摘要：測(cè)試了摻量為50%不同粒度的低等級(jí)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能和工作性能的影響，結(jié)果表明，粒度越小，活性越高，但過(guò)度細(xì)化會(huì)降低混凝土的流動(dòng)度。利用SEM和XRD研究了漿體形貌和粉煤灰水化程度，并對(duì)大摻量粉煤灰混凝土中微集料級(jí)配進(jìn)行了探討，證明了微集料級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的重要性。對(duì)不同細(xì)度的低等級(jí)粉煤灰進(jìn)行合理的級(jí)配，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且能提高大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能和施工性能。
關(guān)鍵字：低等級(jí)粉煤灰 混凝土 微集料級(jí)配
中圖分類號(hào):TU521.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0 引言
由于粉煤灰自身的特性，在混凝土中的摻量一般在10%-20%。關(guān)于大摻量的范圍，通常認(rèn)為，以純水泥混凝土的水泥用量的百分?jǐn)?shù)計(jì)，在30%以上即為大摻量粉煤灰混凝土[1]，在摻用粉煤灰的同時(shí)，水泥用量也減少幾乎相同的數(shù)量，能有效降低混凝土成本和粉煤灰的環(huán)境負(fù)荷。
粉煤灰摻量提高的同時(shí)，也對(duì)混凝土各方面的性能帶來(lái)了許多負(fù)面影響。最為顯著的就是造成混凝土拌和物早期強(qiáng)度大幅度下降，雖然粉煤灰中含有活性SiO2，Al2O3能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體[2]，但由于粉煤灰表面被一層致密的玻璃體包裹，極大的降低了SiO2，Al2O3溶出速率，造成了混凝土早期強(qiáng)度損失率偏大。其次就是粉煤灰摻量過(guò)大時(shí)，由于水泥量的相對(duì)減少以及Ca(OH)2消耗過(guò)大導(dǎo)致混凝土中相對(duì)堿度下降，造鋼筋銹蝕，碳化深度加大，混凝土耐久性下降[3]。
一般認(rèn)為，利用活性混合材制備高強(qiáng)或高性能水泥基材料，關(guān)鍵是充分發(fā)揮混合材的三大效應(yīng)，即填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)[4]。
本研究針對(duì)低等級(jí)粉煤灰摻量為50%的混凝土，采用3種不同細(xì)度的磨細(xì)低等級(jí)粉煤灰進(jìn)行混料試驗(yàn)，對(duì)微集料級(jí)配效應(yīng)進(jìn)行了探討。
1． 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)原料
粉煤灰：選取江油巴蜀火電廠的低等級(jí)F類干排粉煤灰，化學(xué)成分見(jiàn)表1。
水泥：綿陽(yáng)江油雙馬42.5R普通硅酸鹽水泥, 化學(xué)成分見(jiàn)表1。
熟石灰：工業(yè)級(jí)，有效CaO含量69%。
粗骨料： 5~20mm卵石，級(jí)配合格。
砂：河砂,細(xì)度模數(shù)M=2.5，級(jí)配合格。
減水劑：FDN
1.2 原材料制備
采用“補(bǔ)鈣”和細(xì)磨的方法能有效提高粉煤灰活性[4]。通過(guò)大量膠砂強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，得出熟石灰摻量在20%時(shí)粉煤灰活性最高。粉碎粉煤灰同時(shí)加入20%熟石灰，即可以作為堿性激發(fā)劑，而且可以提高混凝土中的相對(duì)堿度。
利用自主開發(fā)的超細(xì)粉體加工設(shè)備對(duì)低等級(jí)粉煤灰進(jìn)行粉碎。此設(shè)備以電廠余熱過(guò)飽和蒸汽為主要?jiǎng)恿?，利用粉煤灰顆粒間的相互碰撞、摩擦、剪切，從而達(dá)到粉碎的效果。制備3種細(xì)度的粉煤灰，見(jiàn)表2：
注：FY為原狀低等級(jí)粉煤灰；F1-3為經(jīng)粉磨制備的三種不同細(xì)度的粉煤灰。
1.3 試驗(yàn)方法
混凝土由試驗(yàn)攪拌機(jī)攪拌然后成型，在室內(nèi)靜置24h后脫模,放在濕度>90%,溫度為(20+2)℃的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。試件尺寸為100mm×100mm×100mm，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。
2． 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 低等級(jí)粉煤灰摻量50%混凝土的性能
混凝土配合比為mw：mc：ms：mg=0.42：1：1.33：2.70，粉煤灰摻量50%，超量取代系數(shù)1.2，減水劑摻量0.75%，坍落度以及相應(yīng)齡期力學(xué)性能見(jiàn)表3。
由表3可以看出，低等級(jí)粉煤灰摻量為50%時(shí)，對(duì)比試樣C，摻粉煤灰造成的3d抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)50%以上；隨著齡期的增長(zhǎng)，28d時(shí)抗壓強(qiáng)度損失率逐漸減小，摻磨細(xì)粉煤灰的試塊強(qiáng)度均能達(dá)到30MPa以上；從28d養(yǎng)護(hù)到56d，試樣C強(qiáng)度只增長(zhǎng)了5.9%，而摻粉煤灰的混凝土試樣仍然保持有較大程度的增幅度，C2和C3的強(qiáng)度均達(dá)到40MPa以上，而CY只有32.4MPa，見(jiàn)圖1。可見(jiàn)粉磨可較理想的對(duì)低等級(jí)粉煤灰的活性進(jìn)行激發(fā)。這主要是由于粉煤灰活性釋放緩慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高，眾多研究表明，摻粉煤灰的混凝土1年的強(qiáng)度要高出基準(zhǔn)混凝土一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。
摻入粉煤灰顆粒越細(xì)，混凝土拌和物的力學(xué)強(qiáng)度越高。亞微米級(jí)的顆粒能分散于水泥顆粒的空隙之中，形成均勻分布的致密體系，增加漿體密實(shí)度，提高混凝土拌和物性能。
在水灰比一定時(shí)，摻FY，F(xiàn)1和F2的混凝土拌合物流動(dòng)性大于基準(zhǔn)混凝土，具有一定程度的減水作用，但摻F3的混凝土拌合物坍落度降低至0，這可以從粉煤灰粉碎前后的形貌變化得到解釋。由于FY和F1，F(xiàn)2 含有大量的具有滾珠軸承作用和潤(rùn)滑作用的球狀玻璃微珠，減少了漿體與集料間的界面摩擦，粉煤灰顆粒分散于水化初期的水泥顆粒中，降低了水泥顆粒的凝聚，減少水的填充空間，從而提高了流動(dòng)性，其中以F1的減水效應(yīng)最為顯著。而F3粒度極小，d(0.5)為1.597μm，有28.07%的顆粒粒徑小于1μm，而粉煤灰的大量玻璃微珠粒度重要集中在2—5μm，可以推斷，F(xiàn)3中大量玻璃微珠的球狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，潤(rùn)濕表面所需的水膜增多，故造成流動(dòng)度大幅度下降，出現(xiàn)0坍落度的情況。
2.2 微集料效應(yīng)探討
2.2.1 SEM形貌分析
粉煤灰中的活性組分主要是玻璃體，粉煤灰的火山灰反應(yīng)一般都是用玻璃體顆粒的反應(yīng)作解釋的。在反應(yīng)剛開始時(shí)，有一個(gè)吸附過(guò)程，粉煤灰玻璃體微珠吸收鈣離子，在這期間基本上無(wú)火山灰反應(yīng)，主要是粉煤灰玻璃微珠外層的致密的玻璃質(zhì)表層阻礙了粉煤灰的水化反應(yīng)。溶液中的鈣離子吸附在微珠表面上能夠侵蝕玻璃微珠的表面，而粉煤灰表層的玻璃體與水作用也能夠析出堿性物質(zhì)的離子，反應(yīng)生成物沉淀在顆粒的表面上，隨著齡期的增長(zhǎng)，鈣離子繼續(xù)通過(guò)表層和沉淀的水化物層面芯部滲透[5]。
圖2中a、b分別為試樣CY，C1的水化28d漿體破碎面的SEM照片。從a中可以看出，水泥硬化漿體的C-S-H凝膠中有明顯的粉煤灰球狀顆粒，尺寸在20μm-80μm之間，這些粉煤灰顆粒表面光滑，反應(yīng)生成物沉淀在顆粒的表面上。在b中也能明顯看出表面光滑的粉煤灰顆粒，由于經(jīng)過(guò)粉磨，尺寸較原狀灰小的多。由于低等級(jí)粉煤灰屬于分級(jí)后的低等級(jí)粉煤灰，其中含漂珠極少，多為實(shí)心玻璃珠，而且活性低、成份復(fù)雜、均勻性差；混凝土漿體水化28d，里面的粉煤灰微珠并未發(fā)生火山灰反應(yīng)。
2.2.2 粉煤灰石灰二灰水化物相XRD分析
為了檢測(cè)低等級(jí)粉煤灰和Ca(OH)2的反應(yīng)程度，在水灰比0.42的情況下，采用低等級(jí)粉煤灰和熟石灰（摻量20%）的二灰混合物作為研究對(duì)象，分別測(cè)試齡期為1d,3d,7d,14d,28d的物相變化。XRD測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。
可以看出，低等級(jí)粉煤灰與熟石灰反應(yīng)過(guò)程十分緩慢，對(duì)比這5個(gè)齡期的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)物相并沒(méi)有太大變化，主要的晶相為d值為3.34，4.25，1.82對(duì)應(yīng)的а-石英，d值為3.40，3.43，2.69，2.21對(duì)應(yīng)的莫來(lái)石，d值2.63，4.90，1.93對(duì)應(yīng)的熟石灰，此外，還有一定量的CaCO3，而水化產(chǎn)物半結(jié)晶態(tài)C-S-H（I）凝膠（3.03，2.82，2.01）和半結(jié)晶態(tài)а-C2SH凝膠（4.21，3.24，2.50）的寬大的特征峰并未顯現(xiàn)出來(lái)。
有研究表明，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次反應(yīng)比粉煤灰—石灰混合物要快[6]。但結(jié)合SEM和XRD測(cè)試結(jié)果可以推斷，在大摻量（50%）的情況下，由于水泥量少，低等級(jí)粉煤灰自身玻璃體[SiO4]4-聚合度高，在28d時(shí)水化程度很小。
2.2.3 不同細(xì)度粉煤灰協(xié)同作用效應(yīng)探討
針對(duì)低等級(jí)粉煤灰造成混凝土強(qiáng)度損失的情況，考慮利用合理搭配不同細(xì)度的粉煤灰粉體，使接近于最緊密堆積，來(lái)探討微集料級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響。利用經(jīng)典連續(xù)理論倡導(dǎo)者Andreasen提出的連續(xù)粒度體系緊密堆積方程來(lái)進(jìn)行微集料的級(jí)配，研究不同細(xì)度粉煤灰的混合集料作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的協(xié)同效應(yīng)。
Andreasen用下式表示粒度分布[7]：
式中，U(Dp)為累計(jì)篩下百分?jǐn)?shù)（%），Dpmax為最大粒徑，q為Fuller指數(shù)。q=1/3時(shí)為最密填充。
保證水泥用量為50%，以水泥顆粒的d(0.9)=41.895為Dpmax，q=1/3時(shí)以上4種粉體的最緊密堆積理論粒度分布以及通過(guò)實(shí)際調(diào)整粗細(xì)粉煤灰比例的粒度分布見(jiàn)下表：
從表4可以看出，通過(guò)3種粉煤灰和水泥的級(jí)配，除了5.0μm-1.9μm粒度段，其余粒度段分布與q=1/3的Andreasen方程計(jì)算結(jié)果基本一致，此種級(jí)配接近最緊密填充。從強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出，見(jiàn)表3，CA為級(jí)配后的混凝土試塊，同樣是50%取代率，通過(guò)級(jí)配強(qiáng)度得到一定提高，28d強(qiáng)度比C3高出17.8%。可以看出，低等級(jí)粉煤灰的級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高起到了重要的作用。
綜上所述，從形貌、物相分析證明了低等級(jí)粉煤灰在28d時(shí)基本不發(fā)生火山灰反應(yīng)，從緊密堆積理論證明了低等級(jí)粉煤灰微集料效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度起到了主導(dǎo)作用。
2.3 利用微集料效應(yīng)對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)原狀低等級(jí)粉煤灰（FY），10μm粉煤灰（F1），1μm粉煤灰（F3）進(jìn)行三分量四階混料設(shè)計(jì)。為了控制生產(chǎn)成本，同時(shí)保證混凝土強(qiáng)度以及良好的流動(dòng)度，控制原狀低等級(jí)粉煤灰摻量不小于粉煤灰總量的20%，10μm粉煤灰（F1）不小于30%。
以下列舉幾組28d抗壓強(qiáng)度超過(guò)35MPa的配比，并非活性越高的超細(xì)粉煤灰F1用量越大混凝土強(qiáng)度越高。合理的配比才能提高強(qiáng)度，并具有高流動(dòng)度，見(jiàn)表5。
3．結(jié)論
a. 低等級(jí)粉煤灰粒度越小，活性越高；但過(guò)度細(xì)化會(huì)降低混凝土的流動(dòng)度。
b. 低等級(jí)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用，尤其是大摻量的情況下，微集料效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn)作用；對(duì)不同細(xì)度的低等級(jí)粉煤灰進(jìn)行合理的級(jí)配，是提高大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能和施工性能的關(guān)鍵。
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