高摻量粉煤灰混凝土含氣量試驗研究

劉桂玲

(山西大同大學,山西 大同 037003)

由膠凝材料將集料膠結成整體的混凝土,是一種堅硬的人工建筑材料,歷史悠久,最早可追溯到古羅馬穹頂和拱建筑結構的建造；尤其是現代鋼筋混凝土應用非常廣泛,在國民經濟建設中發揮著不可替代的作用。國家統計局和發改委經濟運行調節局統計表明：2016年,全國水泥產量240295萬t,商品混凝土產量179200萬m3。山西大同是全國重要的電煤生產基地,10余家燃煤熱電廠,而作為熱電廠副產品排放的粉煤灰呈逐年上升趨勢；年利用粉煤灰不足80萬t,露天堆放粉煤灰300萬t/a。從全國來看,由2001年1.54億t的排放量,激增至2014年的5.78億t[1]。堆積的粉煤灰占用了大量土地,勢必造成空氣、水體、耕地等周圍環境污染。因此,積極推動高品質粉煤灰綜合利用,已成為減少固體廢物污染、改善大氣環境質量,實現變廢為寶、節約能源的迫切需要；更會對我國綠色發展和可持續發展產生深遠影響。粉煤灰混凝土以一定量粉煤灰取代部分水泥配制而成,可以充分發揮粉煤灰潛在活性,以減少配制水泥用量,降低工業生產成本,還能改善混凝土耐久性[2]。R.E.Davis[美]于1954年首次提出：混凝土中若用較大比例的粉煤灰與水泥作膠凝材料配制可形成一種新材料—高摻量粉煤灰混凝土(High Fly-ash Content Concrete,簡稱HFCC)。本文擬采用當地常見工程材料,對HFCC進行配合比設計,通過拌合物含氣量等試驗研究,其大規模應用提供依據。

1 HFCC配合比設計

大同冀東P.O42.5水泥滿足國家標準《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007的。細骨料為產自大同縣平均細度模數為3.0的中砂,人工碎石作為粗骨料；中砂和碎石都符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》。從燃煤電廠煙道氣體中收集的煤燃燒所產生的煙氣中的固體廢棄物——粉煤灰,通常可分為：Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級[3]。由GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》,本地區熱電廠袋裝粉煤灰：密度2.2g/cm3,堆積密度750kg/m3,細度0.045mm篩余14.5%,燒失量3.5%；其他化學成分見表1。因此,該Ⅱ級粉煤灰可用于F類混凝土、砂漿拌制需要。

表1 粉煤灰摻合料試驗

選用質量法進行粉煤灰混凝土配合比設計,同時,采用多因素試驗設計法以確保取得滿意試驗效果[4-5]。混凝土的設計強度等級分別為C30、C40、C50,42.5硅酸鹽水泥的粉煤灰摻量為0%、10%、20%、30%、40%；混凝土塌落度選擇120±20mm。經過多次試驗滿足混凝土配置強度和塌落度等要求的混凝土配合比設計,如下表2所示。

表2 HFCC配合比設計

試驗編號水膠比配制材料用量(kg/m3)水粉煤灰水泥砂子石子F00-C40F10-C40F20-C40F30-C40F40-C400.3518505255701065185504754901145180100425490115518015536049711591802103105101190F00-C50F10-C50F20-C50F30-C50F40-C500.3018505804701120185625604701165180116475480116018018241548210851802403904651130

2 HFCC拌合物含氣量試驗

HFCC混凝土拌合物的拌制和凝結硬化過程中也會有內生氣體、孔隙,從而進一步加速混凝土碳化、凍脹,引起抗壓、抗滲、抗折等物理力學性能降低[6-7]。因此,探討HFCC含氣量對于混凝土實際運用具有重要意義。

2.1 試驗儀器

由GB/T20080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準按照標準》,采用容積7L,粗骨料最大粒徑為40mm的CA-3只讀式混凝土含氣量測定儀,其含氣量量程10%,精度0.1%,氣密性試驗壓力、設計最高壓力分別為：0.4MPa、4MPa。

2.2 試驗結果

圖1 混凝土含氣量-粉煤灰摻量曲線

從圖1看出,對于C30、C40、C50試驗混凝土,摻加粉煤灰可明顯降低混凝土含氣量；含氣量由不摻加粉煤灰時的2.5%,下降到摻量40%的1.7%,最大降幅約0.8%。因此,由于粉煤灰在混凝土中很好發揮了形態、填充效應,降低了混凝土含氣量、提高了密實度,改善了混凝土拌合物性能。

由圖2,水灰比分別0.45、0.35、0.30時,含氣量隨著粉煤灰摻量的增加(10%、20%、30%、40%)而降低；粉煤灰摻量不變時,含氣量隨著水膠比的增大而增加。

圖2 混凝土含氣量-水灰比變化圖

3 結論

由于粉煤灰在混凝土中的形態、填充效應,密實度提高、含氣量降低,混凝土拌合物性能得到改善。HFCC隨粉煤灰摻量增大,含氣量的大幅度降低。同時,水灰比由0.45下降到0.30,混凝土的含氣量也呈正比逐漸下降0.5%左右。

[1]CCPA粉煤灰材料分會.2016年度粉煤灰行業發展報告[R]．

[2]王福元,吳正嚴.粉煤灰利用手冊(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2004．

[3]GB/T1596-2005 用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S]．

[4]JGJ55-2011 普通混凝土設計規程[S]．

[5]GB/T50146-2014 粉煤灰混凝土應用技術規范[S]．

[6]吳溪.粉煤灰摻量對混凝土的抗碳化性能的影響[J].江西建材,2016(04):3-6．

[7]王華山.粉煤灰對混凝土力學性能和耐久性能影響研究現狀分析[J].江西建材,2017(21):10-11．