高掺量粉煤灰混凝土路面应用性能的试验研究

收稿日期:2005-12-16作者简介:曹长伟(1978-),男,河南周口人,博士生.E 2mail :legercao @高掺量粉煤灰混凝土路面应用性能的试验研究曹长伟1,张文献2,王雁飞2(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海　200092;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳　110004)摘要:为了揭示高掺量粉煤灰混凝土性能,加快其在路面工程中的应用,研究了添加粉煤灰、硅粉和引气减水剂的混凝土性能,包括力学性能、部分耐久性、干缩性及耐磨性.通过对13种配合比混凝土性能评价,得出粉煤灰取代率为30%、硅粉掺入率为7%和引气减水剂为1%的混凝土,具有较高的抗折强度、抗压强度、低渗透性、高抗冻性、低干缩性、高耐磨性及良好的经济效益,建议该配合比为路面设计配合比.关键词:粉煤灰;混凝土路面;力学性能;耐久性;干缩性能;耐磨性中图分类号:TU 416.222 文献标识码:A 文章编号:02532374X (2007)01-0050-06Experimental Study on Application of H igh ContentFly Ash Concrete to Road PavementCA O Changwei 1,ZHA N G Wenxian 2,W A N G Y anf ei2(1.K ey Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education ,Tongji University ,Shanghai 200092;2.School of Resources and Civil Engineering ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China )Abstract :To reveal the performance of high content fly ash concrete and accelerate its application to the road pavement ,the performance of the concrete added by fly ash ,silica fume and the admixtures of air 2inducer and water 2reducer is studied from the perspective of the mechanics behavior ,durability ,dry 2shrinkage and abrasion resistance.Based on a contrastive study of the performance of 13mix pro 2portions concrete ,the high content fly ash concrete with the proportion of 30%fly ash ,7%silica fume and 1%admixture of air 2inducer and water 2reducer is recommanded for road pavement due to its high flexural and compressive strength ,high frost resistance and abrasion resistance as well as its low perme 2ability ,drying shrinkage and cost.Key words :fly ash ;concrete pavement ;mechanics behavior ;durability ;drying shrinkage ,abrasionresistance 近年在大体积混凝土中掺入粉煤灰的应用已很普遍,而在公路行业中,粉煤灰多是以二灰土的形式作为半刚性基层加以利用,而在混凝土路面中很少应用加入高掺量粉煤灰(粉煤灰取代水泥率为30%或以上)的混凝土[1],造成这种现象的原因是担心粉煤灰混凝土用于路面工程后会引起路面开裂、起砂,使耐磨性变差等,其中更主要的原因是缺乏对掺粉煤灰的水泥的力学性能、耐久性及耐磨性的足够第35卷第1期2007年1月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.35No.1　Jan.2007认识.国外大量研究结果表明[2,3]:优化配合比的高掺量粉煤灰混凝土不仅可以节约大量水泥,降低水化热升温,改善混凝土和易性,还具有高强度、高渗透性,高耐磨性以及低收缩性等优良的结构性能.但是水泥混凝土掺入粉煤灰以后,尤其是高掺量情况下,降低了混凝土中的水泥用量,使混凝土的早期强度呈下降趋势,有的研究者称其为“缺钙”现象,同时还会延长混凝土的凝结时间,从而影响混凝土工程的施工进度.但这个问题可以通过掺加硅粉和引气减水剂得到很好解决.本文通过在普通混凝土中掺入粉煤灰,添加适量硅粉和引气减水剂,并对其力学性能、部分耐久性能、干缩性能和耐磨性能进行评价,得出适用于路面性能要求的最佳配比混凝土,为进一步推广粉煤灰混凝土在路面工程中的应用提供技术支持,同时用高掺量粉煤灰取代混凝土中的水泥,减轻了生产水泥带来的空气污染,减少了堆放粉煤灰所占用的土地面积,具有良好的社会效益.1　试验方案设计1.1　试验材料粉煤灰采用沈阳沈海热电厂的Ⅱ级粉煤灰,成分如表1.其烧失量为1.24%(<5%),符合标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(G Bl596—91)的要求.硅粉由青海山川铁合金股份公司生产,成分见表2.SiO2质量分数为86.99%,符合工业硅国家标准(G B2881—91)86%～90%的要求.表1　粉煤灰主要成分T ab.1　Component of fly ash% w(SiO2)w(Al2O3)w(Fe2O3)w(CaO)w(MgO)w(SO3)w(K2O)w(Na2O)富水量比烧失量比表面/(m2・kg-1) 55.0128.508.05 2.39 2.190.79 1.71 1.36103 1.24540表2　硅粉主要成分T ab.2　Component of silica fume% w(SiO2)w(Al2O3)w(Fe2O3)w(CaO)w(MgO)w(SO3)烧失量86.99 3.20 1.600.52 1.41 1.37 3.69 引气减水剂为辽宁省建筑科学研究院研发的LJ165引气型减水剂.水泥为大连小野田水泥厂生产的42.5R级华日牌普通硅酸盐水泥.砂为沈阳浑河河砂,其细度模数为2.9,属Ⅱ区中砂,含泥量(质量分数)为0.8%,符合标准《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》(J G J52—1992)的要求.碎石为沈阳市康佳山石灰厂的石灰岩,符合粒径为5～30mm的连续级配要求,压碎值为4.7% (<10%),含泥量为0.89%(<1%),符合标准《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(J G J53—1992)的要求.水为自来水.1.2　材料配比方案本试验采用正交法进行混凝土配合比设计[4].粉煤灰取代率(质量分数)为25%～35%,间隔为5%,且超量取代水泥,其超量系数取1.2.硅粉掺入率(质量分数)分别为6%,7%和8%,对超量部分粉煤灰和添加的硅粉减少相同质量的砂,引气减水剂按水泥、粉煤灰和硅粉的总质量的1%掺加.共计13组配合比,见表3.1.3　试验内容与方法试件尺寸与数量如下:抗折试件3个,其尺寸为150mm×150mm×550mm;冻融试件3个,其尺寸为100mm×100mm×400mm;渗透试件6个,试件为顶面直径为175mm、底面直径为185mm、高为150mm的圆台体;耐磨性试件3个,其尺寸为150mm×150mm×70mm.试件成型后在室内(20±5)℃静置1d,然后拆模编号,放在标准养护室((20±3)℃,相对湿度90%以上)养护28d.测试试样的抗折强度、抗压强度、渗透性能、抗冻性能、干缩性能和耐磨性能.所有试验方法根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(J TG E30—2005)规定进行.15　第1期曹长伟,等:高掺量粉煤灰混凝土路面应用性能的试验研究 表3　混凝土配合比T ab.3　Laboratory mix proportions编号水灰质量比坍落度/mm每立方米混凝土各种材料用量/kg水泥砂石粉煤灰硅粉引气减水剂水粉煤灰取代率/%硅粉掺入率/%00.4323380540133000016500 10.3722285521133011423 3.99150256 20.3722285521133011427 3.99150257 30.3722285521133011430 3.99150258 40.3722266517133013723 4.03151306 50.3722266517133013727 4.03151307 60.3723266517133013730 4.03151308 70.3723247513133016023 4.07152356 80.3723247513133016027 4.07152357 90.3724247513133016030 4.07152358 100.3724228510133018223 4.10153406 110.3724228510133018227 4.10153407 120.3724228510133018230 4.101534082　试验结果与分析2.1　抗折强度与抗压强度水泥混凝土路面力学性能主要以抗折强度为主要控制指标,兼以参考抗压强度.试验各配比混凝土28d的抗折强度及抗压强度见表4.由图1和图2可知,在掺入一定量硅粉和引气减水剂后,混凝土抗折强度和抗压强度均随粉煤灰取代率的增大而减小;由图3和图4可知,在掺入一定量引气减水剂后,当粉煤灰取代率一定时,混凝土抗折强度和抗压强度均随硅粉掺量增加而增大,说明硅粉能够提高混凝土强度,有利于及早脱模和开放交通.表4　混凝土抗折强度、抗压强度、抗渗性能和耐磨性能试验结果T ab.4　R esults of flexural strength,compressive strength,permeability and abrasion resistance编号粉煤灰取代率/%硅粉掺入率/%引气减水剂/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa透水压力/MPa抗渗标号磨耗率/(kg・m-2)0000 6.2844.9 4.2410.894 125617.1951.3 5.3520.869 225717.3851.6 5.6550.872 325817.6252.2 5.7560.876 43061 6.4744.6 5.2510.871 53071 6.8445.2 5.4530.877 630817.1345.8 5.5540.887 73561 6.1542.1 5.0490.896 83571 6.3042.4 5.2510.908 93581 6.3942.6 5.3520.913 104061 6.1239.9 4.8470.920 114071 6.1740.8 4.9480.928 124081 6.2041.6 5.0490.933 由图1和图3可看出,在添加1%的LJ165引气减水剂后,当粉煤灰取代率为25%～30%,硅粉掺入率为6%～8%时,混凝土抗折强度和抗压强度均高于基准混凝土(掺入30%粉煤灰和6%硅粉混凝土的配比除外,因其抗压强度略小于基准混凝土);而当掺入35%粉煤灰、7%～8%硅粉时,混凝土抗折强度仍高于基准混凝土,但抗压强度略小于基准混凝土.而掺入40%粉煤灰时,其抗折强度和抗压强度均小于基准混凝土.其原因是粉煤灰与硅粉均为活性掺合料,在引气减水剂的碱性激发剂作用下进行火山灰反应,在反应中还会生成少量C S H凝胶,填充于水泥水化生成物的间隙,使混凝土微观结构更加密实,故添加适量掺合料会使混凝土强度比基准混凝土更高.活性SiO2、活性Al2O3与石灰或与水泥熟料水化析出的Ca(OH)2发生反应,生成水化硅酸钙及水化铝酸钙,石膏与水化铝酸钙进一25 同济大学学报(自然科学版)第35卷　步反应,生成水化硫铝酸钙,促进混凝土强度随龄期增加而进一步增长.但掺合料掺量过大时,胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少,熟料水化生成的Ca(OH)2量较少,减少了掺合料水化反应生成C S H的比例,有些掺合料颗粒没有参与火山灰反应,难以有足够的生成物填充周围的空隙,所以掺合料掺量超过一定范围时,混凝土强度会随掺合料掺量的增大(水泥用量减少)呈下降趋势.图1　抗折强度与粉煤灰取代率之间关系Fig.1　Flexural strength vs.fly ashpercentage图2　抗压强度与粉煤灰取代率之间关系Fig.2　Compressivestrength vs.flyashpercentage图3　抗折强度与硅粉掺入率之间关系Fig.3　Flexural strength vs.silicafumepercentage图4　抗压强度与硅粉掺入率之间关系Fig.4　Compressive strength vs.silica fume percentage2.2　抗渗透性能抗渗标号可由下式计算,其试验结果见表4和图5.S=10p-1式中:S为混凝土的抗渗标号;p为第三个试件顶面开始有渗水时的水压力,MPa.由图5可看出,当添加1%的LJ165引气减水剂后,混凝土在粉煤灰取代率为25%～40%、硅粉掺入率为6%～8%时,其抗渗透性能显著提高,且当引气减水剂一定时,其抗渗透性能随着粉煤灰取代率增加而降低,随硅粉掺入率增加而增大.说明掺入粉煤灰和硅粉能够显著提高混凝土密实性能和抗渗透性能.其原因是这些活性掺合料改善了混凝土的界面结构,使其渗透通道比基准混凝土的更加弯曲;其活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙C SH凝胶,能填塞水泥石中的毛细孔隙,堵塞渗透通道,增强混凝土的密实度,增大其渗透阻力;同时其孔径分布也与基准混凝土不同,掺活性掺合料混凝土的大孔数量较少,其渗透系数也较小,具有良好的抗渗能力.由于渗透性能对混凝土耐久性起非常重要的作用,绝大多数耐久性问题与混凝土中水分和离子交换的物理化学作用有直接关系.而混凝土病害都是由于混凝土中浸水引起,如冻融损坏、裂缝及其他化学反应.而低渗透性能够降低进入混凝土的水分和离子及其发生的各种作用,故也能增加混凝土的耐久性.图5　渗透性能与粉煤灰取代率之间关系Fig.5　Permeability performance vs.fly ashpercentage2.3　抗冻性能 混凝土的抗冻试验采用快冻法,试验设备为日本产全自动快速冻融试验机,混凝土中心冻融温度为(-17±2)～(6±2)℃,一个冻融循环时间为3～4h.以质量损失率作为混凝土冻融破坏的控制指标,比较各配比混凝土试样在相同冻融循环次数条件下的质量损失情况.因试验条件限制,实验室仅考虑了7%硅粉的混凝土抗冻融性能.试样分别测试了25,50,75和100次冻融循环的平均质量损失率,试验结果见图6.35　第1期曹长伟,等:高掺量粉煤灰混凝土路面应用性能的试验研究 图6　质量损失率与冻融次数关系曲线Fig.6　Weight loss percentage vs .freeze 2tha w cycles 由图6可知,掺入引气减水剂和硅粉后,粉煤灰取代率在25%～30%之间时,混凝土冻融质量损失率明显小于基准混凝土,能有效提高混凝土抗冻性能.混凝土加入引气减水剂后,减少了混凝土水胶比和混凝土孔隙,降低了渗入混凝土中的水分,减少了因混凝土发生冻胀而造成的破坏,且引气剂能够增加混凝土的含气量,能有效改善混凝土的抗冻性能.2.4　干缩性能测定了掺入7%硅粉和1%引气减水剂的试样干缩率.混凝土试样干缩变化分别在3,7,14,28,60d 龄期测定,试验结果见表5和图7.由图7可知,在前14d 干缩率增长迅速,大约21d 后,增长率趋向缓慢.同样可知,随粉煤灰掺入率(25%～35%)的增加,干缩率在减小.在60d 时,添加35%和30%粉煤灰试样的干缩率接近,都比较小,说明其粘结稳定性能好.表5　混凝土干缩性能T ab.5　Concrete drying shrinkage编号粉煤灰取代率/%干缩率/10-63d 7d 14d 28d 60d 10110201320390440225901802503303803308015022028035043575135200250330图7　掺入7%硅粉和1%引气减水剂的混凝土干缩性能Fig.7　Drying shrinkage of 7%silicafume and 1%air 2inducer2.5　耐磨性取试样平均磨耗值作为衡量试样磨耗的标准,试验结果见图8.从图8可得出如下结论:所有混凝土磨耗率均满足上述规范要求(3.6kg ・m -2);混凝土耐磨性与其强度有关,随硅粉掺量加大,其强度增大,耐磨耗性增强.随着粉煤灰取代率增加,其强度降低,磨耗率增加,耐磨性减弱,但在粉煤灰取代率为25%～30%范围内均好于基准混凝土的耐磨性.粉煤灰掺入率在30%～35%且掺入硅粉和引气减水剂时,其耐磨性接近基准混凝土;而粉煤灰掺入率大于35%时,其磨耗率大于基准混凝土,故其耐磨性比基准混凝土差;但随龄期增加,粉煤灰混凝土强度增加,后期耐磨性能增加.图8　混凝土耐磨耗性能Fig.8　Concrete abrasion resistance2.6　经济效益分析各种混凝土每立方米的材料价格见图9.基准混凝土材料价格是181.1元,而除了25%粉煤灰和8%硅粉混凝土价格高于基准混凝土,其余都比基准混凝土低.由图8可知,硅粉和引气减水剂一定时(图中类别4,7,10和13),混凝土造价随粉煤灰增加而减小;而粉煤灰和引气减水剂一定时(图中类别2,3和4),其造价随硅粉用量加大而增加. 由前面各种性能的比较可知,混凝土在粉煤灰取代率为25%～30%、硅粉掺入率为6%～8%和掺入1%的引气减水剂时都能满足工程要求,且在抗折强度、抗压强度、抗渗性、抗冻性能、干缩性和耐磨性方面均优于基准混凝土,且在此区间时,材料价格略为降低.单考虑工程造价,价格越便宜越好,但由于30%粉煤灰和6%硅粉混凝土抗压强度略低于基准混凝土,所以舍弃.故建议采用是1%的引气减水剂、30%的粉煤灰和7%的硅粉的混凝土配比,此时价格是172.4元,材料价格降低了4.8%.该推荐的配比为每立方米混凝土材料用量分别为:水为151kg ,水泥为266kg ,砂为517kg ,石料为1330kg ,粉煤灰为137kg ,硅粉为27kg 、引气减水剂为4.0345 同济大学学报(自然科学版)第35卷　kg.1代表基准混凝土;2～13代表掺入粉煤灰、硅粉、引气减水剂的混凝土,对应表4中的编号1～12图9　混凝土材料价格比较Fig.9　Comparison of concrete prices3　结论(1)掺入粉煤灰、硅粉和引气减水剂时,若粉煤灰取代率为25%～35%,其抗折强度均好于基准混凝土(35%粉煤灰和6%硅粉除外);粉煤灰取代率为25%～30%,其抗压强度均好于基准混凝土(30%粉煤灰和6%硅粉除外),同时又都满足设计标准.(2)混凝土在添加一定量硅粉和引气减水剂时,其抗折强度和抗压强度随着粉煤灰取代率增大而降低;当粉煤灰取代率和引气减水剂量一定时,其抗折和抗压强度随硅粉掺量(6%～8%)的增加而增加.(3)外加剂能显著改善混凝土抗渗性能.在添加1%的L G165引气减水剂、粉煤灰取代率为25%～40%、硅粉掺入率为6%～8%时,混凝土的抗渗性能均好于基准混凝土.(4)粉煤灰取代率为25%～30%时,混凝土抗冻性能优于基准混凝土.(5)掺入硅粉和引气减水剂,粉煤灰取代率在25%～35%时,混凝土干缩率减小.(6)掺入硅粉和引气减水剂,粉煤灰取代率在25%～30%时,混凝土耐磨性优良,均优于基准混凝土,且耐磨性与混凝土强度有关,强度越大,耐磨性越好. (7)经对混凝土力学性能、耐久性和造价综合比较,优选并推荐粉煤灰混凝土配合比为每立方米混凝土材料用量分别为:水151kg,水泥266kg,砂517kg,石料1330kg,粉煤灰137kg,硅粉27kg,引气减水剂4.03kg;其抗折强度为6.84MPa(> 5.0MPa),抗压强度为45.2MPa(>40MPa),满足路面强度设计要求;也大于基准混凝土的抗折强度6.28MPa及抗压强度44.9MPa;其抗冻融性能优于基准混凝土,100次冻融循环其质量损失率为0.107%,小于基准混凝土的质量损失率0.267%;其抗渗性能较基准混凝土优良,其抗渗标号为53,明显高于基准混凝土抗渗标号41;其干缩性(60d 350%)小于基准混凝土(60d440%),具有良好干缩稳定性;其耐磨性(0.877)优于基准混凝土(0.894),且满足规范(3.6)的要求;其材料价格较基准混凝土降低了4.8%.该配合比粉煤灰混凝土表现出优良的力学行为、耐久性、干缩性及抗磨性,推荐其应用到路面工程中.(8)粉煤灰混凝土采用高掺量粉煤灰取代水泥,提高了混凝土的使用品质,节约了大量的费用,减轻了生产水泥带来的空气污染及堆放粉煤灰所占用的土地面积,具有良好的经济效益和社会效益.参考文献:[1]　孙氰萍.大掺量粉煤灰混凝土的特性[J].混凝土,1994(1):25. SUN Qingping.The performance of high content fly ash concrete [J].Concrete,1994(1):25.[2]　Rangaraju P.Investigating the premature deterioration of a con2crete highway[C/CD]∥81st Annual Meeting of TRB.Washington D C:National Research Council,2002.[3]　Ozyildirim C.HPC bridge decks in virginia[J].Concrete Interna2tional,1999,21(2):59.[4]　曹长伟,凌建明,张文献.活性掺合料对路面水泥混凝土性能的影响和应用研究[J].建筑科学,2005,21(6):21. CAO Changwei,L IN G Jianming,ZHAN G Wenxian.The influ2 ence and application study of active admixtures to the performance of cement concrete pavement[J].Building Science,2005,21(6):21.(编辑:张　弘)55　第1期曹长伟,等:高掺量粉煤灰混凝土路面应用性能的试验研究 。