粉煤灰对混杂纤维混凝土力学与耐久性能的影响分析_吴群威.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：国家自然科学基金，FRP 筋增强 ECC 受弯构件疲劳损伤机理及寿命预测模型研究（项目编号：51708510）。收稿日期收稿日期：2022-01-18 作者简介作者简介：吴群威（1990-），男，河南省郑州市人，工程师，研究方向：EPC 项目设计及施工技术。通通信信作者作者：赵娣（1990-），女，河南省郑州市人，工程师，硕士，研究方向：公建项目施工总包管理及创优创奖等。E-mail：。粉煤灰对混杂纤维混凝土力学 与耐久性能的影响分析 吴群威，赵娣（中国建筑第五工程局有限公司，河南 郑州 450000）摘 要：将粉煤灰加入混凝土中可以有效消耗工业固体废弃物，保护环境。基于此，制备了不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土样品，开展了立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、碳化深度以及冻融循环后的相对动弹性模量和质量损失率测试，分析了混凝土力学与耐久性能随粉煤灰掺量的变化规律。研究结果表明：养护龄期小于14 d 时混杂纤维混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增大而减小，养护龄期大于 14 d 时抗压强度随粉煤灰掺量的增大而增大；60 d 养护龄期和 12%粉煤灰掺量的混凝土抗拉强度最大；碳化深度随粉煤灰掺量的增大而先减小后增大；粉煤灰掺量小于 12%时，掺入粉煤灰的混杂纤维混凝土的抗冻性能要略优于素混杂纤维混凝土。关 键 词：粉煤灰；混杂纤维；混凝土；力学性能；耐久性能 中图分类号：TQ178 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0273-04 Analysis on Influence of Fly Ash on Mechanical and Durability of Hybrid Fiber Concrete WU Qun-wei,ZHAO Di （China Construction Fifth Engineering Division Corp.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450000,China）Abstract:Adding fly ash into concrete can effectively consume industrial solid waste and protect the environment.Based on this,the mixed fiber concrete samples with different fly ash content were prepared,and the cube compressive strength,splitting tensile strength,carbonization depth,relative dynamic elastic modulus and mass loss rate after freezing-thawing cycle were tested.The changes of concrete mechanics and durability with fly ash mass fraction were analyzed.The results showed that:when curing age was less than 14 d,the compressive strength of hybrid fiber concrete decreased with the increase of fly ash mass fraction;when the curing age was more than 14 d,the compressive strength increased with the increase of fly ash mass fraction.The tensile strength of concrete with curing age of 60 d and fly ash mass fraction of 12%was the highest.The carbonization depth decreased first and then increased with the increase of fly ash mass fraction.When the fly ash mass fraction was less than 12%,the frost resistance of mixed fiber concrete with fly ash was slightly better than that of plain mixed fiber concrete.Key words:Fly ash;Hybrid fiber;Concrete;Mechanical properties;Durable performance 水泥是重要的建筑原材料，其使用历史可以追溯到 2 000 年前1-2。2014 年以前，我国建筑行业快速发展，水泥产量逐年增加，峰值年产量达到了约 25 亿 t。然而，水泥生产过程中产生的大量二氧化碳，会加剧全球气候变暖。目前我国逐年降低水泥产量，寻找其他胶凝材料代替水泥，2021 年全年水泥产量降低至23.63亿t，比2020年降低了1.2%3-6。目前，粉煤灰已经成为一种重要的混凝土胶凝材料。同时，粉煤灰作为工业固体废料，其堆放占用了大量土地，污染环境，还可能会造成粉尘灾害，严重影响人员的身体健康。基于此，学者们在粉煤灰对混凝土使用性能的影响规律方面开展了大量研究工作。高凌泉7等指出掺加适量粉煤灰掺合料可以有效提高喷射混凝土的工作性和强度，并找出了最佳粉煤灰掺量；郑晓东8等开展了不同粉煤灰掺量混凝土的抗冻性能测试和抗压强度测试；刘一颖9等探究了粉煤灰掺量对高性能混凝土的工作性能、力学性能和渗透性能的影响；惠存10等研究了粉煤灰掺量对混凝土不同养护龄期的抗拉和抗压等力学性能的影响规律。然而，目前在粉煤灰掺量对混杂纤维混凝土力学性能影响方面的研究较少。因此，本文制备了不同粉煤灰掺量的混杂纤维混凝土，研究了粉煤灰掺量对混杂纤维力学性能、抗冻性能、耐久性能等影响规律，找出了在此方面最佳的粉煤灰掺量。本文的研究成果可以为粉煤灰混杂纤维混凝土的工程使用提供有效的理论基础。DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.007 274 当 代 化 工 2023年2月 1 试验材料与方法 1.1 试验材料 试验材料包括水泥、粉煤灰、碎石、河砂、水、减水剂、玄武岩纤维、聚丙烯纤维等。玄武岩纤维和聚丙烯纤维的物理力学特性如表 1 所示。粉煤灰的基本参数如表 2 所示，达到 I 级粉煤灰要求。表 1 纤维的物理力学特性 Table 1 Physical and mechanical properties of fibers 种类 密度/(kgm-3)断裂延伸 率/%抗拉强 度/GPa 弹性模 量/GPa 玄武岩 2 650 3.2 3.20 100.0 聚丙烯 910 40 0.46 2.8 表 2 粉煤灰的基本参数 Table 2 Basic parameters of the fly ash 密度/(kgm-3)比表面积/(m2kg-1)活性 指数/%需水 量/%烧失 量/%1.852.60 600 90 95 5.0 混杂纤维粉煤灰混凝土的制备流程如下：1）湿润搅拌锅，将河砂和碎石加入搅拌锅中搅拌 30 s；2）进一步加入水泥、粉煤灰和混杂纤维继续搅拌 30 s；3）在搅拌锅中加水搅拌 60 s；4）将试样倒入模具，放在振动台上振捣；5）将混凝土标准养护 24 h 后脱模，继续室温养护 760 d。混杂纤维粉煤灰混凝土的材料配比如表 3 所示，水灰比为 0.65，混杂纤维中玄武岩纤维和聚丙烯纤维的体积比为 12，C1、C2、C3、C4、C5、C6 编号的试样中粉煤灰掺量分别为 0、6%、12%、18%、24%、30%，用于分析粉煤灰掺量对混凝土力学与耐久性能的影响。表 3 纤维混凝土配比 Table 3 Fiber concrete ratio 编号 水泥/(kgm-3)粉煤灰/(kgm-3)碎石/(kgm-3)河砂/(kgm-3)水/(kgm-3)减水剂/(kgm-3)纤维掺量/%C1 430 0 1 094 642 241 6.5 0.2 C2 404.2 25.8 1 094 642 241 6.5 0.2 C3 378.4 51.6 1 094 642 241 6.5 0.2 C4 352.6 77.4 1 094 642 241 6.5 0.2 C5 326.8 103.2 1 094 642 241 6.5 0.2 C6 301 129 1 094 642 241 6.5 0.2 1.2 试验方法 依据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T500822009）开展混凝土力学性能测试、碳化性能测试以及冻融循环测试。力学性能测试包括抗压强度测试和抗拉强度测试，抗压强度测试试件尺寸为 100 mm100 mm 100 mm，养护龄期分别为 7、14、28、60 d；抗拉强度测试试件尺寸为 100 mm100 mm100 mm，养护龄期分别为 28、60 d。碳化性能测试试件尺寸为 100 mm100 mm 400 mm，养护龄期达到 28 d 后，烘干后放置在碳化箱中，保持二氧化碳体积分数处于 70%5%的条件下碳化 28 d。冻融循环试验采用慢冻法，试件尺寸为100 mm 100 mm100 mm，将养护 24 d 的试样放置于水中浸泡4 d，每次冻融循环时间为14 h（8 h低温-20，6 h 室温 20），最大冻融循环次数为 75 次。2 粉煤灰对混杂纤维混凝土力学与耐久性能的影响分析 2.1 对抗压强度的影响 不同养护龄期下混杂纤维混凝土抗压强度随粉煤灰替换率的变化曲线如图 1 所示。由于粉煤灰早期活性较低，在混杂纤维混凝土中仅仅起到充填作用，因此，养护龄期小于 14 d 时，粉煤灰替换水泥率越高，混杂纤维混凝土的抗压强度就越低，以养护龄期7 d为例，粉煤灰替换水泥率分别为0、6%、12%、18%、24%和 30%时，混杂纤维混凝土的抗压强度分别为 19.4、18.9、18.0、16.7、14.2、12.6 MPa。当养护龄期超过 28 d 后，粉煤灰的活性效应将会得到越来越充分的发挥，这将促进水泥水化产物在混凝土内部的生成和填充，导致混杂纤维混凝土强度变高；但粉煤灰替换水泥率过高，则会使混凝土内部胶凝物质过少，反而不利于混凝土强度的进一步提升。因此，养护龄期超过 28 d 后，随着粉煤灰替 第 52 卷第 2 期 吴群威，等：粉煤灰对混杂纤维混凝土力学与耐久性能的影响分析 275 换水泥率的提高，混杂纤维混凝土的抗压强度出现了先增大后减小的变化规律；以养护龄期为 60 d 为例，粉煤灰替换水泥率分别为 0、6%、12%、18%、24%和 30%时，混杂纤维混凝土的抗压强度分别为42.2、42.7、43.5、42.6、41.7、40.1 MPa。可见，当粉煤灰替换率小于 12%时，混杂纤维混凝土的后期抗压强度要比不掺加粉煤灰条件下略高。因此，对于早期强度要求不高的混杂纤维混凝土工程，可用粉煤灰替换约 12%的水泥以减小工程造价。图1 不同养护龄期下混杂纤维混凝土抗压强度随粉煤灰替换率的变化曲线 Fig.1 Compressive strength curves of hybrid fiber concrete with replacement rate of fly ash at different curing ages 2.2 对劈裂抗拉强度的影响 不同养护龄期下混杂纤维混凝土劈裂抗拉强度随粉煤灰替换率的变化曲