薛山 王成 葛广华 李桢怡 戎泽斌 李曦彤
摘要:为探究粉煤灰掺量对塔里木灌区水工混凝土早龄期力学性能的影响,本文对不同粉煤灰掺量(0%、10%、20%、30%、40%)混凝土在3、7、28 d龄期的基本力学性能进行宏观和微观的对比试验。结果表明:(1)掺入一定量的粉煤灰可以改善早龄期混凝土的力学性能,且早龄期混凝土强度均随粉煤灰掺量的增加呈现先增长后降低的变化趋势;(2)粉煤灰掺量为10%时,试件立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均达到最大值,与基准组试件的相应强度相比,分别提高18.19%、20.13%、17.75%;(3)掺入适量的粉煤灰可以改善材料内部的微观结构,提高材料的密实度。本文研究结果可为粉煤灰在塔里木灌区水工混凝土工程中的广泛应用提供科学依据。
关键词:水工混凝土;粉煤灰;抗压强度;抗拉强度;抗折强度;微观结构
中图分类号:TU528.36文献标志码:A文献标识码
The influence of fly ash quantity on early-age mechanical properties of hydraulic concrete
XUE Shan1,WANG Cheng1,2*,GE Guanghua1,LI Zhenyi1,RONG Zebin1,LI Xitong1
(1 School of Water Conservancy and Architectural Engineering,Tarim University,Alar,Xinjiang 843300,China;
2 Southern Xinjiang Geotechnical Engineering Research Center,Tarim University,Alar,Xinjiang 843300,China)
Abstract: In order to explore the influence of fly ash replacement on earlyage mechanical properties of hydraulic concrete in Tarim irrigation area,the macro and micro comparative tests of basic mechanical properties of concrete with different fly ash replacement (0%,10%,20%,30%,40%)at 3,7,28 d ages were conducted in the paper.The results show that:(1)adding a certain amount of fly ash can improve the mechanical properties of earlyage concrete,and the strength of earlyage concrete increases firstly and then decreases with the increase of fly ash content;(2)When the fly ash content is 10%,the cube compressive strength,splitting tensile strength and flexural strength of the specimen reach their maximum values,which are 18.19%,20.13%,17.75% higher than those of the reference group,respectively;(3)Adding appropriate amount of fly ash can improve the internal microstructure of concrete and enhance the compactness of the material.The research results can provide scientific basis for the wide application of fly ash in hydraulic concrete engineering in Tarim irrigation area.
Key words: hydraulic concrete;fly ash;compressive strength;tensile strength;folding strength;microscopic characteristics
粉煤灰作為一种绿色、环保的活性矿物掺合料,可作为水泥基复合材料代替部分水泥用于制备混凝土[1],并且粉煤灰具有填充效应和火山灰效应,掺入混凝土后可以改善其内部界面结构,从而减小混凝土内部的孔隙率、增加密实度[2],而且在水工混凝土中用粉煤灰取代部分水泥,既可节约水泥用量,又能有效利用当地工业废料,同时还能降低环境污染和工程造价,具有节约能源和保护环境的双重作用[3-4]。近年来许多学者针对粉煤灰在混凝土中的应用研究取得了很多进展,孙瑶等[5]通过超细粉煤灰对混凝土力学性能的研究发现,随着超细粉煤灰的掺入,混凝土的力学性能有所改善;周建伟等[6]对掺粉煤灰混凝土在不同温度下的力学性能研究发现,相同温度掺粉煤灰可以提高混凝土的抗压强度;罗小博等[7]通过研究粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响发现,当掺量达到15%~20%时混凝土的立方抗压强度以及轴心抗压强度均有一定程度的提高,且养护龄期越长,其强度提高越明显;范梦甜等[8]对掺入研磨处理粉煤灰的混凝土抗压强度及微观结构的研究发现,随着超细粉煤灰研磨的时间加长,其对混凝土内部结构的改善越显著,从而使混凝土的抗压强度提高;王辉等[9]对粉煤灰掺入高性能自密实混凝土的研究发现,粉煤灰对抗压强度影响表现为早期较小、后期较大,且粉煤灰掺量越大,对抗压强度的影响也越大;Ali等[10]对分别掺入经过碳酸盐活化粉煤灰后的混凝土研究发现,掺入处理粉煤灰对混凝土早期强度的提高更明显,混凝土的耐久性也有所改善;Farooq等[11]通过改性粉煤灰掺入自密实混凝土中对抗压强度预测的研究发现,改性粉煤灰可以改善试件力学性能。从上述研究来看,国内外学者针对粉煤灰掺量对混凝土抗压强度影响的研究较多,而针对粉煤灰掺量对早龄期水工混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度影响的研究较少,因此,本文根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》,制备5种不同掺量粉煤灰(0%、10%、20%、30%、40%)的混凝土试件,对3、7、28d龄期时该试件分别进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验,并用扫描电镜(SEM)研究不同掺量粉煤灰混凝土的内部微观结构特征,分析粉煤灰掺量对早龄期混凝土力学性能影响的规律,拟确定基于早龄期最佳力学性能的粉煤灰与混凝土的适宜配比,提出早龄期混凝土最佳力学性能所对应的粉煤灰最佳掺量,为提高粉煤灰在塔里木灌区水工混凝土工程中的技术应用水平和改善生态环境、促进兵团又好又快向南发展提供科学的试验依据。
1 试验设计
1.1 试验材料
水泥选用阿克苏天山多浪有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其技术性能指标见表1。骨料均为温宿县同顺砂石料厂生产,主要性能指标见表2,粗骨料为粒径5~20mm和20~40mm的连续级配卵石,其中针片状颗粒含量为3%,细骨料为中砂,坚固性为2%。粉煤灰选用阿拉尔新沪热电厂生产的Ⅲ级粉煤灰,主要性能指标见表3;减水剂采用阿拉尔正达商混站提供的TSX高性能减水剂;拌合水采用阿拉尔市自来水。
1.2 试验配合比设计
本试验混凝土配合比采用水胶比为0.46,粉煤灰等质量取代水泥,其掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%,分别用JZ、F10、F20、F30、F40表示,其中JZ为基准混凝土试件,配合比见表4。
参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》,混凝土立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验所用试件的尺寸为150mm×150mm×150mm,混凝土抗折强度试验所用试件的尺寸为150mm×150mm×550mm。采用亲水性脱模剂,为使试验数据准确有效和便于试验结果对比,每种力学性能试验制作1组试件,每组3个,一共制作试件135块,其中,立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验试件、抗折强度试验试件各45块。
1.3 试验设备和仪器
主要有HJW-60型单卧轴强制式混凝土搅拌机(天津市路达建筑仪器有限公司)、HZJ-1型混凝土振实台(天津市美特斯试验机厂)、TSY-3000A型恒加载压力试验机(浙江路达机械仪器有限公司)、WES-600型数显液压式万能试验机、Apero S型可变真空超高分辨场发射扫描电镜。
1.4 试件制备
参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》,首先将称好的砂、石子、水泥、粉煤灰倒入搅拌机中搅拌30s,使粉煤灰在干料中均匀分布,然后均匀倒入掺有减水剂的水,搅拌120s,对其和易性进行观察,符合标准后,进行装模并振捣15~20s直至试件成型。24h后拆模,放入标准养护室进行养护,随后分别开展3、7、28d龄期时掺粉煤灰水工混凝土的基本力学性能试验,测定混凝土试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。
2 试验结果与分析
2.1 宏观力学性能
2.1.1 立方体抗压强度试验
不同掺量粉煤灰混凝土试件3、7、28d龄期时的立方体抗压强度实测值见表5,抗压强度与强度增长率变化趋势见图1、图2。
由表5和图1可知:相对于JZ试件的混凝土立方体抗压强度而言,粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土立方体抗压强度均出现上升趋势;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土立方体抗压强度均出现降低趋势;随着粉煤灰掺量的增加,混凝土各龄期立方体抗压强度的大小关系为F10>JZ≥F20>F30>F40。上述结果表明:掺入一定量的粉煤灰可以改善早龄期水工混凝土的立方体抗压强度,且随粉煤灰掺量的增加呈现先增长后降低的变化趋势。
由表5和图1、图2可知:相對于JZ试件的混凝土立方体抗压强度而言,粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土立方体抗压强度均达到最大值,强度增长率分别达到了18.19%、8.03%、7.30%;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土立方体抗压强度增长率逐渐降低,其中,F20试件除3d龄期的强度增长率为正值外,7、28d龄期的强度增长率均为负值;F30、F40试件3、7、28d龄期的强度增长率均为负值。出现上述试验现象的原因如下:由于粉煤灰大量取代水泥,使得胶凝体系中有效水灰比增大,从而导致混凝土的立方体抗压强度有所降低。由此可见,对于早龄期水工混凝土的立方体抗压强度而言,早龄期水工混凝土的粉煤灰最佳掺量为10%。
由各龄期不同掺量粉煤灰试件的立方体抗压强度试验的破坏形态(图3)可见:JZ试件受压破坏后,表面出现多道较深的裂缝,从试件的左端蔓延至试件的右端,表明试件破坏较为严重(图3a);F10试件受压破坏后呈现出少量的微小裂缝,裂缝集中出现在试件中心区域,试件的边角有少许的脱落(图3b、d、g);F20试件的受压破坏更为明显,裂缝深度有所加深,并且可以观察到的裂缝条数也增多了,左右两边有块状脱落(图3c、e);F30试件受压破坏后脱落较为严重,可以明显地看到整面的试块脱落,并且粗骨料已经裸露在外,抗压强度有所下降(图3h);F40试件受压破坏后,脱落部位较为集中,在试件的左半部或者右半部都有较为明显的脱落,导致试件破坏,其余部位还未见有明显的破坏(图3f、i)。由各龄期不同掺量粉煤灰试件立方体抗压强度试验的破坏形态可见,当掺入10%粉煤灰时,相比于JZ试件的裂缝条数和裂缝深度均有所减少,而随着粉煤灰掺量超过10%后,试件的脱落由小面积逐渐增大到块状及条状的脱落,说明粉煤灰掺量过多,将使得破坏现象越来越严重。
综上所述,F10试件组在不同龄期的立方体抗压强度、强度增长率以及破坏形态上均相对较优,改善了早龄期水工混凝土的力学性能。
2.1.2 劈裂抗拉强度试验
不同掺量粉煤灰试件3、7、28d龄期的劈裂抗拉强度实测值见表6,劈裂抗拉强度与强度增长率变化趋势见图4、图5。
由表6和图4a可知:相对于JZ试件的劈裂抗拉强度而言,粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土劈裂抗拉强度均出现上升趋势;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土劈裂抗拉强度均出现降低趋势。说明掺入一定量的粉煤灰可以改善早龄期水工混凝土的劈裂抗拉强度,且早龄期水工混凝土的劈裂抗拉强度均随粉煤灰掺量的增加呈现先增长后降低的变化趋势。
由表6和图4可以看出:相对于JZ试件的混凝土劈裂抗拉强度而言,粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土劈裂抗拉强度均达到最大值,强度增长率分别为16.97%、20.13%、6.08%;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土劈裂抗拉强度的强度增长率逐渐降低,其中:F20试件除3、7d龄期的强度增长率为正值外,28d龄期的强度增长率为负值;F30、F40试件3、7、28d龄期强度的增长率则均为负值。这与董伟等[12]研究同等条件下掺10%的粉煤灰试件表现出了更优的力学性能的研究结果一致。出现上述试验现象的原因如下:由于粉煤灰掺入过多,胶凝材料强度增长不足,从而影响了试件的劈裂抗拉强度,因此,对于早龄期水工混凝土的劈裂抗拉强度来说,粉煤灰的掺量不宜过多。对于早龄期水工混凝土的劈裂抗拉强度而言,粉煤灰最佳掺量为10%,最多不宜超过20%,超过20%早龄期水工混凝土的劈裂抗拉强度会降低。
各龄期不同掺量粉煤灰试件劈裂抗拉强度试验的破坏形态见图5。由图5可以看出:JZ试件受到劈裂破坏后,试件的中部出现断裂,且裂缝宽度较大,破坏较为严重(图5g);F10试件受到劈裂破坏后,在试件的頂部出现较浅的压痕和细小的裂缝,并逐步向压痕蔓延,整体状态较为完整(图5a、d、i);F20试件受到劈裂破坏后,压痕更加明显,并且裂缝的数量及长度也增多了(图5b、h);F30试件受到劈裂破坏后,顶部破坏严重,在压痕附近不仅有贯穿性裂缝,在裂缝附近还出现了脱落现象(图5c、e),可见粉煤灰掺量达到30%后,试件的破坏现象明显加重;F40试件受到劈裂破坏后,可以明显地观察到试件被劈裂成了2块,且裂缝宽度较大,属于瞬时破坏,在顶部和底部均出现了部分的脱落现象(图5f)。由各龄期不同掺量粉煤灰试件劈裂抗拉强度试验的破坏形态可见,当掺入10%粉煤灰时,相比于JZ试件仅产生了较浅的压痕和裂缝,整体形态较为完好,而当粉煤灰掺量超过10%后,试件产生的贯穿性裂缝宽度逐渐变大,还伴有压痕附近混凝土成块状脱落,破坏的现象越来越严重。
综上所述,在劈裂抗拉强度变化及强度增长率变化图中发现,各个龄期达到峰值的试件均为F10试件,且破坏时整体形态较好,对于早龄期水工混凝土来说,掺入10%的粉煤灰可以使其发挥出最佳的力学性能。
2.1.3 抗折强度试验
不同掺量粉煤灰试件3、7、28d龄期时的抗折强度实测值见表7,抗折强度和强度增长率变化趋势见图6。
由表7和图6a可以看出:相对于JZ试件的抗折强度而言,掺入粉煤灰试件的抗折强度均高于基准试件的抗折强度,表明混凝土中掺入粉煤灰可以改善早龄期水工混凝土的抗折强度。其中,粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土
抗折强度均出现上升趋势;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土抗折强度均出现降低趋势。说明早龄期水工混凝土的抗折强度均随粉煤灰掺量的增加呈现先增长后降低的变化趋势。
由表7、图6可以看出:粉煤灰掺量为10%时,F10试件3、7、28d龄期的混凝土抗折强度均达到最大值,强度增长率分别为16.43%、12.87%、17.75%;粉煤灰掺量超过10%以后,F20至F40试件3、7、28d龄期的混凝土抗折强度的强度增长率逐渐降低。说明混凝土中粉煤灰10%掺量时,3、7、28d龄期混凝土的抗折强度提高效果最为明显。随着掺量的增加,早龄期混凝土的抗折强度逐渐降低。由此可知,水工混凝土中粉煤灰的最佳掺量为10%,超过最佳掺量后,抗折强度强度增长率逐渐降低。该结果与陈民等[13]将多种矿物质掺入混凝土中,其中单掺粉煤灰试件的抗折强度也是得到了明显提高的结论一致,所以10%是粉煤灰可以提高早龄期水工混凝土抗折强度的最佳掺量。
各龄期不同掺量粉煤灰试件的抗折强度试验的破坏形态见图7。
由图7可以看出:JZ试件在试件中部发生折断,且折断的裂缝是较为整齐的从底部延伸至顶部,使得试件完全断裂,发生严重破坏(图7g);F10试件抗折破坏后,在试件的中部出现了一条裂缝,从试件的底部蔓延至试件的中上部,但还未使试件发生完全断裂,试件较为完整(图7a、d、h);F20试件抗折破坏后,在试件中部偏左处产生了参差不齐的裂缝,试件完全断裂成2块(图7e);F30试件受到抗折破坏后,在试件中部产生了较大的贯穿性裂缝,破坏现象比较严重(图7b、i);F40试件受到抗折破坏后,断裂得较为干脆,裂缝从底部直接贯穿整个试件,使得试件断裂(图7c、f)。由各龄期不同掺量粉煤灰试件抗折强度试验的破坏形态可见,当掺入10%粉煤灰时,F10试件仅产生了一条微小的裂缝,整体形态较为完好,而随着粉煤灰掺量超过10%以后,试件的裂缝形态参差不齐,增大了裂缝面之间的骨料咬合力,从而提高了试件的抗折强度。
综上所述,从抗折强度变化及增长率来看,掺入粉煤灰试件的抗折强度均比JZ试件的抗折强度要高,且掺量为10%时,试件的抗折强度达到了峰值;从破坏形态来看,F10试件组的破坏现象最轻,没有出现贯穿性裂缝,其他掺量的试件均产生了参差不齐贯穿性裂缝,增大了裂缝面之间的骨料咬合力,从而提高了早龄期水工混凝土的抗折强度。
2.2 微观结构及分析
微观试验采用Apreo S SEM电镜扫描仪,28d龄期时JZ、F10、F20、F30、F40试件破坏后的微观结构特征的SEM图见图8。
由图8可以看出:JZ试件内部结构孔隙分布比较多,并且孔隙中水泥水化产物含量较少,水化产物的结合也不够紧密,从而影响了混凝土的整体性,使得混凝土力学性能较差(图8a);F10试件可以明显地观察到孔洞比较多,并且表面出现了玻璃球状的粉煤灰颗粒,对内部结构起到一定程度的填充作用(图8b);F20试件内部的孔洞明显减少,孔径也在变小,而且可以观察到更多的玻璃球状的粉煤灰颗粒,提高了胶结性能,从而改善了混凝土的整体力学性能(图8c);F30试件内部已经观察不到孔洞的存在,在细微的缝隙周围可以清晰地观察到玻璃球状的粉煤灰颗粒填充在其中,粉煤灰起到了很好的填充作用,增加了试件整体的结构性能(图8d);F40试件已经观察不到孔洞以及裂缝的存在,观察面基本被粉煤灰颗粒所覆盖,并且发现了较少的成块状的水泥水化产物。由于粉煤灰掺量过多,从而导致发生水化反应的水泥减少,虽然在整体结构上有所密实,但是对于力学性能而言,由于主要提供强度的水泥含量减少,早龄期强度也就有所降低(图8e)。
出现上述试验现象的原因分析如下:由于粉煤灰的表面呈现为球状颗粒,并且较为光滑,粉煤灰的掺入对混凝土内部结构可以进行有效的填充,起到减少混凝土微小孔隙的作用,提高了胶凝性能,从而提高了混凝土的整体性,改善了早龄期混凝土的力学性能。
3 结论
(1)粉煤灰替代一定质量的水泥可以改善早龄期水工混凝土的力学性能,其中粉煤灰填充作用是混凝土强度提高的主要原因之一,且早龄期水工混凝土强度均随粉煤灰掺量的增加呈现先增长后降低的变化趋势。
(2)相对于基准试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度而言,早龄期水工混凝土的相应强度均达到最大值的粉煤灰的最佳掺量为10%。
(3)掺入一定量的粉煤灰可以改善早龄期水工混凝土的基本力学性能。
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(责任编辑:编辑张忠)
收稿日期:2022-01-14
基金项目:国家自然科学基金(52168035),新疆生产建设兵团区域创新引导计划(2018BB045),新疆生产建设兵团重点领域科技攻关计划(2019AB016)
作者简介:薛山(1998—),男,硕士研究生,专业研究方向为混凝土耐久性,e-mail:577590583@qq.com。
*通信作者:王成(1978—),男,教授,主要从事混凝土及混凝土结构耐久性研究,e-mail:wchgghwzy@163.com。