大摻量粉煤灰和礦粉對混凝土強度的影響

曹潤武 于 琦

(青島青建新型材料有限公司，山東青島 266010)

0 引言

近年來，隨著“低碳經(jīng)濟”在人類生活中的廣泛倡導，大規(guī)模采用綠色混凝土已成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。綠色混凝土的大量使用，可以在降低水泥用量的同時，減少資源消耗，降低二氧化碳排放，從而切實有效的實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”。粉煤灰(FA)和礦粉(S95)作為常見的礦物摻合料已被廣泛應(yīng)用于綠色混凝土的制備當中。研究表明:礦物摻合料不僅可以有效改善混凝土拌合物的和易性，減少泌水和離析，還可以提高混凝土的后期強度。除此之外，礦物摻合料還可降低水泥水化熱，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，防止堿骨料反應(yīng)［1］，從而提高混凝土的耐久性和體積安定性。可見粉煤灰和礦粉已成為混凝土中不可或缺的一部分。本文系統(tǒng)的研究了粉煤灰、礦粉及其他摻合料摻量取50%時對混凝土強度的影響。

1 試驗原材料

水泥:山水水泥廠生產(chǎn)的P．I52．5硅酸鹽水泥，其物理力學性能指標如表1所示;

粉煤灰:青島四方電廠生產(chǎn)的Ⅱ級灰，其性能指標見表2;

粗骨料:嶗山產(chǎn)5 mm～25 mm連續(xù)級配的花崗巖碎石，符合JGJ 52-2006的要求;

細骨料:符合JGJ 52-2006要求的細度模數(shù)為2．7的中砂;

外加劑:山東建科院產(chǎn)聚羧酸減水劑，減水率達30%;

礦粉:青島產(chǎn)S95級礦粉;

抗裂防水劑(CSA):唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn);

水:自來水。

粉煤灰和礦粉的XRF成分分析見表3。

表1 水泥物理力學性能指標

表2 粉煤灰性能技術(shù)指標 %

表3 粉煤灰和礦粉的XRF成分分析 %

2 試驗方案和結(jié)果

本試驗的膠凝材料用量分別為 350 kg/m3，390 kg/m3，430 kg/m3和470 kg/m3。膠凝材料體系包括單摻粉煤灰和礦粉，復摻粉煤灰，CSA，P800，P1000超細礦粉，復摻礦粉，CSA，P800，P1000超細礦粉。試驗采用砂率均為40%，外加劑(NF)摻量占膠凝材料總量的1．2%，通過控制坍落度在160 mm～200 mm來調(diào)整用水量。試驗方案和結(jié)果見表4～表6。

表4 粉煤灰混凝土試驗方案

表5 礦粉混凝土試驗方案

表6 各類混凝土試驗結(jié)果MPa

3 試驗結(jié)果分析

3．1 大摻量粉煤灰和礦粉對混凝土強度的影響

粉煤灰不僅具有改善混凝土流動性、減少經(jīng)時損失的作用，還可以提高混凝土的密實性和抗?jié)B性。此外粉煤灰的大量摻入可以降低水泥用量，減小水化熱，防止混凝土結(jié)構(gòu)開裂［2］，降低混凝土成本，提高混凝土材料的綠色度。礦粉具有活性高、顆粒形態(tài)比水泥小的特點，在混凝土膠凝材料體系中起到復合膠凝效應(yīng)和微集料效應(yīng)［3］。

試驗表明粉煤灰和礦粉的摻入改善了混凝土工作性能。在相同膠凝材料用量下，若使混凝土達到相同流動度，不摻礦物摻合料的組別所需用水量要高于摻礦物摻合料的組別，摻礦物摻合料的混凝土流動性，粘聚性，保水性得到改善。根據(jù)表6繪制粉煤灰和礦粉系列混凝土強度圖，見圖1。

由表6和圖1可知:

1)當粉煤灰摻量為50%時56 d混凝土強度難以達到基準水平，強度損傷較大。表明Ⅱ級粉煤灰摻量在50%時不能等量取代水泥。此時可采取超量取代或摻加其他礦物摻合料的方法來改善強度。2)當?shù)V粉摻量為50%時其7 d強度增長較慢，但28 d的混凝土強度已接近于基準混凝土強度，56 d強度甚至大于基準混凝土強度。表明S95礦粉摻量在50%時，可以等量取代水泥，其后期強度甚至高于基準混凝土強度。

3．2 粉煤灰、礦粉和其他礦物摻合料復摻對混凝土強度的影響

為了彌補早期強度造成的損失，在摻合料中摻加了10%的超細礦粉或者CSA，粉煤灰和礦粉占40%。超細礦粉的高細度、高活性使其在混凝土中具有較好的填充和火山灰的作用，并使混凝土界面區(qū)的晶體數(shù)量以及孔隙率減少，二次水化作用能夠使水泥石更加地致密［4］。繪制各配合比混凝土強度圖，如圖2所示。

由表6和圖2可知:

1)當粉煤灰摻量為40%時，分別摻P1000超細礦粉、P800超細礦粉、CSA的混凝土強度都達不到基準混凝土強度，但是摻入P1000超細礦粉的混凝土56 d強度與基準混凝土強度相差不大。可見當Ⅱ級粉煤灰摻量為40%時混凝土強度損失較大，但摻入10%的P1000超細礦粉能較好的彌補強度損失。

2)當?shù)V粉摻量為40%時，除了CSA外的其他礦物摻合料均可以較好的彌補早期強度損失。摻加P1000超細礦粉系列28 d的強度，已經(jīng)超過了基準混凝土的強度。

這主要由于超細礦粉微粒的粒徑遠遠小于粉煤灰顆粒的粒徑，具有極高的比表面積和表面能，當在混凝土拌合物中摻入超細礦粉時，超細礦粉的密實填充效應(yīng)細化了漿體中的毛細孔徑，延長了毛細孔通道，并且在堿激發(fā)條件下超細礦粉自身的活性較高，使得混凝土的孔隙率進一步降低，結(jié)構(gòu)體更加密實，抗壓強度也相應(yīng)提高。

3．3 不同礦物摻合料對混凝土強度增長速度的影響

為了研究不同礦物摻合料對于混凝土強度增長速度的影響，把同種膠凝材料體系下，不同膠凝材料用量的同齡期混凝土強度進行平均，研究其早期發(fā)展規(guī)律，見圖3。

圖1 粉煤灰和礦粉對混凝土強度的影響

圖2 復摻礦物摻合料28 d和56 d強度

圖3 粉煤灰和礦粉系列混凝土強度增長趨勢圖

由表6和圖3可知:

1)摻加礦物摻合料的混凝土7 d內(nèi)強度增長速率均小于基準混凝土，粉煤灰和礦粉系列的混凝土3 d強度增長速率相差并不是不大，但礦粉系列的混凝土強度在7 d后增長速率明顯高于粉煤灰系列。

2)基準混凝土強度在28 d～56 d內(nèi)的增幅僅為2．9%，純粉煤灰混凝土增幅達15．1%，純礦粉混凝土增幅達14．4%，粉煤灰和P1000超細礦粉復摻后期強度增幅達9．4%，礦粉和其他礦物摻合料復摻后期強度增幅均在10%左右。

由此表明，礦物摻合料在前期不能較好的發(fā)揮其活性，但能較好的改善混凝土后期強度。

4 結(jié)語

1)當Ⅱ級粉煤灰摻量為50%時，混凝土強度損傷較大，不能等量取代水泥。摻入10%的P1000超細礦粉能較好的彌補強度損失。

2)當?shù)V粉的摻量為50%時，其后期的混凝土強度能達到基準混凝土水平，所以配制礦粉系列混凝土時，礦粉摻量可以超過50%。

3)大摻量礦物摻合料早期活性發(fā)揮比較慢，但是后期活性發(fā)揮較快，能較好地改善混凝土的后期強度，其增長幅度要大于基準混凝土。

［1］王稷良，王雨利，李進輝．粉煤灰和礦粉對高強混凝土耐久性的影響［J］．粉煤灰綜合利用，2007(2):31-33．

［2］李秋義，李艷美，毛高峰，等．再生細骨料混凝土強度試驗研究［J］．青島理工大學學報，2007(11):79-81．

［3］鐘桂珍．關(guān)于在混凝土配置中摻入礦粉及粉煤灰的探討［J］．山西建筑，2008，34(21):139-142．

［4］陳榮升．超細礦粉和聚合物改性的水泥基高性能材料研究［D］．杭州:浙江工業(yè)大學，2002．