1、.北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University土木工程材料論文粉煤灰改善混凝土的強(qiáng)度及耐久性研究學(xué)院：XX學(xué)院 班級(jí)：土木XXXX 學(xué)號(hào)：XXXXXXXXX姓名：XXX 教師：XX 二零一X年X月摘要：為提高混凝土的綠色度和工程應(yīng)用性能，對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。研究了大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、抗碳化性能、抗?jié)B性能及抗凍性能：摻加20%60%粉煤灰的混凝土7d強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土低，當(dāng)粉煤灰摻量大于40$時(shí)，28d的抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)混凝土，但60d時(shí)，混凝土強(qiáng)度基本接近甚至高于基準(zhǔn)混凝土，并且后期強(qiáng)度有較大的增長(zhǎng)空間。通過摻加20%60%粉煤灰

2、的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，混凝土的抗?jié)B能力在加入粉煤灰之后獲得了顯著提高，并且隨粉煤灰摻量的增加而增強(qiáng)，粉煤灰改善了水泥石孔徑分布，有利于提高混凝土的耐久性。關(guān)鍵詞： 大摻量粉煤灰 混凝土 耐久性 強(qiáng)度一、 粉煤灰粉煤灰是從發(fā)電廠煤粉爐排出的煙氣中收集到的細(xì)顆粒粉末，是工業(yè)“三廢”之一。目前我國是粉煤灰等工業(yè)廢渣排放的第一大國，但粉煤灰的利用率僅為42%。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，粉煤灰排放量還將逐年大幅增加。因此，合理地推廣應(yīng)用粉煤灰，不僅能節(jié)約土地和能源，而且能保護(hù)和治理環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但目前國內(nèi)外對(duì)作為結(jié)構(gòu)混凝土摻合料的粉煤灰的摻量有一定限制，只有很小一部分品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰才被允許用于混凝土結(jié)

3、構(gòu)工程。優(yōu)質(zhì)粉煤灰取代部分水泥應(yīng)用于混凝土中，不但可以減少水泥的用量，降低水化熱，降低成本，更能夠改善混凝土的性能，提高混凝土的質(zhì)量。但是，因?yàn)榉勖夯业幕钚员人嗟停瑩搅看髸r(shí)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度有較大的影響。所以，目前大摻量粉煤灰混凝土主要用于混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求低的工程，而在高強(qiáng)混凝土中，粉煤灰摻量一般不超過30。另有研究表明，超細(xì)粉煤灰顆粒粒徑遠(yuǎn)小于水泥的粒徑，在低水膠比混凝土中主要起著微集料作用，且填充效果較好。因此，在低水膠比條件下，采用大摻量粉煤灰配制高強(qiáng)度混凝土成為可能。二、 粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響 粉煤灰是一種呈玻璃態(tài)實(shí)心或空心的球狀微顆粒，比水泥粒子小的多，比表面積

4、大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化鋁。摻入混凝土中的粉煤灰主要產(chǎn)生以下幾方面影響。1、活性效應(yīng)： 在常溫下，由于粉煤灰的水化反應(yīng)比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償，所以混凝土早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時(shí)間的推移，粉煤灰中活性成分Si02和Al203與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成大量水化硅酸鈣凝膠。粉煤灰外部的一些水化產(chǎn)物在成長(zhǎng)過程中也會(huì)像樹根一樣伸入顆粒空隙中，填充空隙，減少了Ca(OH)2在界面的擇優(yōu)取向排列，大大改善了界面區(qū)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。2、微集料密實(shí)填充及顆粒形態(tài)效應(yīng)： 均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會(huì)大量吸

5、水，不但起著滾珠作用，而且與水泥粒子組成了合理的微級(jí)配，減少填充水?dāng)?shù)量，影響系統(tǒng)的堆積狀態(tài)，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性優(yōu)良，硬化混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)。而且，不會(huì)發(fā)生泌水離析現(xiàn)象，可施工性和抹面性好，抗?jié)B性、抗凍性好。3、交互作用： 水泥、粉煤灰、外加劑等不同組分間會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)的交互作用。例如，水泥水化生成的Ca(OH)2是粉煤灰的活性激發(fā)劑，而被激發(fā)了的粉煤灰一旦水解，降低液相堿度，又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)未水化水泥水化。目前生產(chǎn)的水泥含堿量不斷提高，粉煤灰的使用大大節(jié)約水泥熟料，并可抑制堿一骨料反應(yīng)。粉煤灰中C小含量少，水化產(chǎn)生的熱量少，減少了混凝土構(gòu)件由于內(nèi)外溫差過大而引

6、起其表面開裂的危險(xiǎn)；粉煤灰水化消耗大Ca(OH)2，混凝土不耐蝕成分減少，因而耐化學(xué)侵蝕性比普通混凝土強(qiáng)的多。在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰是減少水化熱從而避免溫度裂縫的有效措施。水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量(水化熱)能使混凝土達(dá)到相當(dāng)高的溫度。由于混凝土導(dǎo)熱性能差，大體積混凝土在澆筑初期容易造成內(nèi)外溫差；此外，隨齡期增長(zhǎng)，混凝土又會(huì)逐漸降溫而發(fā)生體積收縮，這樣的溫度變化會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫。用粉煤灰代替一部分水泥，既能使混凝土各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，又能降低混凝土內(nèi)部溫度，有利于減小溫度應(yīng)力。三、 不同摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度表1:不同摻量粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

7、結(jié)果編號(hào)水膠比實(shí)測(cè)坍落度抗壓強(qiáng)度/Mpa7d28d60dA10.4217533.241.447.9A20.4217030.144.249.0A30.4118525.244.647.8A40.4120023.140.645.2A50.4220018.238.147.5A60.4120014.435.845.4B10.3918535.048.247.5B20.3919033.248.549.6B30.3818528.846.252.5B40.3820023.549.550.8B50.3718022.845.853.4B60.3819018.642.051.8C10.3619040.257.857.

8、3C20.3620036.855.658.6C30.3520032.254.555.8C40.3518526.552.258.6C50.3520021.550.960.6C60.3418520.145.858.7D10.3317042.262.468.9D20.3318038.860.269.1D30.3218535.255.862.3D40.3219532.854.563.8D50.3120032.552.664.2D60.3118031.648.562.2由表2可知，不同系列摻粉煤灰的混凝土7d強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土要低。同一系列中當(dāng)摻量大于40%時(shí)，28d時(shí)抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)混凝土。但60d

9、時(shí)，摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度基本接近甚至高于基準(zhǔn)混凝土。一般而言，混凝土中摻粉煤灰后，其早期強(qiáng)度一般會(huì)隨摻量的增加而降低。這是因?yàn)樵诔叵拢勖夯曳磻?yīng)比水泥慢，粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到及時(shí)的補(bǔ)償。但大摻量粉煤灰高性能混凝土中各組分的配比可以有較大的靈活性，同普通混凝土相比，大摻量粉煤灰高性能混凝土28天后強(qiáng)度還有很大的增長(zhǎng)n耵。這是因?yàn)榛炷劣不^程中，粉煤灰中活性SiO2和Al203逐漸與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成硅鋁酸鈣,降低混凝土中液相堿度，促進(jìn)水泥水化。另外，粉煤灰與水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)生成纖維狀水化硅酸鈣凝膠C-S-H，取代六方板狀的Ca(OH)2，

10、對(duì)硬化水泥漿體起增強(qiáng)作用，促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，粉煤灰的顆粒越細(xì)，微小玻璃球形顆粒越多，比表面積越大，粉煤灰的活性成分也越容易和水泥中Ca(OH)2化合，其活性越高，而且隨著顆粒細(xì)度增加，粉煤灰的比重，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，漿體的密實(shí)度及強(qiáng)度增大。此外，大摻量粉煤灰高性能混凝土強(qiáng)度發(fā)展同溫度密切相關(guān)；溫度高，其強(qiáng)度發(fā)展很快，基本與普通混凝土發(fā)展速度同步;溫度低，強(qiáng)度發(fā)展速度遠(yuǎn)低于普通混凝土。由表還不難發(fā)現(xiàn)摻加了大量粉煤灰的混凝土后期強(qiáng)度亦有較大增長(zhǎng)空間。第A6組混凝土60d強(qiáng)度比28天強(qiáng)度增長(zhǎng)了26.8。第B6組混凝土60d強(qiáng)度比28d強(qiáng)度增長(zhǎng)了23.3。兩者粉煤灰摻量均為60，由此看出由于粉

11、煤灰后期的二次水化，混凝土更密實(shí)，強(qiáng)度得以大幅度提高。摻有粉煤灰的砼試塊后期強(qiáng)度并不低于未摻的砼強(qiáng)度，這主要有以下兩方面的原因：1、摻入粉煤灰減少了砼中的毛細(xì)孔隙，改善了界面層。粉煤灰在砼內(nèi)部的堿性環(huán)境下，被激活水化，生成C-S-H凝膠水化物，減少有害的Ca(OH)2量，從根本上改善了水化漿體特別是界面過渡層的微觀結(jié)構(gòu)。粉煤灰的火山灰反應(yīng)要在拌合后37天才開始，由于其和水泥水化產(chǎn)物迅速而充分的反應(yīng)，使砼強(qiáng)度和抗?jié)B性能很快提高，所以其強(qiáng)度后期增長(zhǎng)顯著。2、加入高效減水劑，解決了低水灰比與拌合物工作度之間的矛盾，且具有高度分散水泥顆粒和消除絮凝的作用，彌補(bǔ)了摻粉煤灰的砼早期強(qiáng)度低的缺陷，這樣一來，

12、砼早晚期強(qiáng)度均有大幅度增長(zhǎng)。可見，將粉煤灰加入砼，其后期強(qiáng)度較高，從英國對(duì)使用30年后的大摻量粉煤灰砼結(jié)構(gòu)物進(jìn)行鉆芯測(cè)定來看，其后期強(qiáng)度大幅度增長(zhǎng)，碳化濃度小，即使用了有堿性的骨料也未發(fā)生明顯的堿骨料反應(yīng)。四、 大摻量粉煤灰混凝土的耐久性1、耐久性概述 高性能的關(guān)鍵是高耐久性。混凝土耐久性受諸多因素影響，包括自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素和使用環(huán)境變化造成的外部因素，其中混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異是影響耐久性的主要因素，只有提高粘土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，才能提高抵抗外部環(huán)境變化造成的侵蝕性破壞，從而提高混凝土的耐久性。長(zhǎng)期以來，衡量混凝土耐久性強(qiáng)弱的指標(biāo)很多，但是真正能綜合反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對(duì)宏觀耐久性影響程度的

13、是抗凍性指標(biāo)，因此，目前國際上普遍以抗凍性作為評(píng)定混凝土耐久性的指標(biāo)，即使所研究的混凝土并非用于嚴(yán)寒地區(qū)工程。目前關(guān)于凍融破壞的機(jī)理有兩種假說：靜水壓假說和滲透壓假說。1、靜水壓假說。靜水壓假說認(rèn)為孔隙水的存在是混凝土發(fā)生凍融破壞的關(guān)鍵。水結(jié)冰時(shí)體積增大約9%，因此認(rèn)為混凝土的孔隙中如果水占據(jù)的體積超過了91.7%，則當(dāng)溫度降低到0以下的某一個(gè)負(fù)溫時(shí)，孔內(nèi)水分結(jié)冰，所產(chǎn)生的膨脹壓力足以破壞混凝土結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)表明，毛細(xì)管水飽和時(shí)，結(jié)冰產(chǎn)生的最大靜水壓力與材料滲透系數(shù)成反比，與毛細(xì)管水的含量和降溫速度成正比，與空氣泡間距的平方成正比。但是有研究表明，冰凍破壞并不一定與水結(jié)冰的體積膨脹有關(guān)。使用苯代替

14、水，使得混凝土預(yù)飽和，雖然苯在結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生收縮，但是水泥漿同樣膨脹。因而產(chǎn)生了滲透壓假說。2、滲透壓假說滲透壓是由孔內(nèi)冰和未凍水兩相之間的自由能之差引起的。冰的蒸汽壓小于水的蒸汽壓，這個(gè)壓差使得附近尚未凍結(jié)的水向冰凍區(qū)遷移，并在該冰凍區(qū)轉(zhuǎn)化為冰。此外，混凝土中的水含有各種鹽類，冰凍區(qū)水結(jié)冰后，未凍溶液中的鹽的濃度增大，與周圍溶液相中的鹽的濃度的差別也產(chǎn)生了一個(gè)滲透壓。因此，作為施加于混凝土的破壞力的滲透壓是冰一水蒸汽壓差及鹽濃度差兩者引起的。因此，冰凍對(duì)混凝土的破壞力是水結(jié)冰體積膨脹造成的靜水壓力以及冰一水蒸汽壓差和溶液中鹽濃度差造成的滲透壓兩者共同作用的結(jié)果。多次凍融交替循環(huán)使得破壞作用積累，

15、猶如疲勞作用，使凍融產(chǎn)生的微裂紋不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。影響混凝土抗凍性的主要因素有：冰凍溫度和速度、可凍水的含量、水飽和程度、材料的滲透性、冰水混和物流入泄壓氣泡的距離等等。這些因素有的由環(huán)境決定，有的則是由材料自身的特性所引起的。對(duì)于粉煤灰混凝土的抗凍性研究中較多的研究了粉煤灰摻量為15%-20%的混凝土，文獻(xiàn)表明：粉煤灰混凝土抗凍性能力隨粉煤灰摻量的增加而降低；和相同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土相比，28天齡期的粉煤灰混凝土試件抗凍性試驗(yàn)結(jié)果偏低，但是對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的文獻(xiàn)比較少。2、試驗(yàn)結(jié)果及分析表2：大摻量粉煤灰混凝土抗凍性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果混凝土編號(hào)混凝土含氣量測(cè)試項(xiàng)目?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)

16、050100A11.6%相對(duì)動(dòng)彈模1009895重量損失率00.2250.422A21.7%相對(duì)動(dòng)彈模1009795重量損失率00.1120.025A31.4%相對(duì)動(dòng)彈模1009494重量損失率00.0080.229A41.6%相對(duì)動(dòng)彈模1009892重量損失率0-0.112-0.243A51.6%相對(duì)動(dòng)彈模1009794重量損失率00.213-0. 143A61.5%相對(duì)動(dòng)彈模1009794重量損失率00.268-0.164說明：表中重量損失率中出現(xiàn)負(fù)值表不重量較凍融試驗(yàn)前增加；從表中可以看出，無論粉煤灰的摻量多少，粉煤灰混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降，大摻量粉煤灰混凝土在凍融循環(huán)過程中，由于快速凍融產(chǎn)生的嚴(yán)重的侵蝕作用，在凍融循環(huán)的后期出現(xiàn)了成型面表層1mm左右的剝落現(xiàn)象，表現(xiàn)為重量損失率隨凍融次數(shù)增加。這里需要補(bǔ)充的是，在凍融循環(huán)的早期，試件的重量并沒有預(yù)想的減小，反而有較小的增加。這同許多文獻(xiàn)介紹的完全一致，可以解釋為凍融后試件表面形成大量的微裂紋，水分通過微裂紋進(jìn)入試件中，引起了重量