低水胶比下粉煤灰复合矿粉配制高强泵送混凝土的性能研究

文摘 2024-11-19 07:04 河南

粉煤灰单独掺入混凝土时具有低水化热、高耐久性以及成本低等特点，但其活性较低导致水化程度较低，尤其是早期(7d)，粉煤灰几乎未参与水化。矿渣微粉则刚好相反，并具有成本费用偏高、干缩大、干燥易开裂等特性，故其单掺时混凝土的耐久性受到质疑。考虑到粉煤灰和矿渣粉各自的特性，故采用两种掺合料复掺的办法，以期弥补单掺时的缺点。因此，本文将粉煤灰和矿渣粉按照一定的比例复合来配制混凝土，探讨不同掺量下的工作性、力学性能以及微观形貌。

1实验原材料

实验采用新疆乌鲁木齐天山水泥厂的普通硅酸盐水泥(42.5R)，比表面积为386m²/kg，标准稠度用水量为26.9%，3d抗压强度为28.6MPa，28d抗压强度为50.4MPa；

粉煤灰选用乌鲁木齐市苇湖梁电厂产生的粉煤灰，比表面积为420m2/kg，需水量比89%；

矿渣微粉为新疆钢铁厂生产的粒化高炉矿渣微粉，比表面积为440m²/kg；

水泥、粉煤灰和矿粉的化学成分检测结果见表1。

从表1可以看出，粉煤灰的CaO的含量较水泥和矿渣低，属于低钙粉煤灰，且SiO₂和Al₂O₃之和满足不小于70%的要求。矿渣中SiO₂和Al₂O₃的含量较粉煤灰要小，但是经过检测，该矿渣微粉能够满足GB/T18046－2008中规定的S95级的技术要求。

混凝土中的骨料选用乌拉泊水库中游乌鲁木齐河中的水洗砂和卵石，其中砂的细度模数2.8，含泥量0.3%。卵石采用5～20mm的连续级配(一级配)，5～10mm和10～20mm的颗粒各占50%，含泥量为0.1%。外加剂采用聚羧酸高性能减水剂，其浓度25%。

2实验设计及实验结果

水胶比固定为0.20，单方用水量为140kg，粉煤灰和矿粉单掺时掺量以30%、40%、50%、60%、70%(质量分数)来代替水泥，为了能够形成对比，复掺时掺量与单掺相同，选取粉煤灰与矿渣微粉的比例为3:1、2:1、1:1。考察低水胶比下高强绿色高性能混凝土各龄期强度的发展规律，同时满足泵送混凝土的要求，即:高流动度、粘聚性以及保水性等。粉煤灰和矿渣微粉单掺时混凝土的实验结果见表2；两者复掺时的实验结果见表3。

3实验结果分析

表2为单掺粉煤灰、矿渣粉对高性能混凝土工作性、强度的影响。从表2可以看出，粉煤灰混凝土拌和物的坍落度和扩散度分别都在24.3、43.9cm以上，随着粉煤灰掺量的增加，其坍落度和扩散度分别增加至25.3和52.0cm；实测后的表观密度则刚好相反，从2331kg/m³下降至2244kg/m³。粉煤灰的掺量对混凝土强度的影响较大，掺量从30%增至70%时，各龄期的强度均呈下降的趋势，早期(3、7d)的降低幅度较大，这与粉煤灰的活性低的特点是分不开的；但是随着龄期的延长，粉煤灰的活性得到激发，其强度也得到提高。

矿渣混凝土与粉煤灰混凝土不同，矿渣的活性高、易泌水的特点。当矿渣代替水泥配制混凝土时，混凝土拌合物的坍落度较粉煤灰混凝土拌合物的要大，当矿渣掺量从30%增至70%时，其坍落度和扩展度分别从25.0、60.7cm增至26.0、66.8cm；实测表观密度从2384kg/m³下降至2386kg/m³，这与粉煤灰混凝土相同，都是由于其密度较水泥低的原因引起的。但其强度不同，矿渣混凝土的强度较高，当掺量从30%增至70%时，各龄期混凝土的强度呈先增加后减少之势，当掺量为50%时，其强度最大。

表3为复掺粉煤灰和矿渣粉对高性能混凝土工作性、强度的影响，从表3可以看出，复掺比例对混凝土工作性、强度的影响较大，在各比例下，混凝土拌合物的坍落度、扩散度分别在24.0、51.0cm以上，但掺量增加时，其坍落度、扩散度的增加幅度与单掺变化不大；复掺时的强度与单掺粉煤灰时的变化规律相同，即使粉煤灰与矿渣粉的比例从3:1降至1:1时，其强度均呈下降之势，以矿渣粉占优时，强度较大。

4微观形貌分析

在掺量为70%时，单掺粉煤灰、矿粉和复掺28d时的微观形貌如图1所示，从图可以看出，粉煤灰、矿渣粉和复掺时的混凝土都较为密实，没有明显的大孔，以掺矿渣的混凝土尤为明显。将其放大后可以发现(图2)，粉煤灰颗粒的表明已经发生“蚀刻”现象，表面已经附着一些水化产物，这主要是粉煤灰颗粒表面的活性的Al₂O₃和SiO₂与水泥产生的Ca(OH)₂在浆体中发生火山灰反应，生成C-S-H凝胶；故可认为粉煤灰充分发挥了掺合料的火山灰效应和填充效应；矿渣粉较粉煤灰的活性较高，从抗压强度就可以看出，矿渣粉在早期就参与了反应，并在混凝土的孔隙中就可以发现大量的针状AFt(图2(b))，各种水化产物相互交织成网状结构；当粉煤灰与矿渣粉复掺时，两种颗粒表面都有大量的水化产物交织在一起，提高了混凝土的密实度。

单掺粉煤灰(a)、矿粉(b)和复掺(c)在90d时的微观形貌和钙硅比如图3所示。从图3可以看出，随着龄期的延长，混凝土的水化产物增多，密实度也在不同程度上得到了提高。通过能谱测试发现，粉煤灰和矿渣掺入混凝土后，其钙硅比均在1.0之上，但都较未掺掺合料时要小(通常Ca/Si为2.2～2.5)，即使是复掺时，也表现出相同的结果。

5结语

单掺粉煤灰、矿粉和复掺时高性能混凝土拌和物的工作性较好，均满足泵送混凝土对工作性的要求，单掺粉煤灰高性能混凝土在各龄期的强度均呈下降的趋势，早期(3、7d)的降低幅度较大，28d是其抗压强度抗压达到49～70.7MPa。矿渣的活性高，早期混凝土的强度也较粉煤灰混凝土高，28d时其抗压强度达到70～80MPa；复掺时，当掺量从30%增至70%时，各龄期混凝土的强度呈先增加后减少之势，以掺量为50%时，其强度最大。故采用粉煤灰和矿渣复掺时，混凝土在经济和耐久性上都具有较为明显的优势，且能够充分利用工业废渣，达到了节能减排和可持续发展的战略目的。

粉煤灰、矿渣单掺和复掺时，颗粒表面活性的Al₂O₃和SiO₂与水泥产生的Ca(OH)₂在浆体中发生火山灰反应，生成C-S-H凝胶，细化和减少混凝土界面区域的Ca(OH)₂，未水化的颗粒能够填充于混凝土，能够明显地改善混凝土的密实度，降低混凝土的钙硅比。

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