粉煤灰掺量对陶粒混凝土性能的影响

　　摘要：通过对粉煤灰掺量（相同质量代替水泥）为0、10%、20%、30%的4种工况陶粒混凝土试块进行渗透性和抗压强度试验。对标准养护龄期为3天、7天、28天的试块抗压强度测试，结果显示，当试块标准养护龄期为28天达到一定强度，混凝土破坏的根源来自陶粒本身的破坏。粉煤灰掺量为20%时，陶粒混凝土后期强度与普通混凝土基本持平，破坏形态大致相同；在一定范围内随着粉煤灰掺入量的增加，制备的陶粒混凝土的抗渗透性得到改善，即耐久性变好，并且与陶粒混凝土强度大至成正比例关系。 　　关键词：粉煤灰掺量；陶粒混凝土；渗透性；二次水化反应 　　0 前言 　　陶粒混凝土是一种无机保温材料，由于其质轻、高强的特点逐渐在工程上得到应用。然而在水工、港工建筑物的应用中，对混凝土耐水流穿过的能力、混凝土抗碳化、抗氯离子渗透等性能有很高的要求，因此陶粒混凝土后期强度以及抗渗性的优劣直接影响建筑物的安全使用。本次试验以制备LC15的陶粒混凝土为例，研究分析了掺入不同量的粉煤灰对陶粒混凝土抗压强度以及抗渗性能的影响。 　　1 试验工况 　　1.1试验原材料 　　（1）水泥：试验使用的普通硅酸盐水泥P32.5强度等级，由郑州中泰水泥公司生产。 　　（2）陶粒：使用的粉煤灰陶粒，粒经为5-8mm，堆积密度620kg/m3，和粒经为3-5mm，堆积密度710kg/m3的两种陶粒，两种粒径的陶粒以4：6的比例合理掺合，最终得到堆积密度为670 kg/m3，表观密度1080 kg/m3，孔隙率36%，筒压强度2.1MPa，吸水率9.5%的粉煤灰陶粒。 　　（3）粉煤灰：这个试验中所采用的粉煤灰产于开封电力公司，采用45μm筛余量为9.68%（　　（4）砂：河南生产合格黄河砂，细度模数2.3，含泥量2.4%。 　　（5）水：采用饮用水 　　1.2 配合比设计 　　这项研究参照《轻集料混凝土应用技术规程》JGJ51-2002，采用松散体积法，确定陶粒混凝土基本配比，并通过正交试验分析，最终确定出 LC15 陶粒混凝土掺料配合比见表1-1。 　　表1-1 LC15陶粒混凝土配合比 （单位：kg/m3） 　　根据预期制定的试验计划，对原材料进行筛分、浸泡等的处理，根据四种工况的配合比，每组各做12个150mm×150mm×150mm（共计48个）试块，三天后拆除模具，置放于标准养护室进行养护。 　　2 试验结果与分析 　　图2-1 　　2.1 陶粒混凝土强度分析 　　对在标准环境下养护3天、7天、28天的陶粒混凝土，分别进行抗压强度试验，每次试验每组使用3个试块，通过万能试验机对其进行匀速加载，收集试验数据。四组试块养护三天抗压强度为：9.37、6.34、5.3、4.53；七天强度：13.6、11.68、11.5、10.23；二十八天：16.86、16.55、17.4、14.79。（MPa） 　　通过对3天抗压强度测试数据分析，随着粉煤灰掺量的增加，试块的抗压强度呈下降趋势，此时粉煤灰作为一种活性物质，还没有充分发生水化反应，从图2-1中可以看出，掺入粉煤灰之后，随着水泥被粉煤灰取代的量的成比例增加，陶粒混凝土试块的强度基本上呈直线下降，这是因为 　　粉煤灰中得活性成分需要在碱性环境下才能充分反应，碱性环境是在水泥水化反应之后生成Ca（0H）2，然后与掺入的化学激发剂Na2SO4反应生成NaOH，所以粉煤灰的水化反应滞后于水泥的水化反应。随后 　　经过7天的标准养护之后，粉煤灰已经在碱性环境下，同时陶粒中泌出存留的水份，促进了陶粒混凝土的二次水化反应，B、C、D组的试块强度明显得到提高。28天标准养护之后，粉煤灰已经充分发挥作用。这时，作为薄弱环节的Ca（0H）2，经过火山灰反应之后被大量的消耗，同时消耗大量的Ca2+，打破了原有的固液平衡，也促进了水泥的水化反应，胶凝材料的强度大幅度提高。然而，试块的整体强度是靠粗集料和胶凝材料共同发挥出来的，由于本研究所选用的陶粒筒压强度有限，经过加载之后，先于胶凝材料发生碎裂。四种工况掺入相同的陶粒，至使前三组的抗压强度大至相同。由于D组水泥掺量过低，碱性环境相对较弱，故强度明显低于前三组。 　　2.2 陶粒混凝土抗压强度曲线分析及弹性模量计算 　　2.2.1 陶粒混凝土抗压强度曲线分析 　　图2-2是粉煤灰代替水泥掺量20%的陶粒混凝土试件的应力-应变（σ-ε）关系曲线。我们很容易发现，与普通混凝土相比，普通混凝土的σ-ε曲线总体呈现一种脆性破坏的形态，而图2-2所呈现的陶粒混凝土的σ-ε曲线，在AB段明显是一种塑性变形的过程。这是因为，由于普通混凝土中粗集料石子弹性模量非常大，当试块受力时，石子承担主要的作用，当向试块施加的荷载增大到一定的程度，超过了水泥石的抗压强度，试块会突然发生破坏。然而陶粒混凝土试块则有所不同，试块中掺加得陶粒弹性模量较水泥石的小，刚开始施加的荷载就有水泥石承担，当荷载增加到一定的程度，陶粒首先破坏，但是水泥石具有一定的整体性，紧紧包裹着陶粒，试块整体并没有被破坏，陶粒的破坏促使试块的变形加大，在σ -ε关系曲线图上反映在AB段，因此有粉煤灰掺量的陶粒混凝土σ-ε关系可假定为理想的弹- 塑性本构关系。 　　图2-2 　　2.2.2 弹性模量计算 　　陶粒混凝土的弹性模量由所采用陶粒的密度和试块强度共同决定的，我国轻骨料研究小组建议，在使用标准十块时，轻骨料混凝土弹性模量的计算公式为 （2-1） 　　Ec：轻骨料混凝土的弹性模量，MPa；ρe：轻骨料混凝土的表观密度；fcu轻骨料混凝土的标准立方体抗压强度，MPa。求得：Ec=11.75（GPa） 　　同样我们可以从应力――应变曲线可以看出，一般地，弹性模量取tan（a），a为原点和试块1/2极限抗压强度处的割线与水平坐标的夹角从而得出 （2-2） 　　f：轻骨料混凝土标准立方体试块极限抗压强度的1/2，MPa；ε：轻骨料混凝土应力为f时对应的应变。 　　通过对式2-2代入数据进行计算，tan（a）=11.6（GPa）。 　　对两种方法的计算结果进行比较，所得出的陶粒混凝土的弹性模量相差1%，满足规范对计算误差的要求。根据混凝土规范可知C15的普通混凝土弹性模量为22GPa，是同强度陶粒混凝土的1.8倍左右。 　　2.3 陶粒混凝土渗透性分析 　　目前，对普通混凝土的抗渗性研究，粉煤灰能能降低混凝土中氯离子的渗透系数，但是，促使普通混凝土的水渗透性和空气渗透性提高不少。主要原因是粉煤灰拌合时与骨料接触，水化作用前，粉煤灰能降低水泥浆和骨料的黏结，颗粒表面吸附得水膜使过渡区更加多孔。然而对标准养护28天的四组配合比陶粒混凝土试块进行渗透深度的测试发现，陶粒混凝土中加入粉煤灰反而提高了陶粒混凝土的抗渗性。 　　陶粒混凝土中陶粒的吸水性能有效的减少粉煤颗粒表面所吸附的水膜。同时，由于陶粒为球形，增大了与水泥浆的接触面积，再加上陶粒表面较粗糙，最终增强了与水泥浆的黏结，因此在混凝土中，胶凝材料将陶粒紧紧包裹，陶粒之间不能形成较连续的渗水孔，通过对比图2-1，28天抗压强度和图2-3试块的渗透系数拟合曲线，我们也能发现，陶粒混凝土的抗渗性与其本身的强度，有着非常紧密的联系。本次研究主要利用渗透深度法，对陶粒混凝土的渗透性进行测试，通过试验测得在一定的时间与压力下，液体渗入陶粒混凝土的深度，通过公式2-3算出相对渗透系数，即Kp = （2-3） 　　Kp：渗透系数；h：平均渗透深度；v：混凝土孔隙率；t：加压力液体的时间；P：压力差。 　　由于混凝土孔隙率实测起来比较困难，因此采用2-4式近似计算，即 （2-4） 　　Vw：混凝土中水的体积；A：试件横截面积。将2-4式带入到2-3式，得出公式 2-5 Kp = （2-5） 　　对公式2-5中各参数之间的关系可以看出，混凝土的渗透系数与平均渗透深度h成正比，其他各个参数基本保持一样，我们通过试验能得出不同粉煤灰掺量的陶粒混凝土的渗透高度，进而总体比较不同配合比混凝土的渗透性。可以简单转换下公式2-3，把除了渗透高度以外的给定 　　图2-3 　　的参数，用一个常数D来表示，于是得到公式2-5：Kp=Dh，结合试验测量数据，得到如上表图2-3。 　　3 结论 　　本研究对不同粉煤灰掺量的陶粒混凝土标准试块，进行抗压强度、渗透性的测试结果分析，得出如下结论。 　　（1）当粉煤灰代替水泥掺入量为20%时，陶粒混凝土试块后期强度增加明显，标准养护龄期为28天时，基本赶上普通陶粒混凝土强度。 　　（2）由于陶粒混凝土的强度有胶凝材料和轻集料陶粒协同发挥出来的，胶凝材料养护到一定的时期，其强度会大于陶粒的抗破坏强度，陶粒混凝土的破坏源于陶粒自身的破坏。试件的整体强度与陶粒的筒压强度有着非常密切的关系，故每批陶粒制品，都要进行专门的试验研究。 　　（3）与普通混凝土相比，陶粒混凝土试块的破坏更倾向于弹―塑性破坏，陶粒混凝土σ-ε关系可假设为理想的弹―塑性本构关系；同等强度的陶粒混凝土弹性模量，要比普通混凝土的低。 　　（4）不同粉煤灰掺量的陶粒混凝土的抗渗性变化走向与其抗压强度的走向大致相同，粉煤灰替代水泥掺量20%时，粉煤灰充分填充到水泥浆里面，有效提高了陶粒混凝土试块的抗渗性。 　　参考文献： 　　[1]中华人民共和国建设部.轻骨料混凝土技术规程（JGJ51 2002）[S].北京：中国建筑工业出版社 　　[2]李扬.塑性混凝土弹性模量的计算方法[J].三峡大学学报.2013，8. 　　[3]于萍.粉煤灰陶粒混凝土的性能研究[D].大连交通大学硕士学位论文.2009，6.