粉煤灰摻量與砂漿強(qiáng)度和水化參量的關(guān)系

1、第22卷第3期2001年7月華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 Journal of Huaqiao U niver sity (N atural ScienceVo l. 22N o. 3Jul. 2001文章編號1000-5013(2001 03-0278-06粉煤灰摻量與砂漿強(qiáng)度和水化參量的關(guān)系嚴(yán)捍東(華僑大學(xué)土木工程系, 泉州362011摘要對水膠比為0. 5, I 級粉煤灰摻量分別占膠凝材料總量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為0, 0. 20, 0. 30, 0. 45和0. 55的砂漿試樣, 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(d 7, 28, 90, 180和365時的抗壓強(qiáng)度、漿體非蒸發(fā)水量和CH 含量, 進(jìn)行了系統(tǒng)測試. 試驗(yàn)

2、數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析, 發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量與砂漿抗壓強(qiáng)度、非蒸發(fā)水量和CH 含量之間, 分別存在很好的線性相關(guān)關(guān)系. 從中, 可以定量研究在不同的粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期時, 粉煤灰效應(yīng)對大摻量粉煤灰水泥基材料的力學(xué)性能和水化進(jìn)程的影響規(guī)律. 關(guān)鍵詞粉煤灰摻量, 抗壓強(qiáng)度, 非蒸發(fā)水量, CH 含量, 粉煤灰效應(yīng)中圖分類號T U 522. 3+50. 6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A近年來, 粉煤灰等火山灰礦物摻合料的應(yīng)用已被普遍接受. 它不僅因?yàn)楣?jié)約水泥所帶來的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性, 而且若合理設(shè)計(jì)還能制得具有高耐久性的結(jié)構(gòu)材料. 因此, 如何定量預(yù)測不同粉煤灰摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期下粉煤灰水泥基材料的強(qiáng)度和水化進(jìn)程, 就變得非常重

3、要. 為了定量預(yù)測粉煤灰混凝土的強(qiáng)度, 一些研究者試圖在普通混凝土強(qiáng)度與水灰比關(guān)系的基礎(chǔ)上,1, 2引入由Smith 首先提出的“膠凝效率因子k ”來修正. 其定義為在不改變水泥性能的情況下, 一份粉煤灰所能取代的水泥份數(shù). 從而, 在“有效水灰比w /(C +kf ”時, 普通混凝土的強(qiáng)度和水灰比的關(guān)系也適合于粉煤灰混凝土. Hansen 也在Smith 和Bolo mey 的基礎(chǔ)上, 提出了粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度與水泥、粉煤灰用量及粉煤灰活性因子間的關(guān)系為s =a (=W -0. 5. 大量研究表明, k 值隨粉煤灰質(zhì)量、摻量和養(yǎng)護(hù)齡期而變. 文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明, 如在粉煤灰摻量提高的同時降

4、低砂率, 則不同養(yǎng)護(hù)齡期時混凝土的抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系是二次拋物線. 普通水泥漿體的水化過程可以用諸如非蒸發(fā)水含量、CH 含量或化學(xué)減縮量等來定量表征. M arsh, Day 和Berry 等, 也都對粉煤灰水泥漿體的CH 和非蒸發(fā)水含量進(jìn)行了測定. 但因粉煤灰水泥漿體的水化很復(fù)雜, 粉煤灰火山灰反應(yīng)需消耗水泥水化產(chǎn)生的CH , 所以以都認(rèn)為CH 含量和非蒸發(fā)水含量并不能很好表征粉煤灰水泥的水化過程. 本文系統(tǒng)測定了不同摻量粉煤灰砂漿, 在不同養(yǎng)護(hù)齡期時的抗壓強(qiáng)度、非蒸發(fā)水及CH 含量. 在基礎(chǔ)上, 對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地分析, 以期揭示粉煤灰效應(yīng)對大摻量粉煤灰水泥基材料力學(xué)和水化進(jìn)程的

5、影響規(guī)律.收稿日期2000-12-02作者簡介嚴(yán)捍東(1968- , 男, 講師5, 67843第3期嚴(yán)捍東:粉煤灰摻量與砂漿強(qiáng)度和水化參量的關(guān)系2791試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法1. 1試驗(yàn)原材料水泥采用525#普通水泥, 粉煤灰為I 級粉煤灰. 它的化學(xué)組成和基本物理力學(xué)性能, 如表1所示. 表中w 為材料化學(xué)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù), 為材料密度, S 為材料比表面積, S 1為方孔篩篩余(水泥為0. 080m m 篩余, 粉煤灰為0. 045m m 篩余 , w 1為粉煤灰的需水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) , ' 28為水泥28d 抗折強(qiáng)度, 28為水泥28d 抗壓強(qiáng)度, 28f 28為粉煤灰28d 抗壓強(qiáng)

6、度比.-3-3砂為人工砂, 表觀密度 0為2. 63g cm 堆積密度 ' 0為1459kg m , 細(xì)度模數(shù)為2. 67, 級配良好. 減水劑為改良型木鈣減水劑, 減水率在20%以上, 摻量為膠凝材料用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的0. 007.表1水泥和粉煤灰的基本參數(shù)項(xiàng)目w SiO 2w Al 2O 3w Fe 2O 3w CaO w Mg O w SO 3w Na 2O w K 2O水泥0. 21060. 05020. 05750. 62120. 02190. 01720. 00620. 0069粉煤灰0. 56480. 32070. 03430. 02740. 00510. 01000.

7、00850. 0083項(xiàng)目w lo ss /g cm -3S /cm 2g -1S 1/(% w 1' 28/M Pa 28/M P a 28f 28-1/(%水泥0. 01183. 1938372. 2-8. 0855. 8-粉煤灰0. 03042. 2254505. 40. 876-98. 91. 2試驗(yàn)方法按表2所示砂漿配比攪拌成型40m m ×40mm ×160m m 試件, 每個齡期各3塊. 在(20±3 , 相對濕度90%以上的室內(nèi)放置24h 后拆模. 然后, 分別養(yǎng)護(hù)至7d, 28d, 90d, 180d 和360d 時, 測定抗折強(qiáng)度和抗壓

8、強(qiáng)度. 相應(yīng)成型30m m ×30m m ×30m m 的試件, 每個齡期表2各砂漿的配合比參數(shù)項(xiàng)目f /(f +c (f +c /S 2w 2/(f +c 1#00. 290. 502#200. 270. 503#300. 270. 504#450. 260. 505#550. 240. 50 f 為粉煤灰用量, c 為水泥用量, S 2為砂的用量, w 2為水的用量2塊, 到相應(yīng)齡期后用無水酒精中止水化. 65下烘干4h, 取試塊中間部分的水泥漿體在研缽中磨細(xì)至全部通過80 m 篩. 取適量磨細(xì)樣品用T G -DTA 方法測試其在10590間的失重量, 按下式(1 計(jì)算

9、非蒸發(fā)水量. 其中440523的失重為CH 脫水引起, 758910失重為CaCO 3(CH 碳化產(chǎn)生 分解引起. 根據(jù)CH, H 2O, CaCO 3, CO 2的分子量可換算出漿體中CH 的含量(計(jì)算方法見文9, 計(jì)算基準(zhǔn)為每克膠凝材料的用量. 有w n e =12fc-,m 2-m 01-l fc(1式中w ne 為非蒸發(fā)水量(g g -1膠凝材料 , l fc =p f l f +(p c l c , p f , p c 分別為粉煤灰、水泥占總膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù), l f , l c 分別為粉煤灰、水泥的燒失量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) , m 0, m 1和m 2分別為樣品的初華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)

10、版 2001年2802試驗(yàn)結(jié)果與分析2. 1砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與多項(xiàng)式線性回歸結(jié)果, 如圖1所示. 從圖中可以看出, 水膠比相同為0. 50時, 粉煤灰摻量在00. 55范圍內(nèi), 抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而提高. 純水泥砂漿養(yǎng)護(hù)90d 后, 強(qiáng)度幾乎沒有增長, 而粉煤灰砂漿的強(qiáng)度則繼續(xù)增長. 養(yǎng)護(hù)90d 時, 粉煤灰砂圖1不同養(yǎng)護(hù)齡期時的砂漿抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系圖漿的強(qiáng)度尚未超過不摻粉煤灰的純水泥砂強(qiáng)度值, 180d 時粉煤灰摻量為0. 20的砂漿抗壓強(qiáng)度才超過純水泥砂漿的抗壓. 而到365d 時, 粉煤灰摻量達(dá)0. 55的砂漿抗壓強(qiáng)度, 都超過了純水泥砂漿的

11、抗壓強(qiáng)度. 這明粉煤灰的火山灰效應(yīng)在90d 前發(fā)揮很小, 于90180d 間逐步發(fā)揮, 且粉煤灰摻量較高的發(fā)揮程度更大. 養(yǎng)護(hù)齡期相同時, 從多元回歸曲線看, 至180d 時, 砂漿抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰摻量的增加而降低, 到365d 時砂漿抗壓強(qiáng)度則隨粉煤灰摻量增加而略有提高. 相應(yīng)各齡期砂漿抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的回歸方程, 如表3所示.表3不同養(yǎng)護(hù)齡期時的砂漿抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的回歸方程T /d 72890180365回歸方程R c =27. 814-0. 48x +0. 003x 2R c =32. 29-0. 018x +0. 005x 2R c =47. 045-0. 274x +0.

12、 001x 2R c =46. 977-0. 107x +0. 006x 2R c =47. 048-0. 243x +0. 003x 2! 0. 9860. 9930. 9640. 9510. 9131. 130. 781. 961. 560. 80 T 為養(yǎng)護(hù)齡期, R c 為砂漿的抗壓強(qiáng)度值(M P a , x 為粉煤灰摻量, ! 為相關(guān)系數(shù), 為均方差2. 2漿體非蒸發(fā)水含量試驗(yàn)結(jié)果與分析漿體的非蒸發(fā)水含量實(shí)測值隨齡期變化圖和非蒸發(fā)水含量與粉煤灰摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的線性回歸曲線, 分別如圖2, 3所示. 從圖2可看出, 漿體中的非蒸發(fā)水含量隨齡期的發(fā)展有波動, d第3期嚴(yán)捍東:粉煤灰摻量

13、與砂漿強(qiáng)度和水化參量的關(guān)系281365d 仍是有降低的趨勢. 文10認(rèn)為這一現(xiàn)象可能是由于C-S-H 凝膠中的多聚硅酸鹽的平均鏈長, 將隨硅灰等火山灰材料摻量和時間的增加而增加, 在聚合過程中釋放出水分, 這部分圖2漿體非蒸發(fā)水和養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖3漿體非蒸發(fā)水與粉煤灰摻量的回歸曲線圖水分可能成為可蒸發(fā)水失去. 從強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展關(guān)系來看, 這也可能是由于90180d 時粉煤灰火山灰反應(yīng)較大發(fā)揮, 消耗CH, 生成的產(chǎn)物結(jié)合的水分可能比水泥水化產(chǎn)物少. 通過回歸分析發(fā)現(xiàn), 在同一齡期, 非蒸發(fā)水含量和粉煤灰摻量間存在很好的線性關(guān)系, 其回歸方程如表4所示. 從各回歸方程的斜率可看出, 養(yǎng)護(hù)7d

14、時, 非蒸發(fā)水量隨粉煤灰摻量增加降低最大, 這是由于水泥相對含量減少, 水化產(chǎn)物生成量少. 隨后, 方程斜率隨齡期延長而降低, 180d 時最小. 這表明在180d 時, 粉煤灰摻量較低的漿體, 火山灰反應(yīng)程度較大, 非蒸發(fā)水量降低較多, 而粉煤灰摻量較大漿體火山灰反應(yīng)還較小. 到365d 時, 粉煤灰摻量較大漿體的火山灰反應(yīng)更大地發(fā)揮, 使得其非蒸發(fā)水量降低較大. 因此, 365d 時, 方程的斜率又增大. 從中也可得出, 對于粉煤灰水泥漿體, 非蒸發(fā)水的降低并不意味著膠凝材料水化程度的降低. 它可能表明粉煤灰火山灰反應(yīng)程度加大, 宏觀上則表現(xiàn)出強(qiáng)度的提高.表4漿體非蒸發(fā)水含量和粉煤灰摻量的

15、回歸方程T /d 72890180365回歸方程w ne =-0. 1334x +12. 669w ne =-0. 0954x +13. 885w ne =-0. 0579x +14. 095w ne =-0. 0265x +12. 472w ne =-0. 0908x +15. 339! 0. 9990. 8720. 7960. 7540. 9210. 0160. 820. 530. 1410. 433 w ne 為漿體非蒸發(fā)水含量, x 為粉煤灰摻量2. 3漿體C H 含量試驗(yàn)結(jié)果和分析圖4示出了不同養(yǎng)護(hù)齡期時, 各配比漿體中CH 含量的實(shí)測值. CH 量隨齡期也呈現(xiàn)一定的波動性. 對于粉

16、煤灰水泥漿體而言, 90d 時CH 含量基本在各配比漿體中都是最多的, 表明90華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2001年282灰反應(yīng)較大. 這一結(jié)果, 與前面非蒸發(fā)水得到的結(jié)論是一致的. 表5示出了漿體中CH 含量和粉煤灰摻量對數(shù)的回歸方程(不含1#純水泥漿體 , 其回歸曲線如圖5所示. 從圖5可看出, 7d 和180d 時回歸方程的斜率最小, 7d 主要是水泥水化產(chǎn)生CH 而180d 則是粉煤灰摻表5漿體CH 含量和粉煤灰摻量對數(shù)的回歸方程T /d 72890180365回歸方程w CH =-3. 392lo g x +10. 210w CH =-7. 689lo g x +17. 075w C

17、H =-6. 719lo g x +15. 724w CH =-3. 947lo g x +10. 224w CH =-6. 348lo g x +14. 589! 0. 9430. 9960. 8440. 9960. 9550. 0400. 0130. 4720. 0040. 106 w CH 為漿體中CH 含量, x 為粉煤灰摻量圖4各養(yǎng)護(hù)齡期漿體的CH 含量圖5CH 含量與粉煤灰摻量對數(shù)的回歸曲線量較少的漿體中, 粉煤灰火山灰反應(yīng)較大發(fā)揮的齡期. 通過對粉煤灰水泥基材料的抗壓強(qiáng)度、非蒸發(fā)水含量和CH 含量隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律的分析, 發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)論能夠很好地吻合. 這都反映出粉煤灰火山

18、灰反應(yīng)在90d 前很少, 90d 180d 逐漸發(fā)揮, 發(fā)揮的程度隨粉煤灰摻量增加而降低. 并且, 它們和粉煤灰摻量都有很好的線性關(guān)系, 這為我們預(yù)測粉煤灰摻水泥基材料性能提供了很有用的指導(dǎo).3結(jié)束語(1 粉煤灰砂漿的抗壓強(qiáng)度和粉煤灰摻量的關(guān)系可用二次函數(shù)表達(dá), 非蒸發(fā)水量和粉煤灰摻量的關(guān)系為線性函數(shù)關(guān)系, CH 含量和粉煤灰摻量的對數(shù)也可用線性函數(shù)關(guān)系表示. 這為我們定量預(yù)測不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同粉煤灰摻量水泥基材料的性能, 提供有用的指導(dǎo). (2 粉煤灰水泥基材料抗壓強(qiáng)度、非蒸發(fā)水量和CH 含量的隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律, 揭示出粉煤灰d第 3 期嚴(yán)捍東: 粉煤灰摻量與砂漿強(qiáng)度和水化參量的關(guān)系

19、283 參考文獻(xiàn) 1Babu K G , R ao G S N . Early str eng th behav io ur of fly ash concr etes J . Cement and Concret e R esear ch, 1994, 24( 2 : 227284 2 Babu K G , Rao G S N . Efficiency o f fly ash in co ncr ete w it h age J . Cement and Co ncr ete R esear ch, 1996, 26( 3 : 465474 3Hansen T C. L ong - m st

20、reng th of hig h fly ash co ncr ete J . Cem ent a nd Concrete R esear ch, 1990, 20 ter ( 2 : 193196 4Bijen J, Selst R V . Cement equiv alence factor s for tly ash J . Cem ent a nd Concrete R esear ch, 1993, 22 ( 5 : 1 0291 039 5 Par r ott L J , G eiker M , Gutter ide W A , et al . M onito ring por t

21、land cement hy dr ation co mpar iso n of methods J . Cement and Concr ete Research , 1990, 20( 6 : 919926 6Geiker M , K undsen T . Chemical shr inka ge of po rt land cement pastes J . Cement and Concr ete R esear ch, 1982, 12( 5 : 603610 7 M ar sh B K, Day R L . P ozzlo anic and cementitio us rea ct

22、 ions of fly ash in blended cement past es J . Cement and Concr ete Research , 1988, 18( 2 : 301310 8 Ber ry E E, Hemmings R T , Cor nelius B J. M echanism s of hydra tio n reactions in hig h volume fly ash paste and mor tar s J . Cement and Concrete Co mpo sites, 1990, 12( 2- : 213261 3 9廉慧珍, 童良, 陳

23、恩義, 建筑材料物相研究基礎(chǔ) M . 北京: 清華大學(xué)出版社, 1997, 98101 10Zhang M H, Gj! rv O E. Effect of silica fume o n cem ent hydrat ion in low por osity cement pastes J . Cement and Concret e Research, 1991, 21( 5 : 800808 Relation of Fly Ash Entrainment in the Mortar with Strength and Hydration Parameters of the Mortar Yan Handong ( D ept . of Civil Eng . , Huaqiao U niv . , 362011, Q uanzh ou Abstract systematic measur ements w ere made on compr essio n str eng th, no n- po rable w ater and CH eva content o f mo rt ar samples. T hese mor tar samples entrained fir st g rade fly ash w ith a w ater ash ratio