超细粉煤灰高强混凝土的综合性能研究

摘　要: 　评述了超细粉煤灰高强混凝土的综合性能,分析了影响超细粉煤灰高强混凝土的综合性能的主要因素,超细粉煤灰高性能混凝土的早期抗压强度主要取决于水灰比,后期抗压强度主要取决于水胶比和胶凝材料总用量,掺UFA高性能混凝土长期抗压强度增长稳定。同时,耐久性良好,高性能混凝土也具有良好的徐变性能。

关键词: 　超细粉煤灰; 　高强混凝土; 　力学性能; 　耐久性

中图分类号: 　TU 528. 31 文献标识码: 　A 文章编号:1671-4431 (2008) 05-0032-03

　　目前,混凝土的发展方向是高强度化、长耐久性,超细粉煤灰等超细粉体起到了重要的作用。超细粉体作为水泥基复合材料的活性掺合料,可降低水化热和水化热释放速率,改善工作性,增强后期强度,改善内部结构,提高抗腐蚀能力。这是因为超细粉体能够使多孔的水泥基材料中的孔结构变细且不连通,降低孔隙率,而且使水泥水化产物中的不利成分氢氧化钙减少,生成更多有利的水化硅酸钙,从而提高水泥基材料的性能。掺合料对水泥基材料强度增长系数的影响至关重要,掺和料的不同比例以及掺和料的不同种类对强度增长速度的快慢有着很大的影响,超细粉体对水泥基材料的抗折强度和抗压强度均有明显影响;超细粉体能够跟水泥水化产物Ca (OH) 2 发生二次水化反应,生成大量的C-S-H 凝胶,较好地改善水泥基材料的微观结构,提高材料的力学性能。

1 　超细粉煤灰高强混凝土的力学性能

　　超细粉煤灰(ult rafine fly-ash ,简称UFA) 在水泥混凝土水化过程中的效应归结起来可分为形态效应、活性效应和微集料效应:

　　1) 形态效应　所谓形态效应泛指混凝土或砂浆中的粉煤灰,由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。

　　2) 活性效应　超细粉煤灰的活性效应是指粉煤灰中的活性成分SiO₂ 和Al₂O₃ 与碱性激发剂Ca (OH) ₂ 发生化学反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体的能力。

　　3) 微集料效应　超细粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相中,就像微细的集料一样。粉煤灰在水泥浆体中分散状态良好,有助于新拌混凝土和硬化混凝土均匀性的改善,粉煤灰微集料填充性的作用也有助于混凝土中空隙和毛细孔的填充和细化^{[2 ]} 。其对混凝土力学性能的影响很多学者已做了不少的工作。中南大学的李益进博士采用粉煤灰为原料研究了混凝土的力学性能^[1] ,采用多元回归方法分析粉煤灰高性能混凝土组成参数,包括胶凝材料总用量ρB ( kg/ m³ ) 、UFA 掺量w UFA ( %) 、水胶比m_W/ m_B 、水灰比m_W/ m_c 。对不同龄期混凝土抗压强度的影响,同时对自变量(组成材料) 的偏回归平方和进行了F 检验。研究发现,混凝土的早期抗压强度主要由水泥的水化作用提供,故早期抗压强度主要决定于水灰比;后期混凝土抗压强度增长较快是由于UFA 参与了二次水化反应和UFA 微集料填充效应所致,故ρ_B 、m_W/ m_B 成为了影响抗压强度的显著因素, m_W/ m_c 的影响则次之。图1 为文献^{[ 1 ]}报道的不同UFA 掺量混凝土的强度发展曲线。由图可见:对早期抗压强度而言,随UFA 掺量的增加,其逐渐降低;而在28 d 和56 d 龄期时,混凝土抗压强度较为接近,说明UFA 掺量不大于35 %时对混凝土后期抗压强度影响较小。

　　混凝土棱柱体的受压状态和实际工程中受压构件的受压状态比较接近,因此混凝土棱柱体轴心抗压强度具有重要的意义。根据试验统计及对试验结果的线性回归可知:混凝土棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度线性相关性较好(见图2) ,其线性关系式如下

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

高性能混凝土棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值平均为0. 81 ,比普通混凝土的比值稍高。因原材料、试件数量、试件质量及试验方法对试验结果的影响较大,但是这一关系尚需进一步通过试验论证。

　　粉煤灰高性能混凝土组成参数,包括水泥用量ρ_C (kg/ m³) ,UFA 掺量w _UFA ( %) 、水胶比mW/ mB 、水灰比m_W/ m_c 对混凝土的劈裂抗拉强度有明显的影响,各因素影响程度大小顺序为:ρ_c > m_W/ m_c > w _UFA >m_W/ m_B ;随着龄期的增加,混凝土拉压比随之降低,且降低的幅度逐渐减小。这表明,无论是普通混凝土或HPC ,随龄期增长其脆性也随之增加;但50 d 后掺UFA 的HPC 的拉压比均大于基准混凝土,这是由于“粉体效应”在后期较为充分地发挥了作用的缘故,故而后期掺UFA 混凝土的脆性比普通混凝土有所改善。同时,处于同一强度等级的混凝土,适宜的UFA 掺量不仅不会降低拉压比,相反反而使其拉压比与普通混凝土相比还会稍有增大,但继续增加UFA 掺量又会使得拉压比下降。掺UFA 高性能混凝土的抗拉性能优于普通高强混凝土。

　　随着UFA 掺量增加,混凝土弹性模量均增大。但过多的粉煤灰对混凝土弹性模量不利。在混凝土开裂之前,外剪力主要由水泥石和骨料共同承担,而一旦出现裂缝,外剪力则主要由骨料本身以及骨料与水泥石之间的咬合力承担。混凝土在直剪状态下破坏时的破坏面均穿越骨料,因而有理由相信骨料本身的抗剪强度对混凝土抗剪强度有重要影响。表1 为掺UFA 高性能混凝土抗剪强度试验结果。

　　由表1 可见:在等水胶比条件下,当UFA 掺量为30 %时,混凝土7 d 抗剪强度较基准混凝土的低19 %;而当UFA 掺量为25 % —35 %时,混凝土28 d 抗剪强度与基准混凝土相差不大;混凝土抗剪强度与抗压强度之比为0. 086 —0. 096 。

2 　抗渗性及干缩特性

　　抗渗性指材料抵抗各种有害介质进入内部的能力,是评价耐久性的重要指标之一。渗透性可间接反映硬化水泥浆体界面的孔隙率和孔径分布,与水泥石物理力学性质密切相关。

　　粉煤灰混凝土干缩率基本随着UFA 掺量mw/ mc 和的增加而增加;当UFA 掺量< 50 %时,高性能混凝土的干缩率均小于基准混凝土的干缩率[1 ] 。

3 　耐磨性及徐变特性

　　由于超细粉煤灰良好的减水增强效应,同时因其本身玻璃微珠强度很高, 因此,粉煤灰混凝土28 d 单位面积磨耗值均比基准混凝土低,相对磨耗分别只有基准混凝土的41 %、48 %、60 %。这说明随着UFA 掺入,混凝土的耐磨性得到了很大改善,能满足现代道路交通的要求^{[3 ]} 。

　　徐变是指混凝土在持续荷载作用下随时间增长的变形,通常以不同持荷时间的徐变度Ct (单位荷载应力下的徐变变形值) 和徐变系数K (徐变变形值与瞬时变形值之比) 来表示,是铁路桥梁用预应力混凝土的一项重要指标。超细粉煤灰高性能混凝土在蒸养条件下360 d 龄期时的徐变度比标养条件下的降低22 %;而徐变系数则与标养条件下的接近。不管是在标养条件还是在蒸养条件下,其360 d 龄期徐变度均小于同强度等级的普通混凝土。UFA 的掺入减小了混凝土的干缩和徐变值,其原因主要是水泥用量大幅度降低和UFA 改善了混凝土的孔结构,特别是在蒸养时,掺UFA 混凝土水化生成的C-S-H 凝胶有助于减少孔隙率并细化晶粒,从而提高混凝土强度的缘故[1 ] 。

4 　其他特性

　　混凝土钢筋握裹力是制备钢筋混凝土的重要指标,当UFA 掺量为25 %时,混凝土钢筋握裹力最高。当UFA 掺量> 25 %时,混凝土钢筋握裹力稍有降低,但均高于基准混凝土。随着立方体抗压强度的增加,混凝土钢筋握裹力显著增加;当立方体抗压强度相当时,螺纹钢筋的握裹力显著大于光面钢筋的握裹力^{[1 ]} 。

5 　结　论

　　a. 超细粉煤灰高性能混凝土的早期抗压强度主要取决于水灰比,后期抗压强度主要取决于水胶比和胶凝材料总用量。早期抗压强度随UFA 掺量的增加即有效水灰比的增大而降低,而UFA 掺量对后期抗压强度的影响不大。掺UFA 高性能混凝土长期抗压强度增长稳定。

　　b. 超细粉煤灰高性能混凝土的劈拉强度主要取决于水泥用量和UFA 掺量。随着龄期增加,高性能混凝土的拉压比逐渐降低,且降低的幅度随龄期的增大而减小。约在50 d 后,UFA 掺量为25 % —35 %的高性能混凝土,其拉压比均稍高于基准混凝土。

　　c. UFA 掺量为25 % —35 %的高性能混凝土,其28 d 抗剪强度与基准混凝土接近,随着立方体抗压强度的增加,混凝土钢筋握裹力显著增加;超细粉煤灰高性能混凝土钢筋握裹力比同一强度等级的普通混凝土稍高。掺25 %UFA 的C50 高性能混凝土具有良好的徐变性能。

参考文献

　　[1] 　李益进,周士琼,尹　健,等. 超细粉煤灰高性能混凝土的力学性能[J ] . 建筑材料学报,2005 , (01) :23-29.

　　[2] 　王海侠,方永浩,陈宇峰. 矿物超细粉的应用研究现状与前景[J ] . 南通大学学报(自然科学版) ,2005 , (1) :43-44.

　　[3] 　高英力,周士琼. 用超细粉煤灰配制高性能道路混凝土的研究[J ] . 粉煤灰综合利用,2004 , (5) :15-16.