高钙粉煤灰混凝土性能试验研究

高钙粉煤灰混凝土性能试验研究

1对混凝土性能的影响中国目前还没有规定高钙血症的国家标准。根据《上海地方标准dbj-98》的规定，高钙血症粉末是由碱性或次醇酸粉末从粉末中研磨和燃烧的粉末。其氧化钙含量在8%以上;次烟煤和其他煤的混烧灰,如果氧化钙含量大于8%或游离氧化钙含量大于1%,也认为是高钙粉煤灰(以下简称高钙灰)。高钙灰的细度高、需水量低,具有较好的减水效果。高钙灰含有一定量的富钙玻璃体及少量的铝酸钙和硅酸钙矿物,可水化生成钙矾石、水化铝酸盐及C-S-H凝胶等,具有一定的自硬性。因此高钙灰在混凝土中的增强效果优于普通低钙粉煤灰。但是,高钙灰具有较高含量的游离氧化钙,可能造成混凝土后期体积膨胀,限制了其在混凝土中的推广使用。也有人利用高钙灰的这种特性,补偿混凝土的后期干缩,降低干燥收缩导致的开裂风险。我国西部地区气候干燥多风,昼夜温差大,使混凝土路面板失水速率快,易发生干缩裂缝。如能适量掺加高钙灰,降低混凝土的后期干缩,有助于减小混凝土路面板干缩开裂风险。而且位于陕西和内蒙古交界地区的神府东胜煤田已经成为我国最大的褐煤生产基地,年原煤产量超过5000万吨。高钙灰在西部地区是可充分供应的工业废弃物。在可持续发展已经成为我国基本战略思想的今天,研究如何合理的利用高钙灰,对于在西部高等级公路建设中推广混凝土路面具有重大的意义。本文通过混凝土试件的力学和干缩试验,探讨了在掺加高钙灰的情况下,水胶比和粉煤灰掺量对混凝土强度和体积变化的影响。2测试2.1原料、试剂和砂高钙灰采用北京华能电厂的京环牌I级粉煤灰(FA1);对比试验的低钙灰采用赤峰市元宝山发电厂的辉珠牌I级粉煤灰(FA2);水泥为北京拉法基水泥公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。三种原料的化学分析见表1。砂为河砂,细度模数3.0。石子为北京门头沟产石灰石碎石,粒度5mm～20mm。2.2混凝土性能测试方法针对高等级公路路面用混凝土进行配合比设计,要求28天抗折强度大于7MPa。试验用混凝土配比见表2和表3,标号中的A表示掺加FA1,B表示掺加FA2。表2中的配合比设计原则是固定粉煤灰掺量为25%,改变水胶比。表3中的配合比设计原则是固定水胶比为0.306,改变粉煤灰掺量分别为15%、25%、35%和45%。遵照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002),成型试件并测定试件的抗压强度和抗折强度,抗压试件尺寸100mm×100mm×100mm,抗折试件尺寸100mm×100mm×400mm。遵照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GBJ80-85)的规定测定混凝土的干缩率。试件尺寸100mm×100mm×515mm,两端各埋入一个圆头铜制测头,长度测量采用525型卧式测变仪,测量精度0.01mm,可估读到0.001mm。试件成型后,标准养护24小时,然后拆模编号,放入恒温恒湿(20℃±2℃,RH60%±5%)的养护室养护。24小时后测定初长,并记作1d长度,此后依次测取3d、5d、7d、14d、21d、28d、56d、90d、120d、150d的长度,计算每一龄期的干缩量,与1d长度相比较,得到干缩率。3试验结果与讨论3.1硬化混凝土的强度不同水胶比及不同粉煤灰掺量的混凝土28d抗折强度示于图1。混凝土不同龄期的抗压强度发展示于图2。由两图可见,无论是水胶比变化还是粉煤灰掺量变化,掺加高钙灰的混凝土的抗折强度都高于掺加低钙灰的混凝土,而各龄期混凝土的抗压强度也表现出几乎相同的规律。这得益于高钙粉煤灰的自硬性和较普通低钙灰更高的反应活性。就粉煤灰中硅酸盐阴离子的聚合状态而言,低钙灰主要由多聚物组成,单聚物较少,而高钙灰则有较多的单聚物和二聚物,因此高钙灰的反应活性较一般低钙灰高,对混凝土的增强作用也更明显。高钙灰混凝土的强度发展优势主要体现在早龄期,尤以7d最为明显,随龄期发展,这种优势有减弱趋势(图2)。三个水胶比条件下,混凝土的28d抗折强度都大于7MPa。粉煤灰掺量为15%和25%的混凝土,其28d抗折强度相差较小;但掺量达到35%时,抗折强度有较为明显的下降,但仍大于7MPa;掺量达到45%时,抗折强度已低于6MPa。如图2(b)所示,粉煤灰掺量在35%以内时,混凝土抗压强度增长率随粉煤灰掺量增加而增加,后期抗压强度的差别减小。但粉煤灰掺量达到45%时,虽然强度增长率相近,但各龄期的强度绝对值较低,显示已超出粉煤灰的适宜掺量范围。粉煤灰掺量达到45%时,相比于低钙灰混凝土,高钙灰混凝土的7d抗压强度优势明显,28d则优势减弱,而56d龄期时,高钙灰混凝土的抗压强度已低于低钙灰混凝土10%以上。这可能是高钙灰导致的混凝土后期体积膨胀的结果。混合水泥浆体硬化后,高钙灰中水化较慢的游离CaO继续水化,生成Ca(OH)2,产生局部膨胀,导致应力集中。当内部应力达到一定程度,超过硬化浆体内部的粘聚力时,将在混凝土微观结构中产生局部损伤,使试件强度下降,甚至破坏试件。因此,高钙粉煤灰的掺量不宜大于35%,最好在25%以内。3.2混凝土的干缩率图3显示了粉煤灰掺量均为25%,水胶比不同的混凝土干缩率与龄期的关系。图3(a)中,在各龄期,低钙灰混凝土的干缩率随水胶比降低而减小。水胶比增加,混凝土强度降低,弹性模量相应降低,而渗透性增大,因而混凝土更易失水和变形。对比两图不难发现,同样水胶比下,高钙灰混凝土的干缩率显著低于低钙灰混凝土。图3(b)中,高钙灰混凝土干缩率随水胶比降低而减小的趋势更加明显,而且水胶比为0.241的混凝土C3-A在后期还表现出了明显的膨胀。这表明,高钙灰引入的游离CaO后期水化膨胀已经成为影响混凝土干缩率的主导因素。随游离CaO水化进行,膨胀应力增加,但硬化水泥浆体的粘结强度也在增加,当粘结强度足以控制膨胀应力时,混凝土发生的膨胀较小,当膨胀应力在与硬化水泥浆体的粘结强度对抗中占据上风时,就可能造成较大的膨胀甚至破坏。水胶比低的混凝土C3-A强度固然高,但是高钙灰的绝对掺量大,引入的游离CaO量大,而且游离CaO的水化产物可填充的空间小,造成后期膨胀,同时阻碍其后期强度发展(图2(a))。较高水胶比下可以接受的、不会造成混凝土较大膨胀的高钙粉煤灰掺量,可能因为水胶比的降低而变得不可接受。所以高钙灰的适宜掺量应根据水胶比变化,作适当调整,同时还需考虑其绝对掺量。3.3混凝土干缩率随高钙灰掺量的变化图4显示了水胶比固定、不同粉煤灰掺量下,混凝土干缩率与龄期的关系。掺量为35%以下时,低钙粉煤灰掺量增加,混凝土干缩率有减小的趋势,但掺量达到45%时,干缩率陡然增加,成为四个掺量中最大的(图4(a))。而掺加高钙灰的混凝土(图4(b)),相同掺量下,其干缩率明显小于低钙灰混凝土。在各个龄期,混凝土干缩率随高钙粉煤灰掺量的增加明显减小。掺量在25%以下时,混凝土处于持续收缩状态,但在56d以后收缩值逐渐减小,并趋于稳定,150d干缩率在100-300微应变之间。掺量为35%的混凝土在水化初期微有收缩,逐渐转为微膨胀,150d的膨胀率达到100微应变左右。而当掺量达到45%时,混凝土膨胀率显著增大,150d膨胀率接近2400微应变,仍然没有趋于稳定的迹象(图中因坐标范围所限未显示90d以后的膨胀状况)。因此,即使在干燥环境中,较低的水胶比条件下,高钙灰中的游离CaO仍然能够逐渐水化。当掺量适当时,掺加高钙灰可以补偿混凝土的干燥收缩,降低开裂风险。高钙灰的适宜掺量需要根据高钙灰的品质和混凝土配合比情况,由试验决定。在本文所给条件下,掺加35%的高钙灰是可以接受的上限。一般来说,掺加25%左右的高钙灰,所配制的混凝土的强度性能和体积稳定性都较好。4混凝土中钙灰的掺量相对于普通低钙粉煤灰,高钙粉煤灰对混凝土的强度,尤其是早龄期强度,有更大的贡献。但是也要求粉煤灰掺量在一定的合理范围内,掺量过大,高钙灰引入的游离CaO后期水化膨胀可能对混凝土强度性能带来不