超细粉煤灰作为掺合料的高性能混凝土

商品混凝土

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超细粉煤灰作为掺合料的高性能混凝土

DirkBrandenburger,Herten,RolandHuettl,Berlin

(翻译:同济大学材料科学与工程学院孙振平)

在!超细粉煤灰的性能和作用机理研究∀的项目资助下,开展了本文研究工作。笔者发现,采用超细粉煤灰作为掺合料,可配制出密实的和耐化学侵蚀的混凝土。研究结果表明,当粉煤灰和硅灰这两种掺合料以允许掺量掺加时,掺加超细粉煤灰配制的混凝土,其抗Cl-渗透性和抗SO2-侵蚀性,以及抵抗除4冰盐冻融循环破坏的能力,与掺加硅灰者相当,甚至比掺加硅

灰者更优。特别是,本文试验发现,掺加超细粉煤灰的混凝土具有更高的抵抗除冰盐冻融循环破坏的作用,同时,掺加超细粉煤灰可提高混凝土的强度及改善混凝土的流变性和工作性。由于可以节省减水剂的掺量,掺加超细粉煤灰的混凝土性价比更理性。

掺合料种类

掺合料

-M10M20SFAMS

-11311311345

CEM#42󰀂5R水泥

450338338338405

水225191191191225

普通砂13501350135013501350

3󰀂1 抗Cl-渗透性

混凝土抵抗Cl-渗透的能力对钢筋混凝土结构的耐久性具有决定性的影响。用于抗Cl-渗透性试验的砂浆试件采用表1所列的配合比。试件采用4mm薄片,砂子的最大粒径为1mm。对于此处所有配合比,其水灰比(w/z)以及等效水灰比((w/z)eq)均采用0󰀂5,煤矸石粉煤灰和超细粉煤灰的活性指数k取0󰀂4,而硅灰的活性指数k取1。鉴于采用了相同的水灰比,本文可以忽略砂浆工作性和成熟度等方面的差异。

表1 砂浆拌和物的配合比

原材料用量(g)

1 前言

高性能混凝土由于强度高、工作性优异、抵抗物理、化学侵

蚀作用的能力强,因而与普通混凝土有很大区别。高性能混凝土正是由于本身密实度高,才能具有优异的抵抗水、盐溶液和空气侵入的特性。混凝土的密实性主要是通过降低其等效水灰比、提高集料和胶凝材料的堆积密度来实现的。粉煤灰和硅灰等火山灰质掺合料,由于掺入混凝土中后能形成一定量的水化产物,对增强混凝土的密实性和提高其强度都有很大帮助。文献[1]报道了由粉煤灰加工而得的超细粉煤灰!Micros󰀁it∀产品的材料性能,以及作为高性能混凝土掺合料使用时对混凝土工作性和强度的影响情况。本文将研究超细粉煤灰对混凝土抗Cl-渗透和抗SO2-侵蚀,以及抵抗除冰盐冻融循环破4

坏方面的性能的影响。本文主要对比了砂浆和混凝土的试验结果。

砂浆试件抗Cl-渗透性的测试采用通常所用的扩散槽法。在扩散槽中,砂浆试件位于槽两半部分的位置,作为隔板。两半槽内置入溶液,其中一个半槽内置入人工配制的孔溶液(相同摩尔比的NaOH/KOH,pH=13󰀂0),而另一个半槽内置入人工配置的孔溶液和氯化钠溶液(浓度为35󰀂5g/l),如图1所示。

2 试验

在本项研究工作中,必须查明掺加超细粉煤灰作为掺合料的混凝土的性能,并与掺加其它掺合料的混凝土和砂浆进行比

较。掺加不同掺合料的混凝土和砂浆,其新拌阶段和硬化后的性能以及水化进程都是不同的。所以对于本研究项目,必须选择最可能精确一致的条件(比如采用相同的水灰比(w/z)和一定的活性指数(k值))。

文中采用两种颗粒分布的超细粉煤灰(Mirosit󰀁M10和Mirosit󰀁M20),它们是根据DINEN450标准进行筛分后得到的:

M10󰀁󰀁󰀁<10󰀁m的颗粒占95%;M20󰀁󰀁󰀁<20󰀁m的颗粒占95%。

以超细粉煤灰作为掺合料的混凝土/砂浆与掺加煤矸石粉煤灰(SFA)和硅灰(MS)的混凝土/砂浆,以及未掺加任何掺合料的混凝土(即CEM#水泥-混凝土)/砂浆进行了比较。

3 试验结果

图1 扩散槽结构示意图及其照片

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在测试前,试件要在人工配制的孔溶液中放置1天。采用离子层析法可测得未加入氯化钠溶液的一个半槽中Cl-浓度随时间延长而增大的情况。图2是用14天养护龄期的砂浆试件进行测试时,通过砂浆试件隔板扩散渗透过去的Cl-的浓度与时间的关系图。

结果显示,通过混凝土试件渗透过的Cl-的浓度,随着超细粉煤灰掺量的增大几乎成直线下降趋势。

对于掺加25%(指粉煤灰占水泥与掺合料总量的百分比)M10超细粉煤灰的混凝土拌和物,Cl-扩散系数为1󰀂5∃10-12m2/s。扩散系数最低的混凝土,即掺加硅灰的高性能混凝土,其Cl-渗透系数可以低至约1󰀂5∃10-12m2/s。

对于掺加25%(指粉煤灰占水泥与掺合料总量的百分比)M10超细粉煤灰的混凝土拌和物,测得的Cl-扩散系数是基于w/z和(w/z)eq为0󰀂42的情况。这组混凝土中超细粉煤灰的活性指数k是取1的,而非粉煤灰通常所取的0󰀂4。3󰀂2 抗硫酸盐侵蚀性

为考查抗硫酸盐侵蚀性,掺加超细粉煤灰的砂浆拌和物根据SVA方法进行测试,并且与纯水泥砂浆、掺煤矸石粉煤灰和掺硅灰作掺合料的砂浆进行了对比,各组砂浆的配合比如表1。在SVA方法中,测定了侵入SO2-浓度为30g/l的硫酸盐4

溶液的砂浆试件(160mm∃40mm∃10mm)的长度变化。在长度变化的测定值中,要将砂浆!自然的∀长度变化减去,也就是减去放在饱和石灰水溶液中的参比砂浆试件产生的变形。对于抗硫酸盐的砂浆,要求其试件在硫酸盐溶液中浸泡90天后的长度变化值不得大于0󰀂5mm/m。

图4显示了通过计算处理所得的砂浆试件膨胀量随时间的变化情况。结果表明,受硫酸盐侵蚀的砂浆试件,尽管掺加硅灰和掺加超细粉煤灰M10者的膨胀量都有明显降低,但掺加超细粉煤灰M10者的膨胀量仍比掺加硅灰者低大约五成。

图2 Cl-扩散通过的量与时间的关系

图3 掺加掺合料的砂浆,其Cl-扩散通过的量与时间的关系

试验表明,对于未掺加任何掺合料的纯水泥砂浆试件,扩散通过的Cl-的浓度远远高于其它试件。而掺加掺合料的砂浆试件,其抵抗Cl-渗透的能力远远高于纯水泥砂浆试件。

为更好地对比几种掺合料的使用效果,图3只标明了几种掺加掺合料的砂浆试件的Cl-渗透过后的浓度。

对于掺加超细粉煤灰和掺加硅灰的砂浆试件,其渗透过的Cl-的浓度值十分接近。与纯水泥砂浆试件相比,掺加Micro󰀁sit󰀁M10超细粉煤灰的砂浆试件,其渗透过的Cl-浓度减少了大约190倍。与掺加煤矸石粉煤灰的砂浆试件相比,掺加Mi󰀁crosit󰀁M10超细粉煤灰的砂浆试件,其渗透过的Cl-浓度减少了大约8倍。

后续研究工作可以比较掺入的掺合料对于渗透过的Cl-浓度的影响程度,以确定超细粉煤灰最佳掺量。

这项试验采用掺加不同比例超细粉煤灰的混凝土试件进行,超细粉煤灰的掺量分别取5%,15%和25%,集料最大粒径为16mm,水泥和掺合料总用量为390㎏/m3,混凝土的w/z和(w/z)eq取0󰀂42,k值取1。试验采用Tang[2]和Schiessl[3]的研究工作中使用的Cl-扩散仪。总的来说,本试验结果表明,掺加超细粉煤灰(也就是Mi󰀁

crosit󰀁M10超细粉煤灰)可以制备出具有高抗硫酸盐侵蚀性的砂浆,而且也肯定能制备出高抗硫酸盐侵蚀的混凝土。

目前进一步的试验仍在进行中,且初步表明,用超细粉煤灰可以配制出具有抗酸溶出性侵蚀的砂浆和混凝土。3󰀂3 抗除冰盐冻融循环破坏性

采用CDF方法[5]对混凝土的抗除冰盐冻融循环破坏性进行了研究(56次冻融循环)。所制备的混凝土拌和物包括:纯水泥混凝土,掺超细粉煤灰M10和M20者,掺煤矸石粉煤灰以及掺硅灰者。表2列出了这5组混凝土的配合比。图5显示了各组混凝土分别经过28次和56次冻融循环后的剥落量。

图4 受硫酸盐侵蚀的砂浆试件的膨胀量

(根据SVA方法测定)

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表2混凝土配合比及拌和物性能(w/z及(w/z)eq=0󰀂5;

对于SFA,k=0󰀂4;对于硅灰,k=1)

配合比(kg/m3)

掺合料种类-M10M20SFAMS

掺合料-9839

CEM#

42󰀂5R水泥390293293293351

水195166166166195

集料17531805180518051736

新拌混凝土性能含气量(V.%)0󰀂901󰀂151󰀂601󰀂252󰀂1

表观密度(kg/m3)2󰀂422󰀂412󰀂402󰀂412󰀂35

粉煤灰25%,硅灰10%)掺加时,与掺加硅灰作为掺合料的混

凝土相比,掺加超细粉煤灰的混凝土表现同样优秀,其试验结果甚至比掺加硅灰者更理想。特别是掺加超细粉煤灰的混凝土,在抗除冰盐冻融循环破坏性方面优势更明显。

同时,掺加超细粉煤灰可以改善混凝土的流动性和工作性,以及硬化后的性能[1]。掺加超细粉煤灰的混凝土拌和物其性价比最理想。

超细粉煤灰用于配制高性能混凝土的众多作用必须通过实际工程应用得以体现。

超细粉煤灰Microsit󰀁M10和Microsit󰀁M20拥有按照DINEN450进行检测的商品合格证,而且因此可以像通常的煤矸石粉煤灰商品那样,按照DIN1045-2规范将其应用于混凝土中。

参考文献[1]Maibaum,Ch.;H󰀁ttl,R.:NeuerZusatzstofff󰀁r

Hochleistungsbetone󰀂beton54(2004)H󰀂3,S󰀂132–133

[2]Tang,L.;Nilsson,L.-O.:ChlorideBindingCapacity,

PenetrationandPoreStructuresofBlendedCementPasteswithSlagandFlyAsh󰀂London:ElsevierAppliedScience,1991󰀂InternationalConferenceonBlendedCementsinCon󰀁struction,heldattheUniversityofSheffield,9–12Sep󰀁tember1991;Ed.:Swamy,R󰀂N.

[3]Schie󰀁l,P.;Wiens,U.:NeueErkenntnissezumEinfluss

vonSteinkohlenflugascheaufdiechlorinduzierteKorrosion

vonStahlinBeton󰀂ibausilTagungsbericht–Band1;Hrsg.:F󰀂A󰀂Finger-Institutf󰀁rBaustoffkunde[4]DeutschesInstitutf󰀁rBautechnik:Pr󰀁fplanf󰀁rdieZulassungspr󰀁fungeinesvonDIN1045abweichenden

BetonsmithohemSulfatwiderstand,DIBt,BerlinFebru󰀁ar1998

[5]RILEMDraftRecommendation:117-FDCFreeze-Thaw

andDeicingResistanceofConcrete:DraftRecommendation

fortestmethodforthefreeze-thawresistanceofconcrete;Testwithwater(CF)orwithsodiumchloridesolution(CDF)

图5 各组混凝土分别经过28次和56次冻融循环后的剥落量

28次冻融循环后的测试结果显示,不掺加任何掺合料的混凝土,其剥落量最大。接下来破坏较严重的是掺加煤矸石粉煤灰者和掺超细粉煤灰M20者,而掺加超细粉煤灰M10和掺加硅灰的混凝土,其剥落量最小。

对于第29次至第56次的冻融循环,混凝土的剥落量则明显较经过前28次冻融循环的大。对于所有的混凝土,剥落量都增加了。剥落量最小的混凝土为掺加超细粉煤灰M10者,其剥落量大约只有不掺加掺合料混凝土的1/3。最值得注意的是,尽管掺加超细硅灰的混凝土试件在经过28次冻融循环后,与掺加超细粉煤灰M10者一样,剥落量最小,但它经过56次冻融循环后却完全破坏了。

混凝土经过除冰盐冻融循环破坏后的试验结果表明,掺加超细粉煤灰(这里指掺加M10的情况)的混凝土具有很高的抵抗除冰盐冻融循环破坏的能力。而这里进行试验的混凝土并非采用最佳的掺合料掺量。这段时间进一步的关于超细粉煤灰最佳掺量的试验已经完成。掺加超细粉煤灰(这里指掺加M10的情况)的混凝土,已被证明是一种在长期冻融循环过程中,比纯水泥混凝土、掺煤矸石粉煤灰以及掺硅灰的混凝土更能抵抗除冰盐冻融循环破坏的混凝土。

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在!超细粉煤灰的性能和作用机理研究∀的项目资助下,研究表明,将超细粉煤灰作为混凝土掺合料,可以配制出密实的抗侵蚀性优异的混凝土。

在抗Cl渗透性、抗硫酸盐侵蚀。抗除冰盐冻融循环破坏试验中,当超细粉煤灰和硅灰这两种掺合料以允许掺量(超细-