混凝土掺粉煤灰的优缺点(掺加粉煤灰对钢管混凝土配合比的影响研究)

Posted 2023-06-01

篇首语：学乃身之宝，儒为席上珍。君看为宰相，必用读书人。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了混凝土掺粉煤灰的优缺点(掺加粉煤灰对钢管混凝土配合比的影响研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

混凝土掺粉煤灰的优缺点(掺加粉煤灰对钢管混凝土配合比的影响研究)

李波赵一董军焦立颖向学建赵垚珺

信阳市交通基本建设质量检测监督定额站北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心北京恒坤混凝土有限公司中路高科交通检测检测认证有限公司杭州市市政工程集团有限公司

摘要：依托某独塔大型斜拉桥的钢管混凝土索塔所需要的C50自密实微膨胀钢管混凝土配合比设计工程背景，针对粉煤灰有助于改善混凝土配合比，改进混凝土性能的特点，通过掺加粉煤灰混凝土的实验以及生产，对粉煤灰的掺加给混凝土拌合物的和易性、坍落度等工作性能及力学强度带来的影响进行了观察和分析，得出最优掺加粉煤灰混凝土配合比。研究结果表明，粉煤灰的适量掺加对于改进钢管混凝土的力学性能有积极的作用，可以改善新拌混凝土的和易性，降低坍落度损失;随着粉煤灰掺量的不同，混凝土强度在7d、28d提升较大，其中粉煤灰掺量与水泥之比在0.343时，混凝土强度提升最为明显。

关键词：钢管混凝土;粉煤灰掺量;配合比优化;力学性能;影响;

基金：河南省交通运输厅科技计划项目(2016-2-2);北京市大学生科研训练计划深化项目(201610);

粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰多来自于是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为:Si O2、Al2O3、Fe O、Fe2O3、Ca O、Ti O2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。粉煤灰利用，既是资源再利用能够较好地解决其堆放占地和污染环境的问题;也能改善混凝土的工作性，产生显著的经济效益和社会效益。随着国家生产力的提高，国内外学者对混凝土掺入粉煤灰进行了大量研究，其中刘虎在研究中发现在混凝土中添加粉煤灰会影响混凝土的坍落度、凝结时间。张玥等研究了在混凝土掺加粉煤灰对混凝土有一定的防腐蚀作用。Nikhil在研究中发现在混凝土中掺加粉煤灰可以改善透水性。刘松等，依托荆岳长江公路大桥承台施工工程，研究了大掺量粉煤灰在混凝土中的应用。施养杭等对高掺量粉煤灰混凝土的性能开展了试验研究，对粉煤灰的影响机制进行了深入分析。焦立颖等依托C60钢管混凝土配合比优化试验，研究了粉煤灰掺量的影响。

文中所依托某独塔大型斜拉桥的钢管混凝土索塔要求混凝土应具备C50自密实微膨胀等性能，为此，必须结合对混凝土的性能要求，开展系统的试验研究，以保证混凝土具有较高的密实度、良好的工作性等。文中主要通过不同粉煤灰掺量对新拌混凝土和易性、坍落度损失、扩展度、T50通过时间、U型箱填充高度、V型漏斗通过时间及标准混凝土试块的抗压强度等的影响，进行实验及理论分析。研究结果表明，粉煤灰的适量掺加对于改进钢管混凝土的力学性能有积极的作用，可以改善新拌混凝土的和易性，降低坍落度损失;随着粉煤灰掺量的不同，混凝土强度在7d、28d提升较大，其中粉煤灰掺量与水泥之比在0.343时，混凝土强度提升最为明显。依据所选择的配合比优化方案，成功地完成了现场钢管混凝土索塔的浇筑和施工。针对超声法对现场浇筑60d钢管与混凝土的结合程度，结果符合要求，未发现脱空现象。研究结果可为对于一线工程技术人员有效地掌握和理解粉煤灰的作用、掺加机制及类似工程等提供重要的理论和经验。

1 粉煤灰选择与混凝土配合比优化

本依托工程的桥梁主塔为钢管混凝土结构，钢管直径为2.5m，塔高60m，共14节，13-14节为空钢管，无需灌注混凝土，主塔采用非垂直设计而是向边跨倾斜10度，这就有对桥塔的设计有了更加严苛的要求，不仅承受压力，还要承受由于偏斜所带来的小偏心拉力，且钢管直径有限振捣难度大，故采用自密实混凝土，由此对混凝土的流动性有了较高的要求，且因为是钢管混凝土故对于脱空问题亦要求较大。根据大桥设计及索塔钢管混凝土对力学性能的要求，参考相关规范，选择C50型号为525高强度自密实混凝土为最优设计材料。混凝土的浇筑采用插管式自下而上灌注，为保证自密实性分节次浇筑成功，同时又满足混凝土工作性能及力学性能的要求。

针对上述目标要求，需要对混凝土的配合比开展系列的优化研究，以满足索塔钢管混凝土施工对混凝土的流动性、强度、初凝、工作性能以及力学性能的要求。

依据设计规范，考虑实地原材料的特性，参考以往设计经验，通过大量的适配实验，并观察实配效果，确定原材料选择，如表1所列，确定基准方案。

表1 原材料选择下载原图

进一步在基准方案中，引入不同的粉煤灰掺量，分别就混凝土的基本性能，进行实验对比研究，如表2所列，要求其工作性能应满足表3所列条款，此外还应满足28天强度≥50MPa的力学性能及体积稳定性能要求。

表2 配合比实验方案/kg·m-3 下载原图

表3 工作性能要求下载原图

2 实验结果与最后优化方案的确定

由于粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起到滚珠作用;其次是粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，避免水泥颗粒聚集成团。因此，适量掺量的粉煤灰，采用高质量的粉煤灰取代部分水泥对混凝土的和易性改善较为明显。从表观上看，如图1～4所示，图1说明方案1泌水严重;图2说明方案2有轻微泌浆;图3说明方案3失水严重;图4说明方案4和易性良好。

图1 方案1混凝土出机状态下载原图

图2 方案2混凝土出机状态下载原图

图3 方案3混凝土出机状态下载原图

图4 方案4混凝土出机状态下载原图

进一步，基于不同粉煤灰掺量方案的实验研究，对混凝土坍落度损失、扩展度、T50通过时间、U型箱填充高度、V型漏斗通过时间及混凝土抗压强度等进行观察和分析，可以发现。

关于混凝土的坍落度，如图5所示，方案1的混凝土坍落度损失很快;方案2较方案1坍落度有所提高，但依旧损失很快;方案3出现异常反大的迹象;方案4与表观观察基本吻合，坍落度高，且数值稳定，保坍性良好。

图5 不同方案之间混凝土坍落度实验对比下载原图

关于混凝土的扩展度，如图6所示，方案1的混凝土扩展不稳定，有反大的迹象;方案2扩展度损失很快;方案3扩展度较小，且损失过快;方案4扩展度达到了68.5左右，且数值稳定，保坍性良好。

图6 不同方案之间混凝土扩展度实验对比下载原图

从T50通过时间来看，如图7所示，方案1的T50时间要慢一些;方案2的T50相对1要好一些;方案3的T50时间较长且稳定性较差;方案4的T50时间最快，且稳定。

从U型箱填充高度实验来看，如图8所示，方案1填充高度不能使两边一样高。方案2混凝土不稳定，方案3填充效果较差，方案4填充度在32cm左右，基本持平，填充效果良好。

从快速通过V型漏斗时间来看，如图9所示，方案1、方案2、方案3通过时间较慢，而方案4能较快地通过V型漏斗。

进一步针对不同方案的混凝土试件，开展了抗压强度试验，结果如图10所示。从图中可以看出，掺加粉煤灰的混凝土力学性能原因在7d、28d、提升较快，其中方案4的抗压强度最高，达到了67MPa，原因是相粉煤灰具有较大比表面积，可使圬工反应更加完全，生成新的凝胶填充物，降低混凝土孔隙率，致使混凝土强度得以提升;此外，粉煤灰具有较强的的吸水性，降低混凝土的含水率，使混凝土黏聚性增强。特别是的粉煤灰呈滚珠型，可降低水泥浆体孔隙率、使得水泥浆体变得密实，从而优化水泥浆体的孔隙结构。

图7 不同方案之间混凝土T50时间的对比下载原图

图8 不同方案之间混凝土U型箱填充高度实验对比下载原图

图9 不同方案之间混凝土V型漏斗通过时间对比下载原图

综上比较可知，方案4最优，工作性能各项指标均满足表3所列的要求及力学强度要求。

依据所选择的配合比优化方案，成功地完成了现场钢管混凝土索塔的浇筑和施工，现场观测与测试表明，粉煤灰对混凝土整体强度具有改善作用。早期强度会有所降低，但是后期强度会有一定持续增长，达到或甚至超过基准混凝土的强度。针对超声法对现场浇筑60d钢管与混凝土的结合程度，结果符合要求，未发现脱空现象。

图1 0 不同方案混凝土抗压强度试验对比下载原图

3 结论

文中主要通过不同粉煤灰掺量对新拌钢管混凝土混凝土和易性、坍落度损失、扩展度、T50通过时间、U型箱填充高度、V型漏斗通过时间及标准混凝土试块的抗压强度等的影响研究，获得了满足钢管混凝土工作性能要求的混凝土优化配合比。研究结果表明，粉煤灰的适量掺加对于改进钢管混凝土的力学性能有积极的作用，可以改善新拌混凝土的和易性，降低坍落度损失;随着粉煤灰掺量的不同，混凝土强度在7d、28d提升较大，其中粉煤灰掺量与水泥之比在0.343时，混凝土强度提升最为明显。

参考文献

[1] 刘虎．粉煤灰在预拌混凝土中的应用．建材与装饰，2019(20):65-66.

[2] 张玥，王艳，梁丽敏．粉煤灰在混凝土领域中的利用．科技创新与应用，2019,(20):180-181.

[3] Nikhil Saboo,Shekhar Shivhare,Krishna Kumar Kori,Anush K.Chandrappa. Effect of fly ash and metakaolin on pervious concrete properties. Construction and Building Materials,2019,223.

[4] 刘松，屠柳青，裴炳志，等．大掺量粉煤灰混凝土在荆岳长江公路大桥承台中的应用．粉煤灰综合利用，2009,(1):41-43.

[5] 施养杭，袁双喜．高掺量粉煤灰混凝土性能试验研究．郑州大学学报(工学版)，2008,29(2):86-90.

[6] 焦立颖，王超，董军．基于C60的钢管混凝土配合比优化试验研究．混凝土，2017,(1):97-101.

[7] JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程．

[8] 钱觉时．粉煤灰特性和粉煤灰混凝土．北京:科学出版社，2002.

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1 粉煤灰选择与混凝土配合比优化

2 实验结果与最后优化方案的确定

3 结论

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