水膠比和粉煤灰取代率對混凝土強度影響規(guī)律的試驗研究

谷 艷 玲

(武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 福建 武夷山 354300)

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水膠比和粉煤灰取代率對混凝土強度影響規(guī)律的試驗研究

谷 艷 玲

(武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 福建 武夷山 354300)

根據(jù)C30級混凝土的強度要求，采用均勻設(shè)計法制定20組試驗方案，對比分析粉煤灰取代率和水膠比對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰取代率的增加，混凝土試件抗壓強度呈逐漸降低趨勢；而隨著水膠比減小，其抗壓強度隨之增加。

粉煤灰； 抗壓強度； 水膠比； 混凝土強度

粉煤灰大多來源于火力發(fā)電廠的煤炭燃燒廢料，其主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3。作為一種混凝土礦物摻合料，粉煤灰具有價格低、產(chǎn)量高、性能優(yōu)越等特點，廣泛應(yīng)用于各類土木建筑工程中，具有良好的生態(tài)效應(yīng)[1-2]。目前，國內(nèi)外關(guān)于粉煤灰的研究主要集中在其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能上，而不同煤種、產(chǎn)地及工藝的粉煤灰性能差異較大[3]，還需進行綜合研究。

福建省火力發(fā)電廠較多，粉煤灰產(chǎn)量很高，僅華能福州電廠每年就產(chǎn)生粉煤灰30萬t。然而，粉煤灰用于混凝土的比例不高，粉煤灰產(chǎn)品利用率較低。為了保證混凝土質(zhì)量，很多施工單位在配制混凝土?xí)r寧可多加水泥而較少使用粉煤灰，因此粉煤灰資源未得到充分利用[4]。有研究表明，用粉煤灰取代一定比例水泥后，可以改變混凝土的和易性，且水膠比(WB)直接影響粉煤灰混凝土的強度[5]。本次研究以華能福州電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰為試驗材料，分析水膠比和粉煤灰取代率對混凝土強度的影響。

1　試驗材料

(1)P.O42.5級水泥試樣。采用江西萬年青水泥股份有限公司生產(chǎn)的萬年青牌P.O42.5級水泥，水泥的平均細度1.41%，28d養(yǎng)護齡期的膠砂抗壓強度為51.17MPa。表1所示為P.O42.5級水泥性能參數(shù)。

表1　P.O42.5級水泥性能參數(shù)

(2)集料。粗集料選用武夷山生產(chǎn)的碎石，最大粒徑為30mm，含泥量為0.52%，泥塊含量為0.32%，針片狀顆粒含量為4.5%，壓碎指標(biāo)為7.7%；細集料采用當(dāng)?shù)睾由?，其細度?.67%，含泥量為1.83%，級配良好。

(3)粉煤灰。采用Ⅰ級粉煤灰，由華能福州電廠生產(chǎn)。粉煤灰細度為9.7%，含水率為0.45%，需水量比為100%，強度比為68.6%,SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%，燒失量為1.47%。

(4)減水劑。采用聚羧酸系YS-A高性能減水劑，由福州君安建材有限公司生產(chǎn)。

(5)水。采用武夷山市當(dāng)?shù)氐淖詠硭?/p>

2　試驗研究

2.1設(shè)計粉煤灰混凝土配合比方案

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55 — 2011)的要求，結(jié)合水膠比和粉煤灰取代率的變化，按照C30級混凝土的強度要求，采用均勻設(shè)計法制定了20組試驗方案，具體混凝土配合比設(shè)計方案見表2。

表2　粉煤灰混凝土配合比設(shè)計

2.2制作混凝土試件

嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50081 — 2002)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)制作混凝土試件。將150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，根據(jù)試驗設(shè)計方案制作成20組試塊，分別測試7、28、56d養(yǎng)護齡期的混凝土抗壓強度，每次取3組數(shù)據(jù)的平均值來確定抗壓強度；每組按照3個養(yǎng)護齡期制作9個試塊，總計制180個試塊。

2.3測驗混凝土抗壓強度

測驗混凝土抗壓強度的工作通過微機控制電液伺服壓力試驗機(HCT306A)來進行。以0.5～0.8MPas的加壓速度勻速加壓，養(yǎng)護齡期分別為7、28、56d，每次測驗3個試塊的抗壓強度，結(jié)果取平均值。表3所示為混凝土抗壓強度檢驗結(jié)果。

3　試驗結(jié)果分析

根據(jù)不同的粉煤灰取代率及水膠比的變化，以及上述測試所得混凝土的抗壓強度，分析每組方案對7、28、56d養(yǎng)護齡期混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。

3.1水膠比不變時粉煤灰取代率對混凝土抗壓強度的影響

從表3可以看出，粉煤灰取代率從0增大到65%，當(dāng)水膠比保持0.45左右時，隨著粉煤灰取代量增大，混凝土抗壓強度呈下降趨勢，特別是早期強度下降比較明顯。以7d養(yǎng)護齡期抗壓強度為例，粉煤灰取代率每提高10%，混凝土抗壓強度平均下降27.5%左右；而養(yǎng)護齡期為56d時，混凝土抗壓強度平均下降17.3%左右。試驗表明，延長混凝土的養(yǎng)護齡期，使得粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響越來越大，提高了粉煤灰膠凝效率系數(shù)[6]，尤其在28d以后混凝土強度發(fā)展速率隨粉煤灰取代率的增加而迅速提高。因此，加大混凝土粉煤灰取代率，可以改善混凝土結(jié)構(gòu)物在后期的體積收縮，提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度和抗?jié)B性，使混凝土的后期抗壓強度得以提高[7]。

表3　混凝土各齡期抗壓強度

3.2不同粉煤灰取代率下水膠比對混凝土抗壓強度的影響

為了進一步探討水膠比對粉煤灰混凝土強度的影響，分別觀察粉煤灰取代率為0、20%、30%、50%、65%時，水膠比變化對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，其試驗結(jié)果見圖1 — 圖5。

(1)粉煤灰取代率為0。從圖1可以看出，當(dāng)粉煤灰取代率為0，即采用基準(zhǔn)混凝土配比時，隨著水膠比從0.60降至0.45，養(yǎng)護齡期28d的粉煤灰混凝土抗壓強度從30.8MPa提高到47.2MPa。水膠比每降低0.01，則混凝土抗壓強度平均約提高3.6%。

圖1　粉煤灰取代率為0時水膠比對混凝土抗壓強度的影響

(2)粉煤灰取代率為20%。 從圖2可以看出，當(dāng)粉煤灰取代率為20%時，隨著水膠比從0.52降至0.37， 養(yǎng)護齡期28d的粉煤灰混凝土抗壓強度從25.6MPa提高到43.3MPa。水膠比每降低大約0.01，則混凝土抗壓強度平均約提高4.6 %。按照基準(zhǔn)配合比的28d強度進行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量20%時，水膠比降至0.13 左右，可以保證混凝土的強度等級不降。

圖2　粉煤灰取代率為20%時水膠比對混凝土抗壓強度的影響

(3)粉煤灰取代率為30%。從圖3可以看出，當(dāng)粉煤灰取代率為30%時，隨著水膠比從0.50降至0.35， 養(yǎng)護齡期28d的粉煤灰混凝土抗壓強度從23.2MPa提高到36.6MPa。水膠比每降低0.01，則混凝土抗壓強度平均約提高3.9%。按照基準(zhǔn)配合比28d的抗壓強度進行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量的30%時，水膠比降至0.20 左右，可以保證混凝土的強度等級不降。

圖3　粉煤灰取代率為30%時水膠比對混凝土抗壓強度的影響

(4)粉煤灰取代率為50%。從圖4可以看出，當(dāng)粉煤灰取代率為50%時，隨著水膠比從0.44降至0.30， 養(yǎng)護齡期28d的粉煤灰混凝土抗壓強度從23.2MPa提高到38.4MPa。水膠比每降低大約0.01，則混凝土強度平均約提高4.7%。按照基準(zhǔn)配合比28d的抗壓強度進行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量的50%時，水膠比降至0.26左右，可以保證混凝土的強度等級不降。

(5)粉煤灰取代率為65%。從圖5可以看出，當(dāng)粉煤灰取代率為65%時，隨著水膠比從0.43降至0.29， 養(yǎng)護齡期28d的粉煤灰混凝土抗壓強度從17.3MPa提高到35.7MPa。水膠比每降低 0.01，則混凝土的強度平均約提高7.6 %。按照基準(zhǔn)配比28d的抗壓強度進行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量65%時，水膠比降至0.31左右時，可以保證混凝土的強度等級不降。

圖5　粉煤灰取代率為65%時水膠比對混凝土抗壓強度的影響

在混凝土中大量摻加粉煤灰時，水泥熟料含量在膠凝材料總量中的比例降低，水化生成物中的Ca(OH)2含量減少，從而降低了水化反應(yīng)生成物C2S2H的含量；同時，部分粉煤灰顆粒沒有發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致水化生成物的總量不足，難以填滿周圍的空隙[8]。所以，當(dāng)粉煤灰取代率超過一定量時，混凝土抗壓強度會隨粉煤灰取代率的增大呈明顯下降趨勢。試驗結(jié)果與理論分析基本吻合，故認(rèn)為粉煤灰的取代率不宜超過50%。

3.328d等強度的混凝土配比

為了研究水膠比和粉煤灰取代率的變化對粉煤灰混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，以基準(zhǔn)配比中水膠比為0.60、養(yǎng)護齡期為28d的抗壓強度30.8MPa為基準(zhǔn)條件，分析不同粉煤灰取代率28d混凝土的配合比，試驗結(jié)果見表4。當(dāng)28d混凝土強度等級都達到C30等級時，隨著粉煤灰取代率的增加，水膠比呈現(xiàn)規(guī)律性降低。粉煤灰取代率每增加10%時，水膠比降低0.03～0.07，平均降低0.05。

當(dāng)采用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，要使抗壓強度達到設(shè)計要求，可以采取降低混凝土用水量、延長混凝土養(yǎng)護齡期等措施[9]。對于大體積混凝土來說，這是減少水泥用量、降低水化熱的一條較佳途徑[10]。

4　結(jié)　語

以華能福州電廠Ⅰ級粉煤灰為試樣，等量取代部分水泥進行混凝土抗壓強度影響研究。研究發(fā)現(xiàn)，水膠比的降低有利于粉煤灰混凝土早期強度的提高，但其后期強度提高速率卻出現(xiàn)小幅度的放緩趨勢。

為了保證混凝土達到早期及后期抗壓強度的要求，當(dāng)粉煤灰取代率較高時，可以降低水膠比，使混凝土的強度等級隨著養(yǎng)護齡期的延長逐步提高。

表4　28 d等強度混凝土的配比設(shè)計

通過研究確定了水膠比與養(yǎng)護齡期的最佳取值。當(dāng)以C30級混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計時，建議粉煤灰取代率為30%，水膠比為0.45。

[1] 谷艷玲，魏曉康，孫家國．礦渣微粉再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗研究[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，17(3)：133-136．

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TheExperimentalStudyofConcreteStrengthAccordingtoBothWater-BinderRatioandCoalAsh

GU Yanling

(College of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China)

BystudyingtherelationshipbetweenthechangeoffirstgradeflyashreplacementrateandwatercementratioofHuanengPowerPlantinFuzhou,theinfluenceofthe20experimentgroupsonthecompressivestrengthofconcretewasstudiedbyusinguniformdesignmethodwiththedesignstrengthofC30.Theresearchshowsthat:withtheincreaseofthereplacementrateofflyash,thecompressivestrengthofconcretedecreasesgradually;whilethecompressivestrengthincreaseswiththedecreaseofwatercementratio.

flyash;compressivestrength;watercementratio;concretestrength

2015-12-15

福建省自然科學(xué)基金項目“基于礦渣和再生骨料耦合配制混凝土力學(xué)性能和耐久性研究”(2015J01648)；南平市指導(dǎo)性科技計劃項目“武夷山再生骨料生態(tài)護坡混凝土的配置及應(yīng)用研究”(N2014D02)

谷艷玲(1966 — )，女，教授，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料。

TU528.2

A

1673-1980(2016)04-0072-05