粗集料對粉煤灰混凝土性能影響

汪 振 雙， 王 立 久

（1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132032）

0 引 言

粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的一種工業(yè)廢渣.粉煤灰的綜合利用，特別是用于土木建筑材料方面，不僅能徹底解決其堆放占地和環(huán)境污染問題，而且具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益.將粉煤灰變廢為寶，變害為利，已成為我國經(jīng)濟建設(shè)中一項重要的技術(shù)經(jīng)濟政策[1].傳統(tǒng)的混凝土由水泥、水和集料組成.水泥水化產(chǎn)物水泥石是傳統(tǒng)混凝土的基點，水灰比是水泥石理論的重要參數(shù).但近代學(xué)者的研究表明，這種理論一方面混淆了粗細集料對混凝土各自性能的貢獻，另一方面也夸大了水灰比的作用[2].混凝土架構(gòu)理論認為，混凝土由粗集料、砂漿和界面黏結(jié)層三相組成，即混凝土強度來源于粗集料、砂漿和界面黏結(jié)層三部分.混凝土集料是混凝土的重要組成成分.研究人員通常把研究重點放在水泥、水灰比、減水劑、活性礦物摻合料等方面，而忽視了占混凝土體積3/4左右的集料.美國的 Mehta曾經(jīng)指出：“將集料作為一種惰性填充料這種傳統(tǒng)的見解，確實應(yīng)該被打上一個問號.如果不像對待水泥那樣來重視集料，顯然是不合適的.”[3]隨著高性能混凝土的發(fā)展，集料的重要作用才真正被研究人員所認識和重點研究.但是多數(shù)研究只偏重于混凝土強度，而忽視了集料對混凝土耐久性能方面的影響.實際上集料的幾何特性、物理性能、化學(xué)成分等對水泥混凝土早期的工作性能、硬化后的力學(xué)性能及耐久性能都存在不可忽視的影響[4～6].本文試驗從混凝土架構(gòu)理論出發(fā)，研究不同粉煤灰摻量對砂漿性能的影響，探討不同集料種類對粉煤灰混凝土性能的影響，分析集料對混凝土抗凍性能的影響，力求找尋集料對粉煤灰混凝土性能的影響規(guī)律.

1 試 驗

1.1 試驗材料

（1）水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見表1.水泥的密度為3.15 g/cm3，比表面積為350 m2/kg.

（2）粉煤灰：丹東華丹電廠生產(chǎn)的Ⅰ級灰，化學(xué)成分見表1.

（3）細集料：ISO標(biāo)準砂.

（4）粗集料：4種礦物成分不同的粗集料，其物理性能見表2.

（5）水：普通自來水.

表1 原材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components of raw materials

表2 粗集料的物理性能Tab.2 Physical property of coarse aggregate

1.2 配合比

試驗中C20混凝土的基準配合比為m（水泥）∶m（細集料）∶m（粗集料）∶m（水）＝1∶2.56∶4.75∶0.63.試驗中C40混凝土的基準配合比為m（水泥）∶m（細集料）∶m（粗集料）∶m（水）＝1∶1.38∶3.21∶0.42.試驗中考慮了兩種粉煤灰的內(nèi)摻量（20%和40%，采用等量取代法）.

1.3 試驗方法

混凝土的力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》（GB/T 50081—2002）進行測試.立方體抗壓強度采用150 mm×150 mm×150 mm的試件，抗折強度采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，彈性模量試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件.試驗機為多功能動態(tài)液壓伺服萬能試驗機（1000 k N）.抗凍融耐久性按GBJ 82—85進行，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，齡期為28 d.凍融循環(huán)試驗機為北京燕科公司生產(chǎn)的TRD1型混凝土凍融試驗設(shè)備.動彈性模量采用天津建筑儀器廠生產(chǎn)的DT－8W動彈儀測試.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 坍落度

從圖1和2可以看出，C20混凝土基體的擴展度（D）為86 mm，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土基體的擴展度不斷增加，粉煤灰的摻量40%時，擴展度達到112 mm.對于C40混凝土而言，混凝土基體的擴展度為105 mm，當(dāng)水膠比不變的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土基體的擴展度不斷增加，粉煤灰的摻量40%時，擴展度達到148 mm.粉煤灰的“微珠效應(yīng)”改善了混凝土拌合物的流動性，對于C40混凝土基體，由于水泥用量的增加，增加了混凝土拌合物的流動性，混凝土基體的擴展度大于C20混凝土基體.粗集料的重力作用降低了混凝土的坍落度（S）.粗集料的種類對混凝土坍落度的影響上，玄武巖和花崗巖相差不大，輝綠巖的影響較為明顯，原因在于輝綠巖吸水率大，在混凝土拌合過程中，吸收了一部分拌合用水.

圖1 C20不同粉煤灰摻量砂漿的擴展度和混凝土的坍落度Fig.1 Divergence of different fly ash volume fraction of mortar matrix and slump of concrete for C20

圖2 C40不同粉煤灰摻量砂漿的擴展度和混凝土的坍落度Fig.2 Divergence of different fly ash volume fraction of mortar matrix and slump of concrete for C40

2.2 抗壓強度f c和抗折強度f r

配制的C20混凝土，基體強度為16.5 MPa，隨著粉煤灰摻量的增加，基體強度不斷降低，粉煤灰摻量20%時，基體強度為14.5 MPa，當(dāng)摻量達到40%時，基體強度降至11.9 MPa，見圖3.配制的C40混凝土，基體強度為38.3 MPa，隨著粉煤灰摻量的增加，基體強度不斷降低，粉煤灰摻量20%時，基體強度為37.0 MPa，當(dāng)摻量達到40%時，基體強度降至29.4 MPa，見圖4.從立方體抗壓試驗結(jié)果可以看出，混凝土破壞發(fā)生在砂漿基體和粗集料的界面.這是由于砂漿基體和粗集料的彈性模量相差較大，在受壓破壞時二者的橫向變形不一樣，在二者的界面處便形成了裂縫.裂縫的發(fā)展導(dǎo)致了混凝土的破壞.粗集料的加入同時起到了骨架作用，阻礙了裂縫的發(fā)展，提高了混凝土的強度，4種粗集料對混凝土性能的影響相差不大.與C20混凝土相比，摻加粉煤灰之后，C40混凝土強度下降幅度較小.這是因為C40混凝土中水泥用量相對于C20混凝土來說有所提高，使砂漿基體的強度和剛度增加，改善了砂漿基體和粗集料二者之間的界面性能.

圖3 C20不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C20

圖4 C40不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C40

值得注意的是，粗集料的加入對混凝土基體的抗折強度影響存在不利的一面.粗集料的加入增加了混凝土中砂漿和粗集料間薄弱環(huán)節(jié)，強化了這種不利作用，導(dǎo)致了混凝土抗折強度的降低[7].隨著粉煤灰摻量的增加，這種現(xiàn)象更為明顯，如圖5和6所示.

圖5 C20不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的抗折強度Fig.5 Flexural strength of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C20

圖6 C40不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的抗折強度Fig.6 Flexural strength of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C40

2.3 彈性模量

無論是C20還是C40混凝土，其砂漿基體的彈性模量都低于粗集料混凝土的彈性模量.隨著粉煤灰摻量的增加砂漿基體和混凝土的彈性模量均降低，但降低的幅度不大.4種粗集料混凝土的彈性模量也相差不大，見圖7和8.

圖7 C20不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的彈性模量Fig.7 Modulus of elasticity of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C20

圖8 C40不同粉煤灰摻量砂漿和混凝土的彈性模量Fig.8 Modulus of elasticity of mortar matrix and concrete with different fly ash volume fraction for C40

2.4 抗凍試驗

石灰石粗集料混凝土凍融循環(huán)試驗結(jié)果見圖9，摻加粉煤灰后，混凝土基體的抗凍性下降.這是因為粉煤灰的摻入會改變混凝土孔結(jié)構(gòu)，增加總孔隙率，細化最可幾孔徑分布，使受凍方式由靜水壓侵蝕向滲透壓侵蝕轉(zhuǎn)變，加速混凝土的凍融劣化[8～10].粗集料的加入提高了混凝土的抗凍性，改善了砂漿基體的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土基體的彈性模量，使混凝土基體抵抗變形能力增強，提高了基體的抗凍性.圖10為C40混凝土經(jīng)125次凍融循環(huán)后的SEM.

圖10 C40混凝土經(jīng)125次凍融循環(huán)后的SEMFig.10 SEM of C40 concrete after 125 freezing－thawing cycles

3 結(jié) 論

對于普通粉煤灰混凝土而言，粗集料的加入改善了砂漿基體的工作性能和力學(xué)性能，提高了混凝土的抗壓強度和彈性模量，改善了混凝土的抗凍性，但影響了混凝土的工作性能和抗折強度.不同種類粗集料對普通粉煤灰混凝土性能的影響差別不大，隨著粉煤灰摻量的提高混凝土28 d抗壓強度和混凝土的抗凍耐久性下降.

[1]王 偉，周華強.粉煤灰對環(huán)境的危害及其綜合利用[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2007（5）：4－6

[2]王立久.建筑材料學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2008

[3]MEHTA P K.混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與材料[M].祝永年，沈 威，陳志源，譯.上海：同濟大學(xué)出版社，1989

[4]WANG Li－jiu， WANG Zhen－shuang， MENG D.Study on concrete framework model on mortar ratio deviation [C]// Proceedings of the International Symposium on Innovation and Sustainability of Structures in Civil Engineering.Guangzhou：South China University of Technology Press，2009：77－82

[5]WANG Zhen－shuang，WANG Li－jiu，SU Hao－lin，etal.Optimization of coarse aggregate content based on efficacy coefficient method[J].Journal of Wuhan University of Technology－Materials Science Edition，2011，26（2）：330－335

[6]周 梅，朱 涵，汪振雙.鋼纖維增強自燃煤矸石輕集料混凝土試驗研究[J].建筑材料學(xué)報，2008，11（6）：715－720

[7]錢覺時，宋開偉，楊再富，等.粗集料強度對混凝土抗折強度的影響[J].建筑材料學(xué)報，2006，9（4）：468－472

[8]王立久，汪振雙，崔正龍.基于凍融損傷拋物線模型的再生混凝土壽命預(yù)測[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2011，19（1）：1－7

[9]崔正龍，汪振雙.城市垃圾熔渣再生混凝土耐久性能的試驗研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（2）：231－233

[10]袁曉露，李北星，崔 鞏，等.粉煤灰混凝土的抗凍性能及機理分析[J].混凝土，2008（12）：43－44