大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究
                                  长沙铁道学院土木建筑学院
                                 陈 瑜 周士琼 龙广成 袁庆莲
    摘要：本文探讨了中等强度打掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济童义、工怍性、力学性能及耐久性。在大量试验的基础上，对不同掺量粉煤灰高性能混凝土的坍落度损失，抗压强度、干缩以及耐久性等性能进行了全面的分析。研究表明，它在道路工程、大体积工程及房建工程等方面有着广阔的应用前景。    
    关健词：粉煤灰混凝土 掏煤灰复合超细粉 后期强度 塌落度损失
    长期以来高强度一直被认为是优秀混凝土的特征，强度成为配合比设计以及生产和应用的首要性能指标。随着混凝土技术的发展，高性能越来越受到重视。在普通混凝土中掺入火山灰材料和外加剂制备的高性能混凝土被誉为“二十一世纪混凝土”，应用范围不断扩大。
    然而，我们不能走用高成本换取高性能的发展道路。近几年来，国内外许多学者纷纷提出生态环保型混凝土是混凝土材料今后的发展方向之一，发展绿色高性能混凝土(Green High Performance Concrete )迫在眉睫。本文着重探讨大掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济意义、技术性能以及应用前景。
    1、推广应用大掺量粉煤灰高性能混凝土的社会经济意义
目前我国混凝土中掺入的粉煤灰量，—般都在取代水泥的20%左右，很少达到30%，大掺量粉煤灰高性能混凝土着眼于更充分地利用粉煤灰潜在活性，减少水泥用量，降低混凝土生产成本；更大地发挥高性能优势，改善混疑工作性、耐久性；鉴于我国当前大量应用中等级混凝土，若大量掺加粉煤灰等混合材科，将高性能混凝土下限丛C50-C60降至C30左右，扩大绿色高性能混凝土的应用范围，可取得更大的环境与技术经济效益。
    2、试验方法及材料 ’
    2．1试验方法
混凝土力学性能按《普通混凝土力学性能实验方法》GBJ81-85，砂浆干缩性能按《水泥胶砂干缩实验方法》JC/T603-1995，细度按《水泥比表面积测定方法（勃式法）》GB8074-87实验。粉煤灰按《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-97进行实验。
    2．2试验材料
    水泥：韶峰牌525号普通水泥
    R₃=32.1MPa   R₂₈=55.3MPa
    砂：湘江河砂，组配符合Ⅱ区要求，细度模数为2.39
    石：5-20mm碎卵石(湘江河卵石经轧碎而成)
    外加剂：潭建牌高效减水剂或以FDN的主要复合高效减水剂
    超细粉：将Ⅱ级粉煤灰磨细并掺入少量无机矿物改性复合而成粉煤灰复合超细粉（简写为PFAC）其比表面积为   5640cm²/g,28d强度比为96.8%原状粉煤灰（FA）的化学成分及性能见表1。
    表1                              粉煤灰的化学成分及性能（%）

    3  粉煤灰高性能混凝土的能 
    3．1工作性
    对粉煤灰掺量不同的新拌高性能混凝土进行坍落度实验。为使试验结果具有可比性，保持混凝土配合比不变，只改变粉煤灰的用量，粉煤灰等量取代水泥的比例分别为0%、20%、25%、30%、40%、55%以及70%。以基准混凝土的坍落度为1，不同掺量粉煤灰高性能混凝土的相对坍落度见图1。从图中可看出，掺加粉煤灰对混凝土工作性的改善十分明显，各掺量粉煤灰高性能混凝土的坍落度均大于基准混凝土。PFAC取代水泥率取代率大于40%以后，随着掺量的提高，由于粉煤灰的密度比水泥小，胶疑材料体积增大，同时该种粉煤灰的需水量比高达106%，因此需水量有所上升，但即使粉煤灰掺量高达70%，混凝土坍落度仍大于基准混凝土。同时，在实践中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性、保水性好，无离析沁水现象。

    图1         不同掺量粉煤灰高性能混凝土的相对坍落度
    注：潭建牌高效减水剂掺量为胶凝材料总量的0.5%，用水量W=170kg/m³
    表2   粉煤灰混凝土的塌落度经时损失

    注：1．FDN掺量为总胶凝材料的1.5%
        2．PEAC指物煤灰复合超细粉用量，C指水泥用量，W指用水量。
    表2是粉煤灰混凝土拌合物坍蒋度经时损失试验结果，Ih坍落度损失小于5%，2h小于10%，3h小于15%。粉煤灰掺量为40%时(2号)，1h坍落度略有增加，3h坍落度损失仅为4.5%；粉煤灰掺量为50%时(3号)，3h坍落度损失为12%，远远小于基准混凝土，这—点对商品混凝土的运输大有裨益。
    3．2力学性能与变形性能
    众所周知，普通粉煤灰混凝土尽管后期强度高，但早期强度低，并且粉煤灰掺量越大，早期强度下降越厉害。这是粉煤灰混凝土主要的缺点，严重阻碍了其应用范围，如表3所示，采用PFAC和高效减水剂制备的粉煤灰高性能混凝土不但后期强度相当高，更关键是早期强度明显提高。例如，5号混凝土粉煤灰掺量高达43%， 其100mmX1000mmX100mm试件3d抗压强度就达到56.5MPa，28d抗压强度为92.4MPa,56d为113.3MPa.通过观察发现界面区已不再是粉煤灰高性能混凝土的最薄弱环节，混凝土的破坏是由于出现了贯穿水泥石以及粗集料的裂纹所致。通过对混凝土其它力学性能的试验分析可知28d、90d龄期混凝土抗压比分别为1/11和1/10，与高强度混凝土相比，抗压比提高，特别是C80粉煤灰高性能混凝土抗折强度达10.1MPa，充分说明PFAC对混凝土的受拉性能有所改善。
    表3                            粉煤灰高性能混凝土抗压强度试验结果

    注：1 FDN掺量为胶凝材料总量的1.3%-2.0%；
        2 试件尺寸均为100mmX100mmX100mm。
    表4                          中等强度粉煤灰高性能混凝土强度试验结果

注  1．R_P1代表28d劈裂抗拉强度，B代表胶凝材料总量；
    2．试件尺寸均为100mmXl00mmXl00mm；
    3．潭建牌高效减水剂掺理为胶凝材料总量的0.8%-1.2%．
    上表为高强混凝土的实验结果，其胶凝材料用量为540-560kg/m³，且高效减水剂掺量大，取得了优良的力学性能，但成本较高。针对我国国情，实际工程应用的混凝土等级较低，应当推广应用胶凝材料及外加剂用量较少，粉煤灰掺量大的高性能混凝土，以扩大绿色混凝土的应用范围。表4说明，用PFAC制备的中等强度粉煤灰高性能混凝土成本低，节能利废效果显著，早期强度和劈裂抗拉强度明显提高，很好地解决了粉煤灰混凝土的早强问题。即使PFAC掺量高达50%，其28d抗压强度仍可达C50以上。
    为研究PFAC掺量对混凝土强度的影响，采用等量取代法，保持其它组成成分不变，分别在混凝土中掺入25%、40%、55%、以及70%的PFAC，试验测定混凝土各龄期抗压强度、28d劈裂抗拉强度以及弹性模量。混凝土配合比为：B=460kg/m³,W=170kg/m^3，砂率为38%，潭建牌高效减水剂掺量为0.5%，试验结果见表5。
    表5                    不同掺量粉煤灰高性能混凝土的力学性能（单位：MPa）

    从表3、表4和表5可看出，PFAC大量取代水泥后，混凝土的用水量及水胶比是控制强度的最主要因素。由于用水量较多（W=170kg/m³），粉煤灰高性能混凝土的早期强度偏低，后期强度发展较慢，并且劈裂抗拉强度、轴心抗压强度等其它力学性能均受到不同程度影响。表5中混凝土试件的养护温度为17⁰C，是标准养护强度的下限，偏低。这也是造成混凝土早期强度偏低，后期强度发展较慢的因素之一，说明粉煤灰高性能混凝土对早期养护温度敏感性较大。因此，粉煤灰高性能混凝土的用水量以小于150kg/m³为宜 。
    另外，根据《混凝土结构设计规范》GBJ10-89规定，C45、C50、C55及C60等级混凝土的弹性模量分别为3.25、3.35、3.45、3.55和3.60X10⁴MPa，对比表5最后一栏可知，不同掺量粉煤灰高性能混凝土的弹性模量均大于标准值。
    表6是根据《水泥胶砂干缩试验方法》JC/T603-1995规定，进行不同掺量粉煤灰干缩试验的结果。
    表6                        不同掺量粉煤灰的胶砂干缩率（X10^-6）