粉煤灰对混凝土性能影响试验研究

1、粉煤灰对混凝土性能影响试验研究中国长城铝业建设公司 王丽琦摘要 本文通过对掺加不同品质、不同含量粉煤灰的混凝土进行一系列性能试验，发现掺加高品质粉煤灰的混凝土比空白混凝土性能更好。粉煤灰用作混凝土的搀合料不仅可以节约水泥，更重要的是改善混凝土的施工性能。概括地讲，粉煤灰在混凝土中有三种效应，从而产生三种势能，可从六个方面改善混凝土的性能。关键词： 粉煤灰,混凝土,抗渗透性,抗冻性,抗碳化性能粉煤灰混凝土是一种新材料,它在现代化建设中具有广泛的应用前景: 一是生存环境的需要, 粉煤灰是一种工业废渣, 充分利用粉煤灰可节约资源, 改善环境, 减少二次污染; 二是发展高性能混凝土的需要, 粉煤灰作为

2、水泥混凝土掺和料与水泥水化中析出的游离氧化钙化合成硅酸钙和铝酸钙，提高混凝土的密实性，从而达到提高混凝土强度的目的。因此，将粉煤灰掺入混凝土中不仅可以节约水泥用量，更重要的是可以改善混凝土的性能。 1. 试验1.1. 原材料粉煤灰：没有经过处理的原状灰；经过特殊磨细处理后的一级粉煤灰，其品质指标达到GB规定的一级灰：细度12.0，需水比95，烧失量5.0，含水量1.0，SO33.0的品质要求；水泥：长铝水泥厂黄河牌42.5R普通硅酸盐水泥，R28=48.3Mpa。砂：河沙，表观密度Q= 2.163 g·m - 3, 细度模数2.156；石子：碎石表观密度Q= 2.18 g·

3、m - 3, 级配16 31 单粒级；外加剂：高效减水剂。通过对粉煤灰的微观结构和表面特征的研究证实，粉煤灰磨细后明显改变了其微观结构，磨细粉煤灰和原状粉煤灰相比：颗粒的形状、结构、级配、表面都起了很大的变化，玻璃球显著减小，表面反映活化点增多且富于活性，在颗粒表面上硅、铝、钙分布均匀，可溶性氧化钙增多，粉煤灰活性增大，从而达到提高粉煤灰混凝土强度的目的。1.2. 试验方法试验参照JGJ552000普通混凝土配合比设计规程; 混凝土力学性能试验按照GB/T 50081- 2002普通混凝土力学性能试验方法标准进行; 混凝土抗冻、抗碳化试验按照GBJ 8285普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法

4、进行。根据GBJ146-90粉煤灰混凝土应用技术规范的规定，在混凝土中采用超量取代法掺加粉煤灰替代水泥，超量系数取1.3；同时考虑由于粉煤灰的掺入，对混凝土塌落度的影响，试验中采取固定塌落度的方法，观察不同粉煤灰和水灰比对混凝土强度和其他性能的影响。2. 试验结果及对比2.1 粉煤灰对混凝土强度的影响试验采用C15、C20、C25混凝土配合比，原状灰与一级磨细灰在相同的掺量及掺加减水剂的情况下，粉煤灰对混凝土强度影响变化的试验结果见表1 ： 试验结果表明：（1）粉煤灰的品质不同，28天抗压强度相差较大；（2）粉煤灰混凝土的抗拉强度一般比空白混凝土高，空白混凝土的抗拉强度约为抗压强度的1/10，

5、且粉煤灰品质高，掺加粉煤灰的混凝土抗拉强度也高。这主要是由于表1粉煤灰对混凝土强度的影响序号混凝土标号水泥用量kg/m3粉煤灰掺量%28d抗压强度Mpa28d抗拉强度Mpa28d抗折强度Mpa28d粘结强度Mpa1C15260020.91.922.463.23C1522552（原灰）18.82.062.302.69C1522552（一级灰）21.32.562.603.512C20313023.11.893.004.08C2027162（原灰）21.82.402.562.69C2027162（一级灰）24.33.033.123.733C25365036.32.973.523.48C2531673

6、（原灰）27.02.963.703.21C2531673（一级灰）37.24.643.753.40粉煤灰中玻璃体形成水化硅酸钙与水泥界面粘结力增强的缘故；（3）粉煤灰的掺入对混凝土的抗折强度影响不大，优质粉煤灰混凝土的抗折强度比空白混凝土略高；（4）掺粉煤灰的混凝土与钢筋的粘结力略低于空白混凝土。粉煤灰的品质越高，降低的幅度越小。 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。2.2 粉煤灰对钢筋锈蚀的影响在海水工程及其他含氯离子的环境中，由于氯离子破坏钝化膜，使钢筋锈蚀，混凝土发生破坏。据资料记载，掺30%粉煤灰的粉煤灰水泥，在常温及早期，它的氯离子扩散速度高于波特兰水泥

7、，随着温度的升高与龄期的延长，粉煤灰水泥抑制氯离子的扩散作用越来越明显，如表2不同掺量粉煤灰混凝土对钢筋锈蚀的影响。表2 不同掺量粉煤灰混凝土对钢筋锈蚀的影响序号混凝土标号粉煤灰掺量%粉煤灰代替水泥%钢筋失重率%1C30002.4042C20003.5513C3036200.83474C2045180.2567由上表可看出：粉煤灰抑制氯离子扩散，与混凝土材料的孔隙率、孔分布、孔的连通性有密切的关系，粉煤灰水泥的孔容积小于普通水泥。粉煤灰水泥随温度提高和龄期的增长，粉煤灰反应不断进行，反应产物在毛细孔中形成，堵塞了孔道，使孔结构细化，孔的连通性下降或曲折程度增加，反应中消耗了Ca(OH)2,使原

8、来在Ca(OH)2与C-S-H凝胶界面形成有缺隙，相互连同的孔道减少。这可能使粉煤灰水泥浆体具有比普通水泥高得多的抗氯离子浸蚀能力的主要原因。2.3 粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响据有关资料统计，粉煤灰对混凝土抗冻融性能的影响有以下3个方面，1）活性效应固定了氢氧化钙，使之不致于因浸析而扩大冰冻劣化所产生的孔隙；2）形态效应能使混凝土用水量减少，明显有利于减少孔隙和毛细孔。3）填充效应可使截留空气量和泌水量减少，并使孔隙细化，有助于使引气剂产生的微细气孔分布均匀，从而大大改善了混凝土的抗冻性能。有试验表明，采用I级粉煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术，所制备的C50粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性，能

9、经受300次（慢冻法）冻融循环。加拿大的Malh otra V.M. etal 通过试验发现，50次冻融循环后，掺大量粉煤灰混凝土有轻微的表面剥落，经300次冻融循环后，其出现的膨胀不会对混凝土造成危害，经1000 次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态，见表3混凝土抗冻性能对比试验。如果在粉煤灰混凝土中加入引气剂，其抗冻性会大幅提高。表3 混凝土抗冻性能对比试验序号设计标号水泥用量Kg/m3粉煤灰掺量%抗压强度（Mpa）强度损失%28天冻融前冻融后1C1522552（原灰）20.120.816.623.1C15260022.323.218.520.0C1522552（一级灰）22.622.51

10、9.819.02C2027162（原灰）23.724.119.420.8C20313025.125.622.016.0C2027162（一级灰）27.026.824.915.83C2531673（原灰）24.926.121.820.4C25365031.432.427.216.4C2531673（一级灰）31.732.027.616.0由表三可知：试样的强度损失不超过25%，满足规定要求，掺粉煤灰的混凝土强度损失高于空白混凝土，掺品质高的粉煤灰混凝土强度损失低于掺品质低的粉煤灰混凝土，混凝土的抗冻性随粉煤灰掺量的增加而提高。2.4 粉煤灰对混凝土抗渗能力的影响混凝土中掺入粉煤灰，能够改善水泥石

11、的界面结构，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙C-S-H 凝胶，填塞了水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，且C-S-H 凝胶会吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。大连理工大学通过掺有矿物掺和料的混凝土扩散性能试验71 发现，在相同水胶比条件下，添加30%-45% 的粉煤灰后，混凝土的氯离子扩散系数明显低于基准混凝土，说明掺粉煤灰可以明显的提高混凝土结构抗氯离子渗透能力。进一步研究发现，同时掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯离子渗透能力优于单掺粉煤灰混凝土，在硅灰掺量为3% 的情况下，双掺粉煤灰和硅灰比单掺硅灰时的混凝土抗氯离子渗透能力更强，而硅灰掺量在4%

12、和5% 时，单掺硅灰比双掺时好。2.5 粉煤灰对混凝土的抗碳化作用的影响粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氢氧化钙数量必然减少，同时粉煤灰二次水化反应主要吸收Ca(OH)2生成水化硅酸钙，均导致混凝土碱度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，这是不利的一方面。粉煤灰的微集料填充效应，能使混凝土孔隙细化，结构致密，在一定程度上能延缓碳化的程度，但是对防碳化扩散来说，是达不到钢筋混凝土的要求的。对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。有关试验表明，当粉煤灰掺量等于或小于40% 、复掺矿渣粉至总量为60%，70% 和80% 时，混凝土碳化深度均比单掺60% 粉煤灰混凝土的

13、要低；粉煤灰掺量为50% 、矿渣粉掺量为10% 时，混凝土的碳化深度也比单掺60% 粉煤灰的要低得多。即使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情况下，可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用量。2.6 粉煤灰对混凝土其它性能的影响在混凝土中掺加粉煤灰后，水泥浆体的体积有所增加，同时，因粉煤灰50%是球形玻璃体组成，在混凝土拌和中起润滑作用，因而提高了混凝土的流动性，使混凝土的和易性得到改善，易于振捣密实。试体脱模后，表面光洁度提高。在保持塌落度不变的情况下，减少水泥用量。因此提高混凝土的强度，增强抗渗能力，试验表明，在掺20%一级粉煤灰

14、的C20混凝土中，抗渗性能明显提高，平均水压提高30%后，渗透深度仍比空白混凝土小。由于粉煤灰内比表面积小，吸附水的能力也小，所以混凝土的收缩也减小，掺20%一级粉煤灰的C20混凝土收缩值为50×10-5，而空白混凝土收缩值为52×10-5。3. 结论通过以上试验分析，粉煤灰在混凝土中有三种效应，从而产生三种势能：1）颗粒形态产生的减水势能。粉煤灰多呈球形，粒径很小，表面光滑，这种小颗粒统称“微珠”，掺入混凝土中，犹如滚珠，可提高混凝土的和易性，减小用水量。2）火山灰活性效应产生活化势能。粉煤灰的主要化学成分是二氧化硅和三氧化二铝，在水泥的碱性激发下，产生水化作用，和水泥一起成为胶凝材料，产生强度。3）微集料效应造成致密势能。粉煤灰的颗粒一般比较小，在混凝土中可起到微集料作用，充填到微小的孔隙中，同时还可受激发而在表面生成胶凝物质填充和水化反应产物充填共存，比惰性微集料单纯的机械充填效果更好，可使混凝土更加致密。粉煤灰的上述三大势能，可以从以下几个方面改善混凝土的性能：1）减少混凝土的需水量，提高和易性。2）提高混凝土的耐久性。掺粉煤灰的混凝土，密实性得以提高，从而提高了抵御自然环境影响的能力。3）提高抗渗能力。粉煤