超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土的綜合性能研究

摘　要: 　評(píng)述了超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土的綜合性能,分析了影響超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土的綜合性能的主要因素,超細(xì)粉煤灰高性能混凝土的早期抗壓強(qiáng)度主要取決于水灰比,后期抗壓強(qiáng)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(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。同時(shí),耐久性良好,高性能混凝土也具有良好的徐變性能。

關(guān)鍵詞: 　超細(xì)粉煤灰; 　高強(qiáng)混凝土; 　力學(xué)性能; 　耐久性

中圖分類號(hào): 　TU 528. 31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 　A 文章編號(hào):1671-4431 (2008) 05-0032-03

　　目前,混凝土的發(fā)展方向是高強(qiáng)度化、長(zhǎng)耐久性,超細(xì)粉煤灰等超細(xì)粉體起到了重要的作用。超細(xì)粉體作為水泥基復(fù)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(qiáng)后期強(qiáng)度,改善內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高抗腐蝕能力。這是因?yàn)槌?xì)粉體能夠使多孔的水泥基材料中的孔結(jié)構(gòu)變細(xì)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(duì)水泥基材料強(qiáng)度增長(zhǎng)系數(shù)的影響至關(guān)重要,摻和料的不同比例以及摻和料的不同種類對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)速度的快慢有著很大的影響,超細(xì)粉體對(duì)水泥基材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有明顯影響;超細(xì)粉體能夠跟水泥水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 發(fā)生二次水化反應(yīng),生成大量的C-S-H 凝膠,較好地改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu),提高材料的力學(xué)性能。

1 　超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能

　　超細(xì)粉煤灰(ult rafine fly-ash ,簡(jiǎn)稱UFA) 在水泥混凝土水化過(guò)程中的效應(yīng)歸結(jié)起來(lái)可分為形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng):

　　1) 形態(tài)效應(yīng)　所謂形態(tài)效應(yīng)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(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性狀所產(chǎn)生的效應(yīng)。

　　2) 活性效應(yīng)　超細(xì)粉煤灰的活性效應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)　超細(xì)粉煤灰的微集料效應(yīng)是指粉煤灰微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中,就像微細(xì)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(xì)孔的填充和細(xì)化^{[2 ]} 。其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響很多學(xué)者已做了不少的工作。中南大學(xué)的李益進(jìn)博士采用粉煤灰為原料研究了混凝土的力學(xué)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(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,同時(shí)對(duì)自變量(組成材料) 的偏回歸平方和進(jìn)行了F 檢驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),混凝土的早期抗壓強(qiáng)度主要由水泥的水化作用提供,故早期抗壓強(qiáng)度主要決定于水灰比;后期混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快是由于UFA 參與了二次水化反應(yīng)和UFA 微集料填充效應(yīng)所致,故ρ_B 、m_W/ m_B 成為了影響抗壓強(qiáng)度的顯著因素, m_W/ m_c 的影響則次之。圖1 為文獻(xiàn)^{[ 1 ]}報(bào)道的不同UFA 摻量混凝土的強(qiáng)度發(fā)展曲線。由圖可見:對(duì)早期抗壓強(qiáng)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(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度較為接近,說(shuō)明UFA 摻量不大于35 %時(shí)對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度影響較小。

　　混凝土棱柱體的受壓狀態(tài)和實(shí)際工程中受壓構(gòu)件的受壓狀態(tài)比較接近,因此混凝土棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度具有重要的意義。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的線性回歸可知:混凝土棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度線性相關(guān)性較好(見圖2) ,其線性關(guān)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(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)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(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大,但是這一關(guān)系尚需進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)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(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯的影響,各因素影響程度大小順序?yàn)?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(wú)論是普通混凝土或HPC ,隨齡期增長(zhǎng)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(zhǔn)混凝土,這是由于“粉體效應(yīng)”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(shí),處于同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,適宜的UFA 摻量不僅不會(huì)降低拉壓比,相反反而使其拉壓比與普通混凝土相比還會(huì)稍有增大,但繼續(xù)增加UFA 摻量又會(huì)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(qiáng)混凝土。

　　隨著UFA 摻量增加,混凝土彈性模量均增大。但過(guò)多的粉煤灰對(duì)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(dān),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(dān)。混凝土在直剪狀態(tài)下破壞時(shí)的破壞面均穿越骨料,因而有理由相信骨料本身的抗剪強(qiáng)度對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度有重要影響。表1 為摻UFA 高性能混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

　　由表1 可見:在等水膠比條件下,當(dāng)UFA 摻量為30 %時(shí),混凝土7 d 抗剪強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的低19 %;而當(dāng)UFA 摻量為25 % —35 %時(shí),混凝土28 d 抗剪強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相差不大;混凝土抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)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(jìn)入內(nèi)部的能力,是評(píng)價(jià)耐久性的重要指標(biāo)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(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

　　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(dāng)UFA 摻量< 50 %時(shí),高性能混凝土的干縮率均小于基準(zhǔn)混凝土的干縮率[1 ] 。

3 　耐磨性及徐變特性

　　由于超細(xì)粉煤灰良好的減水增強(qiáng)效應(yīng),同時(shí)因其本身玻璃微珠強(qiáng)度很高, 因此,粉煤灰混凝土28 d 單位面積磨耗值均比基準(zhǔn)混凝土低,相對(duì)磨耗分別只有基準(zhǔn)混凝土的41 %、48 %、60 %。這說(shuō)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(shí)間增長(zhǎng)的變形,通常以不同持荷時(shí)間的徐變度Ct (單位荷載應(yīng)力下的徐變變形值) 和徐變系數(shù)K (徐變變形值與瞬時(shí)變形值之比) 來(lái)表示,是鐵路橋梁用預(yù)應(yīng)力混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo)。超細(xì)粉煤灰高性能混凝土在蒸養(yǎng)條件下360 d 齡期時(shí)的徐變度比標(biāo)養(yǎng)條件下的降低22 %;而徐變系數(shù)則與標(biāo)養(yǎng)條件下的接近。不管是在標(biāo)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(qiáng)度等級(jí)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(jié)構(gòu),特別是在蒸養(yǎng)時(shí),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(xì)化晶粒,從而提高混凝土強(qiáng)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(biāo),當(dāng)UFA 摻量為25 %時(shí),混凝土鋼筋握裹力最高。當(dāng)UFA 摻量> 25 %時(shí),混凝土鋼筋握裹力稍有降低,但均高于基準(zhǔn)混凝土。隨著立方體抗壓強(qiáng)度的增加,混凝土鋼筋握裹力顯著增加;當(dāng)立方體抗壓強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),螺紋鋼筋的握裹力顯著大于光面鋼筋的握裹力^{[1 ]} 。

5 　結(jié)　論

　　a. 超細(xì)粉煤灰高性能混凝土的早期抗壓強(qiáng)度主要取決于水灰比,后期抗壓強(qiáng)度主要取決于水膠比和膠凝材料總用量。早期抗壓強(qiáng)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(duì)后期抗壓強(qiáng)度的影響不大。摻UFA 高性能混凝土長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。

　　b. 超細(xì)粉煤灰高性能混凝土的劈拉強(qiáng)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(zhǔn)混凝土。

　　c. UFA 摻量為25 % —35 %的高性能混凝土,其28 d 抗剪強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土接近,隨著立方體抗壓強(qiáng)度的增加,混凝土鋼筋握裹力顯著增加;超細(xì)粉煤灰高性能混凝土鋼筋握裹力比同一強(qiáng)度等級(jí)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(xiàn)

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