寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土试验研究.pdf
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1、第3 0卷 第9期 2 0 1 3年 9 月 长 江科学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 0 No 9 S e p 2 0 1 3 DO I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 3 0 9 0 2 0 寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土试验研究 秦子鹏 , 杜应吉, 田艳 ( 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌7 1 2 1 0 0 ) 摘要:
2、结合西北寒旱区水工混凝土冻融破坏特点, 对等强度和等水胶比配制的粉煤灰混凝土在不同龄期下的力学、 抗冻融及抗渗性能进行了研究。结果表明: 大掺量粉煤灰虽然早期强度较低 , 但中后期强度增长较快 ; 等强度配制 条件下 , 粉煤灰混凝土的抗冻融性和冻后自愈合能力以及抗渗性能随粉煤灰掺量的增大并未明显减弱; 当水胶比 在0 3 5 , 粉煤灰掺量在 5 0 时, 混凝土的力学性能、 抗冻融性能和抗渗性能均较突出, 能够较好地满足西北寒旱区 水利工程建设的要求。 关键词: 寒旱区; 粉煤灰掺量; 养护龄期; 混凝土 中图分类号 : T V 4 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 1
3、5 4 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 1 0 1 0 5 1 研 究背景 2 试 验概 况 水利工程混凝土冻融破坏是我国北方地区水利 工程建设的突出问题之一 , 西北地 区的混凝 土冻融 破坏问题尤其严 重 。西 北地 区大多处 于干旱 和 半干旱地区 , 冬季气温低且持续时间长 , 昼夜温差较 大 , 对大体积水工混凝土的工作性能非常不利 ; 在水 位变动 区混凝土冬季要承受频繁的冻融循环作用后 还必须具有足够的抗渗性能以满足水利工程的正常 运转。因此 , 寒旱区水工混凝土应尽可能地 降低单 方用水量 , 采用低水胶 比, 并适当增加混凝土的含气 量 。很多学者的试 验研究 2
4、 表 明: 将粉煤灰作为 一 种胶凝材料掺人混凝土 中取代部分水泥 , 不仅可 以改善混凝土的工作性能、 降低混凝土的单方成本, 而且还可以减轻煤废 料对环境 的污染。因此 , 大掺 量粉煤灰混凝土 的研究工 作既具有很好 的经济效 益 , 又具有 良好的社会效益。 关于西北寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土 工作性能的研究较少 , 本文试图通过试验并结合西北 寒旱区水利工程建设 , 针对混凝土强度 、 抗冻和抗渗 性能的实际要求, 研究大掺量粉煤灰混凝土在该地区 的应用, 期望能为大掺量粉煤灰混凝土在西北寒旱区 水利工程建设领域中的广泛应用提供一定的借鉴。 2 1 试验原材料 水泥: “ 赛马
5、” 牌4 2 5 普通硅酸盐水泥, 2 8 d 抗 压强度和抗折强 度分别 为4 5 5 MP a 和9 1 MP a ; 粉 煤灰 : 宁夏 大 坝 电厂 生产 的 I级粉 煤 灰 , 细 度 为 4 8 , 需水量 比为 9 1 , 烧失量为0 4 7 ; 细骨料 : 宁夏当地的粗 沙, 细度模数为3 3 , 表观密度为2 6 6 g c m , 含泥量为3 7 ; 粗骨料 : 宁夏银川镇北堡碎 石 , 堆积密度为 1 3 4 4 k g i n , 吸水 率为0 5 ; 高效 减水剂 : N F一 5 A减水剂 ; 引气剂 : J O P引气剂 。 2 2配合 比设计 试验中混凝土的配合
6、比设计是以水胶 比和粉煤 灰掺量为变量, 并保证各组试件的含气量基本相等。 依 据 文 献 4 , 试 验 设 计 混 凝 土 的 含 气 量 为 ( 4 5 0 5 ) , 因为过低的含气量对寒旱 区水工混凝 土的抗冻性能不利 , 而过高的含气量会对混凝土的力 学性能产生较大影 响。编号 Al A 5试件采用等强 度配制 , 强度等级为 C 2 5 , 以研究同一强度等级下 , 混 凝土的力学 、 抗冻融及抗渗性能随粉煤灰掺量的变 化; B 1 一B 5试件采用等水胶 比配制 , 水胶 比为0 4 0 , 以研究同一水胶 比下, 混凝土的力学 、 抗冻融及抗渗 性能随粉煤灰掺量的变化。试验配
7、合比见表 1 。 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 62 8; 修 回日期 : 2 0 1 2- 0 8 0 2 基金项 目: 国家“ 十一五” 科技支撑计划重点项 目( 2 0 0 6 B A D1 1 B 0 3 ) 作者简介: 秦子鹏( 1 9 8 5 一) , 男, 安徽阜阳人, 硕士研究生, 主要从事水工材料耐久性和水工建筑物安全与修复的研究, ( 电话 ) 0 2 9 8 7 0 3 9 2 1 9 ( 电子信箱 ) w o s h i q i n z i p e n g 1 6 3 o m。 通讯作者: 杜应吉( 1 9 6 3 一) , 男, 陕西咸阳人, 教授, 主要从事水
8、工材料耐久性和水工建筑物安全与修复的研究, ( 电话) 1 3 1 8 6 1 7 1 9 6 3 ( 电子信 箱 ) a y j n w s u a f e d u c a 。 1 0 2 长 江科 学院院报 2 0 1 3年 3 试验结果分析 3 1 力学性能 混凝土的力学性能包括抗压 、 抗拉、 抗折强度以 及弹性模量等多个方面 , 研究起来 比较复杂。一般 认为抗压强度能够较为真实地反映混凝土的整体力 学性能 , 因此 , 这里采用混凝土 7 , 2 8 , 6 0 d的立方体 抗压强度来了解粉煤灰混凝土力学强度及其增长情 况。试验结果见表 2 , 各龄期下混凝土 中粉煤灰掺 量与抗压
9、强度的关系见图 1 。 表 2各配合比下混凝 土力学性能 结果 Tab l e 2 M e c ha n i c a l pr o pe r t i e s of t he c onc r e t e o f d i f f er e nt mi x pr o por t i o ns 在常温下 , 由于粉煤灰的水化反应非常缓慢 , 一 般认为粉煤灰单独与水拌合后并不发生化学反应。 张云升等 的研究表明粉煤灰掺入到水泥浆后 , 水 泥水化程度均比同条件下 的纯水 泥浆高 , 且粉煤灰 掺量越大 , 水泥水化程度提高也越多。B e r r y等 和 x u 等 利用 S E M观察水泥粉煤灰浆体
10、时发现, 龄 期 7 d 时许多较细的粉煤灰颗粒表面出现了刻痕, 水化产物在粉煤灰颗粒表面生成。上述表明粉煤灰 掺入到水泥浆体后不仅能促进水泥水化, 而且当水 泥水化到一定程度后粉煤灰可以发生火山灰反应。 0 1 0 20 30 4 0 50 60 70 8 0 粉煤灰掺量 图 1 各龄期下混凝 土中粉煤灰掺 量与 抗压 强度 的关 系 Fi g 1 Re l a t i ons h i p be t we e n f l y a s h c o nt e nt a nd c o mpr e s s i ve s t r e ng t h o f t he c on c r e t e at
11、d i ffe r e nt ag e s 由图 1 可以看出: 在等水胶 比( W B=0 4 0 ) 条 件下 , 随着粉煤灰掺量 的增加 , 7 d抗压强度 降低较 快 , 2 8 d和 6 0 d抗压强度相对降低缓慢。上述现象 表明粉煤灰早期和后期反应速 率较慢 , 而中期反应 速率较快 。原因在于早期水泥水化产物较少 , 无法 激活粉煤灰的火山灰效应 , 被粉煤灰取代 的那部分 水泥的早期强度得不到补偿 , 所 以混凝土早期强度 随粉煤灰掺量的增加而显著降低 ; 随着水 泥水化 的 进行 , 粉煤灰中的活性部分 S i O 和 A 1 , 0 开始与水 泥水化生成的 C a ( O
12、H) 发生反应 , 同时促进水泥水 化反应进行 ; 在后期 , 水泥水化产物 c a ( O H) , 等被 大量消耗 , 水泥水化速率 比较缓慢 , 此 时, 粉煤灰 的 反应速率也相应慢 了下来。 在等强度 ( C 2 5 ) 配制条件下 , 混凝土 7 d抗压 强度随粉煤灰掺量的增加有所降低, 但 2 8 d 和 6 0 d 抗压强度却在逐渐增加 , 且增 幅均大于基准实验组 ( A1 ) 的抗压强度 。这主要是 由于粉煤灰 中的活性 S i O : 能逐渐地与游离 C a ( O H) 和高碱性的水化硅 酸钙( C S 1 5 ) 发生二次火 山灰反应生成低碱性 水化硅酸钙( C S
13、1 ) , 它的强度要 比高碱性水化硅 酸钙大得多 , 而粉煤灰 中的活性成分 A1 0 还能与 游离 C a ( O H) 生成水化铝酸钙 , 或者活性成分 S i O 如 如 加 m B d 想 第9期 秦子鹏 等 寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土试验研究 l 0 3 和 A 1 0 与游离 C a ( O H) 生成水化铝硅酸钙 , 这 2 类水化产物也具有较高的强度 , 这样 既消耗 了大量 的游离 C a ( O H) ( C a ( O H) 是片状晶体 , 易使混凝 土产生微裂隙) , 减小了其不利影响 , 又增加 了水泥 石的强度 。在等强度配制条件下 , 随着粉煤灰掺 量的增
14、加 , 水胶 比相应减小 , 在较低水胶 比条件下 , 水泥浆体能提供更多的水化产物与粉煤灰中的活性 物质反应 , 使得上述反应过程有所加强。因此 , 在等 强度配制条件下粉煤灰混凝土的中后期强度要 比普 通混凝土的高。 3 2 抗冻性能 工程上常用相对动弹性模量结合质量损失率来 衡量混凝土的抗冻融性。等强度和等水胶比设计时 的2 8 d 龄期混凝土试验结果见表 3 , 不同冻融次数 下混凝土 中粉煤灰掺量 和相对动弹模 的关 系见 图 2 。等强度配制条 件下 , 粉煤灰掺量 为 5 0 的混凝 土受冻前后的微观分析见图 3 。 表 3 混凝土冻 融试验 结果 T a b l e 3 Re
15、s u l t s o f f r e e z e t h a w t e s t o n t h e c o n c r e t e l 00 9 0 8 0 融 荽 7 0 60 5O 0 l 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 O 7 0 8 0 粉煤灰掺量 图 2不 同冻 融次数 下混凝 土中粉煤 灰掺 量 和相对动弹性模量 的关 系 F i g 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n fl y a s h c o n t e n t a n d r e l at i v e dy nami c e l a s t i c modu l us o
16、 f t he c o nc r e t e a t d i ffe r e n t f r e e z e th a w c y c l e s 根据 图 2 , 在 等强度 ( C 2 5 ) 配制 条件 下 , 冻融 1 5 0 次, 随粉煤灰掺量的增加, 混凝土的相对动弹模 和质量的损失没有明显变化 ; 冻融 2 0 0次后 , 在粉煤 灰掺量达到 5 0 后混凝土 的相对动 弹模 的损失有 所增大, 但损失幅度并未超过2 , 相对动弹模值基 本保持在 9 0 以上且质量损失在1 3 以内。在等 叫 弩 、 J 、 I ( a ) 冻 融前 C o ) 冻融后 图 3粉煤灰混凝土冻融前
17、后微观形态 Fi g 3 M i c r o s t r u c t ur e o f n y a s h c o n c r e t e be f or e a nd af t e r f r ee z e t ha w c yc l e s 水胶 比( W B=0 4 0 ) 配制时 , 冻融 1 5 0次和 2 0 0次 后 , 随粉煤灰掺量超过 到 5 0 后 , 粉煤灰混凝 土的 相对动弹模和质量 的损失 明显增大 , 参照普通混凝 土抗冻试验 以及相关 粉煤灰混凝土 的抗冻试 验 可以断定上述趋势在冻 融循环次数增加后会 更加明显 。以上说 明混凝土 的抗冻融性与强度有很 大关系
18、, 当混凝土的强度等级相同时 , 它们的抗冻融 性并不随粉煤灰掺量 的增加发生显著变化 , 而等水 胶比配制 的混凝土随粉煤灰掺量的增大, 强度逐渐 降低, 抗冻融性也显著降低。 根据 图 3 , 粉煤灰混凝 土受冻前水泥石 与粗 骨 料的粘结面 已经存在微裂缝 , 经过 2 0 0次冻融循环 后裂缝向水泥石内部扩展 , 气泡也出现了裂缝 , 随冻 融循环次数的增加 , 裂缝会进一步扩展 , 从而使混凝 土的整体性能下降。 为了研究粉煤灰混凝土在寒旱区遭遇轻度冻融 后的自愈合能力 , 将在标准条件下养护至龄期 2 8 d 和 6 0 d的混凝土试件分别进 行冻融 ( 循 环 2 0 0次) 后
19、置于 自然条件下 , 再经过 1 8 0 d的养护 , 然后进行 抗压和劈裂抗拉强度试验, 通过与冻前混凝土的力 学性能进行 比较 , 评 价混凝 土的冻后 自愈 合能力。 试验结果见表 4 。 表 4粉煤灰 混凝土冻后的 自愈合能力 Tab l e 4 The s e l f - he ali ng pr o pe r t i e s o f t he f l y as h c o n c r e t e a f t e r f r e e z e t h a w c y c l e s 当混凝土的冻融损伤较轻时, 经过 自然条件下 长 江科 学院 院报 2 0 1 3丘 养护 1 8 0
20、d后 , 混凝土的立方体抗压强度基本 能够 恢复甚至超过冻前的强度; 劈裂抗拉强度则很难恢 复到冻前的强度水平 , 与基准试验组 ( A 1 ) 相 比, 大 掺量粉煤灰混凝土冻后的劈裂抗拉强度恢复有所增 强 , 个别试验组还超过了冻前强度水平。这说明抗 拉 强 度 对 冻 融 循 环 作 用 要 比抗 压 强 度 更 为 敏 感 , 粉煤灰对混凝 土抗 拉强度 的恢 复有 所帮 助。粉煤灰掺量 为 5 0 的混凝 土 ( A 4 ) 冻融 循环 2 0 0次 自然条件下养护 1 8 0 d后 的微观分析见图4 。 ( a 】 界面过度区水化产物 ( b ) 菊花状c s H 凝胶 ( c )
21、 未愈合的裂缝 ( d ) 未水化的粉煤灰颗粒 图4 粉煤灰混凝土冻融 一养护 1 8 0 d后的微观形态 F i g 4 M i c r o s t r u c t u r e o f fl y a s h c o n c r e t e a f t e r f r e e z e - t h a w a n d c u r i n g f o r 1 8 0 d a y s 关于混凝土的冻融破坏机理还没有一个较为理 想的理论来全面解释。目前 , 水工混凝土的破坏机理 多以膨胀压力与渗透压力理论来解释 , 该理论认 为冻融破坏的主要原因是在低温度下, 水结成冰产生 体积膨胀 , 冷水迁移产生
22、渗透压力以及混凝土表面存 在温度梯度等致使混凝土内部产生拉应力, 当混凝土 材料某处承受的力超过其极限抗拉强度时, 就会在该 处产生微裂缝 , 微裂缝逐渐增大、 扩展直至互相连通 , 致使混凝土的力学强度降低。 根据图 4 , 混凝土冻融后经过 1 8 0 d的自然养护, 部分微裂缝通过粉煤灰 的二次水化反应 已经愈合并 生成大量的菊花状 CSH凝胶( 见图 4 ( a ) 和图 4 ( b ) ) , 同时水泥水化作用也在缓慢进行, 但还有一部 分微裂缝受其周围的水 泥或粉煤灰二次水化程度及 养护环境的影响不能愈合( 见图4 ( c ) ) , 这部分的微 裂缝对抗拉强度的影响要远远大于对抗
23、压强度的影 响, 致使抗拉强度不能像抗压强度那样恢复较好。部 分粉煤灰颗粒表面仍较为光滑( 见图4 ( d ) ) , 随养护 时间的延长 , 二次水化反应还能发生 , 粉煤灰混凝土 内部的微裂缝还有得到进一步修复的可能。 3 3 抗渗性能 结合水利工程对混凝 土抗渗性能的要求 , 研究 大掺量粉煤灰混凝土 的抗渗系数随粉煤灰掺量的影 响, 将等强度和等水胶 比条件下配制的混凝土进行 抗渗试验。试验结果 见表 5 。 表 5混凝土抗渗试验结 果 Ta bl e 5 Re s ul t s o f i mpe r me ab i l i t y t e s t o n t he c o nc r
24、 e t e 由表 5知, 在等强度和等水胶 比条件下配制的 粉煤灰混凝土的抗渗性 能均较好 , 能够满足抗渗等 级为 W6 ( 对应渗透系数为0 4 1 91 0 e m s ) 的水 利工程要求 。粉煤灰混凝土优 良的抗渗性在于粉煤 灰中活性成分 S i O 和 A 1 0 在水泥 水化产物 的激 发下发生二次火山灰反应生成 了低碱度的水化硅酸 钙、 水化铝酸钙和钙矾石, 使 C a ( O H ) 显著减少, 从 而改善了混凝土的微观结构 , 减少混凝土的渗水通 道 , 增加了混凝土的密实度 , 提高 了混凝土的抗渗性 能。当水泥与粉煤灰 的配 比较为合适 时, 如等强度 配制条件下 ,
25、 水胶 比为0 3 5 , 粉煤灰掺量在 5 0 时 , 粉煤灰混凝土可以拥有更高的抗渗性能。 4 结 论 ( 1 )在等强度或等水胶 比配制条件下, 大掺量 粉煤灰混凝土早期强度较低 , 中后期 ( 尤其是中期 ) 强度增长较快。水工混凝土结构可以考虑粉煤灰混 凝土中后期强度的增长进行构件的强度设计 。 ( 2 )在等强度配制条件下, 粉煤灰 混凝土 的抗 压强度同时受粉煤灰掺量 和水胶 比的影响 , 在一定 范围内( 粉煤灰掺量 5 0 , W B0 3 5 ) , 抗压强 度随粉煤灰掺量的增加, 水胶比的减小而增大; 超过 这一范围则减小。在等水胶 比配制条件下 , 抗压强 度受粉煤灰掺
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