 d 抗剪強度與基準混凝土接近,隨著立方體抗壓強度的增加,混凝土鋼筋握裹力顯著增加;超細粉煤灰高性能混凝土鋼筋握裹力比同一強度等級的普通混凝土稍高。摻25 %UFA 的C50 高性能混凝土具有良好的徐變性能。

參考文獻

　　[1] 　李益進,周士瓊,尹　健,等. 超細粉煤灰高性能混凝土的力學性能[J ] . 建筑材料學報,2005 , (01) :23-29.

　　[2] 　王海俠,方永浩,陳宇峰. 礦物超細粉的應用研究現(xiàn)狀與前景[J ] . 南通大學學報(自然科學版) ,2005 , (1) :43-44.

　　[3] 　高英力,周士瓊. 用超細粉煤灰配制高性能道路混凝土的研究[J ] . 粉煤灰綜合利用,2004 , (5) :15-16.