粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的影響

趙傲銘　王志華　楊曉林　張彬彬　查勤雄

摘要：為探究粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度的影響，利用壓汞分析了粉煤灰的摻量及粒徑分布對(duì)混凝土分級(jí)孔徑孔隙率和抗壓強(qiáng)度的影響。研究表明：在同齡期同粉煤灰摻量下，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙率逐漸降低，多害孔、有害孔逐漸減少，無害孔和少害孔逐漸增加，同時(shí)通過對(duì)混凝土各孔級(jí)分孔隙率分形維數(shù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)混凝土孔隙體積分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間有比較好的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：混凝土；粉煤灰；抗壓強(qiáng)度；分形維數(shù)

Effect of fly ash admixture on the structure and strength of concrete hole

Zhao AomingWang ZhihuaYang XiaolinZhang BinbinZha Qinxiong

School of Civil EngineeringQinghai UniversityQinghaiXining 810016

Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the pore structure and compressive strength of concrete， the influence of fly ash content and particle size distribution on the graded pore size and porosity and compressive strength of concrete was analyzed by mercury intrusion analysis. The results show that： in the same age with fly ash， with the decrease of the particle size of fly ash concrete porosity decreased gradually， and many holes and harmful pores gradually reduced， and less harmful and harmless pore hole increases gradually， and through the calculation of concrete of the hole fraction porosity fractal dimension， a better correlation between the concrete pore volume fractal dimension and compressive strength.

Key words：Concrete； fly ash； compressive strength； fractal dimension

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：青海水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積380m2/kg。

（2）骨料：碎石，5～20mm 連續(xù)級(jí)配；砂： 細(xì)度模數(shù)為 2.7 的中砂。

（3）減水劑：減水率18%25% 。

（4）粉煤灰：一級(jí)粉煤灰。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）制備不同粒徑的粉煤灰。以粉煤灰研磨時(shí)間為控制指標(biāo)，用球磨儀制備不同粒徑的粉煤灰[13]。然后利用激光粒度儀測(cè)試各自的粒徑范圍，其結(jié)果見表1。

（2）試驗(yàn)配合比。采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，試件尺寸 100 mm × 100 mm × 100 mm，粉煤灰等量替代水泥的比例為 16% 、18% 、20%。水灰比為0.42，試驗(yàn)用混凝土配合比見表 2。

（3）壓汞試驗(yàn)試件的制備。將養(yǎng)護(hù)至7d齡期的混凝土試塊，在試塊中心部分取直徑 3～5 mm 不含石子的砼碎塊，放置于無水乙醇中浸泡48小時(shí)，然后在烘箱中不間斷烘干24h，烘干溫度105℃。最后放入壓汞儀器中進(jìn)行MIP壓汞試驗(yàn)[48]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同齡期混凝土強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系

以粉煤灰粒徑為F0的混凝土為例，試驗(yàn)組粉煤灰取代量為16%～20%，齡期為3d、7d、28d砼抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表3，摻量和強(qiáng)度關(guān)系見圖1。

由圖1可知，粉煤灰的摻入對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有一定影響。粉煤灰取代量為15%的砼在養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d的抗壓強(qiáng)度平均值分別下降了5.2MPa和3.7MPa，強(qiáng)度百分率分別下降了17.1%和10.4%，可見混凝土早期抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的加入有一定下降[9]，粉煤灰摻量為15%的砼抗壓強(qiáng)度較大，摻量為20%的砼抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小。

2.2 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度與粉煤灰粒徑分布的關(guān)系

當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，砼抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，能較好凸顯粉煤灰粒徑分布對(duì)砼抗壓強(qiáng)度的影響，為進(jìn)一步探究其關(guān)系，選取粉煤灰粒徑大小為F0、F1、F2，摻量為15%三種砼，測(cè)試其齡期為3d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，養(yǎng)護(hù)齡期與砼的抗壓強(qiáng)度大致成正比關(guān)系。在試件養(yǎng)護(hù)早期，粉煤灰粒徑較小的試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度在一定程度上高于對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度，在養(yǎng)護(hù)后期，兩者抗壓強(qiáng)度極為接近。養(yǎng)護(hù)齡期7d時(shí)，粒徑F2的粉煤灰所對(duì)應(yīng)砼抗壓強(qiáng)度相比粒徑F0、F1粉煤灰所對(duì)應(yīng)砼抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)19MPa、1.4MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為5.9%、4.3%；而在養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)粒徑F2粉煤灰對(duì)應(yīng)的砼抗壓強(qiáng)度相比粒徑F0、F1粉煤灰對(duì)應(yīng)的砼抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)0.8MPa、0.4MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為1.8%、0.9%。

2.3 不同粒徑分布不同摻量粉煤灰對(duì)混凝土孔隙分形維數(shù)的影響

不同粉煤灰摻量和粒徑分布與砼孔隙分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4。

由圖3可見，當(dāng)粉煤灰粒度相同時(shí)，隨著粉煤灰摻量的逐漸增加，混凝土孔隙分形維數(shù)隨之逐漸減小，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)混凝土孔隙分形維數(shù)最小；當(dāng)粉煤灰摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙分形維數(shù)呈遞增趨勢(shì)。同時(shí)，由于粒徑的減小，其比表面積和化學(xué)活性增大，提升了二次水化反應(yīng)的速率，因此，單位時(shí)間內(nèi)生成更多的水化產(chǎn)物，從而達(dá)到細(xì)化孔徑，使混凝土孔隙率降低，孔隙分形維數(shù)增大。

2.4 混凝土孔隙分形維數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

大量學(xué)者的研究證明[1012]，混凝土的抗壓強(qiáng)度高低不僅與孔徑尺寸大小有關(guān)，孔隙率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有著決定性的影響作用，于此同時(shí)孔隙分形維數(shù)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度也有一定影響。混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙分形維數(shù)如表5所示。

由表5 可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度越大其對(duì)應(yīng)的孔隙分形維數(shù)就越大。這是因?yàn)榭紫堵适菦Q定混凝土材料強(qiáng)度的主要因素，孔隙率越小，孔隙分形維數(shù)隨之越大，混凝土抗壓強(qiáng)度也就越大。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰的加入對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度具有一定的削弱作用。

（2）養(yǎng)護(hù)的齡期越長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。

（3）當(dāng)粉煤灰摻量相同時(shí)，隨著粉煤灰粒徑的減小（研磨時(shí)間越長(zhǎng)）少害孔、有害孔及多害孔的分級(jí)孔隙率均減小，無害孔分級(jí)孔隙率增加，孔徑分布得到較好優(yōu)化；當(dāng)粉煤灰粒徑相同時(shí)（研磨時(shí)間相同），隨著粉煤灰摻量的增加，少害孔、有害孔及多害孔的分孔隙率增加。

（4）當(dāng)粉煤灰粒度相同時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土孔隙分形維數(shù)逐漸減小，粉煤灰摻量為20%時(shí)混凝土孔隙分形維數(shù)最小；當(dāng)摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙分形維數(shù)呈遞增趨勢(shì)，同時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度越大其對(duì)應(yīng)的孔隙分形維數(shù)就越大，抗壓強(qiáng)度與孔隙分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

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基金：青海省科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014HZ822；2016ZJ721）；青海大學(xué)中青年科研基金（項(xiàng)目編號(hào)：2013QGY2）

作者簡(jiǎn)介：趙傲銘（1990），河南通許人，青海大學(xué)。