2009 NO.2
粉煤灰综合利用
FLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATION
专题研究
/三掺0混凝土耐高温性能及其微观分析
孙庆霞,曹万智,周茗如,薛海儒,郭士刚
1
2
1
3
1
*
High-temperaturePerformanceandMicroscopicAnalysisonthe"Three-doped"Concrete
(1.兰州理工大学土木工程学院,兰州730050;2.西北民族大学土木
工程学院,兰州730124;3.中铁十局,济南250117)
摘 要:研究了以掺加高效减水剂、粉煤灰、纤维配制的混凝土的耐高温性能,并利用扫描电镜观察/三掺0混凝土的微观形貌。结果表明:高温后/三掺0混凝土颜色发生改变,质量发生损失,残余强度呈先升后降的趋势;显微结构在高温后也发生了一系列物理化学变化,从而为进一步研究混凝土性能提供有益的参考。 关键词:/三掺0混凝土;高温作用;微观结构;试验研究
中图分类号:TU528.34 文献标识码:A 文章编号:1005-8249(2009)02-0008
(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050;2.SchoolofCivilEngineering,
NorthwestUniversityforNationalities,Lanzhou730124;3.ChinaRailwayTenthGroup,Jinan250117)
Abstract:Studyofhigh-temperatureperformanceontheconcretewhichaddingthesuperplasticizer、flyashandfiberpreparation,anduse
thescanningelectronmicroscopetoobservethe"three-doped"concretemorphology.Theresultsshowthat:afterhightemperaturethecolorchanged、thequalitylossedandtheresidualstrengthwasfirstandthendecreasedtrend;afterhightemperaturethemicrostructurehappenedaserieschangesonphysicalandchemical,soprovideausefulreferenceonthefurtherstudyoftheconcreteperformance.
Keywords:"Three-doped"concrete;High-temperature;Microstructure;ExperimentalStudy
混凝土在高温作用下,由于其内部结构的一系列物理和化学变化,使混凝土的力学性能逐步恶化,强度
和刚度逐步退化,最后导致失效。文中针对掺加高效减水剂、粉煤灰和纤维的/三掺0混凝土进行了耐高温性能的试验研究。对其在常温、200e、400e、600e、700e、800e、900e、1000e时的宏观和微观结构进行研究和分析,利用扫描电镜(SEM)观察/三掺0混凝土微观形貌的变化,从而更好的解释混凝土的宏观性能。为混凝土结构的抗火设计和进一步研究提供科学依据。1 原材料
原材料包括:粗骨料(碎石。由兰州当地供应,堆
33
积密度1510㎏/m,表观密度2673㎏/m,1h吸水率
*
0.61%,最大粒径26.5mm)、细骨料(普通河砂。中砂Mx=2.7,表观密度Q=ap=2653㎏/m,堆积密度Q1519㎏/m,吸水率Xs=1.4%)、兰州产42.5级普通硅酸盐水泥(各项性能符合5通用硅酸盐水泥6GB175-2007标准要求,28d抗压强度为:43.1MPa)、兰州热电公司排放的Ò级粉煤灰、UNF-1型高效减水剂(掺量0.5%,减水率12%)、聚丙稀纤维(兰州维尼纶厂生产,平均长度6mm,密度905㎏/m,抗拉强度590MPa,弹性模量4100MPa)、自来水。
表1 水泥、粉煤灰化学成分
材料粉煤灰水泥
SiO252.0322.36
Al2O328.936.75
Fe2O38.374.67
CaO5.6758.76
MgO1.542.18
3
3
3
/%
SO30.82.64
烧失量-1.96
表2 粉煤灰性能指标
基金项目:甘肃省自然科学基金项目(2007GS04093);甘肃省建
细度
GB1596-91[20实测结果
14.5
需水量比[105101
烧失量[86.8
含水量[10.6
SO3含量[30.8
/%
28d抗压强度\6267
质量等级ÒÒ
设科技攻关项目(JK2007-11);兰州理工大学博士启动基金(SB04200803)
收稿日期:2008-10-06
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专题研究
2 配合比设计
混凝土配合比设计见表3。拌合物性能及物理力学性能见表4。
表3 混凝土配合比设计
编号PP
水泥368
石子1074
河砂659
水216
高效减水剂
1.84
表6 各温度段残余强度
混凝土种类
20
200
400
温度段/e60024.6
70019.6
80012.4
900--1000--
PP残余强度/MPa36.852.039.6
强度损失比
1.0
/㎏/m3
聚丙烯纤维
3
1.4131.0760.6680.5330.337
粉煤灰74
注:强度损失比为残余强度与初始强度之比
4 试验数据分析
4.1 高温后混凝土表观特征分析
由表5可以看出:/三掺0混凝土在300~400e左右开始出现裂纹,随着温度的升高,裂纹逐渐发展。700e之后开始出现明显的爆裂现象,水泥石与骨料
脱离,无粘结性,混凝土变的很酥,就像葱头一样一层层的瓦解成碎片。当温度高达800e时,混凝土最大裂宽已达到0.64mm。900e之后已经出现宏观上的严重破坏。而且试块外观随着温度的升高而发生颜色变化,且高温作用后由于空隙中的水蒸发,毛细孔中水汽化,水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙脱水使得烧后试块质量产生损失。其原因为:300~400e时,/三掺0混凝土骨料开始膨胀,随着温度的升高,骨料膨胀和水泥收缩加剧,两者结合被破坏。另一方面水泥中的水分流失,湿度梯度大,有利于裂纹增长。温度高于500e后,硅酸盐类粗骨料出现晶体转化,并伴有明显的热膨胀现象,初始的不连贯裂缝迅速扩展并连续起来,形成大裂缝,造成混凝土的宏观破坏。水泥石受拉,骨料受压,由此加剧了内裂缝的开展,这也是强度降低的主要原因。同时,水泥石与骨料之间的膨胀不同所引起的热应力,可在两者之间产生裂纹,并随温度的升高而发展。
4.2
高温后混凝土力学性能分析
注:编号第一个P表示混凝土类型;第二个表示水泥种类
表4 拌合物性能、物理力学性能
编号PP
砂率/%38
水胶比/W/J0.49
塌落度/mm80
干密度/㎏/m32282
砼抗压强度/MPa7d26.4
28d36.
8
为减少试块湿含量对试验结果的
影响,养护结束后移至烘箱中,在105e下烘烤12h后再将
图1 升温曲线试块放入电阻炉中
按设定的升温制度
升温.为使试块达到受热均匀的效果,升温应缓慢进行,升温制度为50e/20min,达到要求温度后保持恒
温8h,然后自然冷却到室温后按照国家标准5普通混凝土力学性能试验方法标准6(GB/T50081-2002)完成抗压试验,测其残余强度;用裂缝测宽仪测定高温后混凝土表面的最大裂缝并详细记录混凝土的表面特征;选取具有代表性试样,试样分析前断口表面喷金后拍摄有特征的显微结构。试样升温曲线如图1。3 耐高温性能试验研究
试验结果见表5、表6。
表5 高温后/三掺0混凝土表观现象
温度/e200400
颜色变化无变化灰褐色
表面现象无裂纹
明显出现多条放射性裂缝
裂缝有发展
(1)压试块时明显出现爆裂(2)水泥石与骨料脱离,无粘结性
(3)强度降低,易碎
出现爆裂
出现严重爆裂,宏观上已破坏出现严重爆裂,宏观上已破坏
0.64--[1**********]0
0.30
2239
最大裂宽/㎜烧后质量/g
-0.140.26
[1**********]3
600灰白中土黄色
灰白中带有暗红色土黄色土黄色土黄色
700
图2 /三掺0混凝土强度损失比曲线
8009001000
由表6及图2可以看出:当温度升到200e时,混凝土的强度达到顶峰,直到400e时强度与常温时相
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专题研究
比还是有所提高,这是因为在200e以上高温时混凝土水泥石中的游离水汽化,加速水泥水化,使混凝土抗压强度增加。500~600e时强度下降较明显,600~700e时,混凝土强度降到了初始强度的55%~65%之间,800e时降到初始强度的33.7%,但此温度下混凝土已出现宏观上的严重破坏。900e之后强度几乎丧失。
通过回归分析,采用四次多项式给出了高温后/三掺0混凝土立方体抗压强度计算公式,见式(1)。理论曲线绘于图2,与试验结果相符良好。fcut=(-2@10T+4@10T-3@10T
+0.0073T+0.8649)fcu
-11
4
-8
3
-5
2
体系。在高温作用下,会发生一系列物理、化学、力学的变化,混凝土的组成成分及结构随作用温度而发生改变,由X射线能量色散普图也说明了这一点。不同
温度作用后混凝土微观特征见图3~图6
。
(1)
图3 常温界面过渡区@5000 图4 常温@
1000
(20e[T[800e)
式中:fcut-高温后/三掺0混凝土残余强度。
fcu-常温时/三掺0混凝土立方体抗压强度。4.3聚丙烯纤维对缓解/三掺0混凝土高温开裂的贡献
由于混凝土中掺加大量均匀分布的聚丙烯单丝纤维形成的立体网络结构,当混凝土构件内部温度上升到165e以上时,纤维遇热熔化,形成一个水蒸汽通道,减小混凝土内部的压力,降低了爆裂的可能,由于有未爆裂混凝土的有效阻隔,使构件内部温度上升较慢。所以可有效避免高温环境下的混凝土的爆裂。4.4 粉煤灰对混凝土耐热性能的影响
粉煤灰导热系数比较低,在0.06~0.35W/(m#K)数量级,硅酸盐水泥的导热系数在0.26W/(m#K)左右。Ca(OH)2富集与界面区域更容易受到一些侵蚀介质的影响,也会加剧碱集料反应的程度。粉煤灰的加入通常显著降低界面区域Ca(OH)2的取向程度,这有利于提高混凝土的抗开裂性能,还可以明显降低界面区域的Ca(OH)2和钙矾石生成量。但在高温下,并不一定能提高混凝土的耐高温性能。Carette等(1982)研究掺加粉煤灰、矿渣的混凝土随温度升高至600e的强度变化情况,结果表明:粉煤灰混凝土与普通混凝土以及矿渣混凝土相比,耐热性能没有明显差异,在高温度下粉煤灰混凝土耐热性能相比于普通混凝土、矿渣混凝土有所降低。5 /三掺0混凝土微观分析
在常温下硬化的水泥石,通常由未水化的水泥熟料颗粒、水化水泥、水和少量的空气以及由水和空隙占有的空气网所组成。因此它是一个固-液-气三相多孔#图5
600e
@1000 图6 1000e
@1000
常温下,集料与水泥石十分紧密的粘结在一起,界面过渡区完整密实。水泥石结构致密。由图3可以看出在界面区没发现大晶体的定向排列,但有大量微晶
质可以彼此交叉和连生,又因其大小在胶体范围内而具有凝胶体特性的水化硅酸钙凝胶(C-S-H),这是Ò型C-S-H凝胶的网状粒子,它由许多小的粒子互相接触而形成的互相连锁的网状结构。利用扫描电镜观察的C-S-H凝胶有不同的形态,也有称为Ñ型的纤维粒子状凝胶和称为Ó型的大而不规则的等大粒子或扁平粒子,Ca(OH)2结晶常常插入到这类凝胶体中。常温下Ca(OH)2结晶良好、密实。Ca(OH)2是层状结构,由此决定了它的片状形态,在显微镜下,Ca(OH)2为六角型片状晶体。由于Ca(OH)2在一定条件下会与其它水化产物反应,所以Ca(OH)2晶体可能不规则。因此硬化水泥石的结构在微观上是不均匀的。
水泥浆体与骨料之间的界面是薄弱所在,通常引起微裂缝的产生与发展而导致混凝土的提前破坏,如图5所示:600e高温时C-S-H凝胶形成的网状结构有些破损,结构变的比较疏松且空隙很大。这是因为C-S-H
(下转第17页)
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试验研究
原因是一方面,超细颗粒填塞入其他集料的堆积空隙以及再生骨料自身的缝隙中,空隙填充水被挤出;另一方面,作为超细活性混合材的硅灰自身具有相当大的需水量,从而导致胶结材料需水量增大。当硅灰取代量居于某点时,二者趋于平衡。当取代量低于该平衡点,新拌混凝土和易性得到一定改善;当取代量突破平衡,混凝土坍落度急剧下降,和易性变差。
由表4、图8中得以看出,在强度方面,由于硅灰的掺入改善了颗粒级配,使集料的堆积更趋紧密,再生骨料裂缝得以/修补0,以及硅灰在水化过程中剧烈的火山灰反应结果,混凝土各龄期的强度随其取代量的增加都呈现上升趋势。掺入5%硅灰的再生混凝土90d抗压、劈拉强度分别达到57.45MPa、4.86MPa。4 结论
(1)再生骨料取代天然骨料拌制混凝土,随着再生骨料取代率的增加,新拌混凝土的坍落度逐渐减小,和易性变差,强度降低。再生骨料取代率以不超过60%为宜。
(2)再生骨料取代率为60%时,粉煤灰或粉煤灰与矿渣的掺入,可显著改善再生混凝土的和易性。随着取代量的增大,坍落度增加,7d、28d强度下降,90d强度却呈现相反走势。掺量以不超过20%为宜。
(3)再生骨料取代率为60%时,硅灰取代水泥拌制再生混凝土,就和易性而言,在0~10%之间存在一个适宜范围。取代率对强度影响较大,5%取代量可以保证再生混凝土有较好的和易性和较高强度。
参 考 文 献
[1] 李斯.建筑材料试验检测技术与质量监控方法实用手册[S].世
图音像电子出版社ISBN7-900099-73-5/T.30.
[2] 李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究[D].西安:西安建筑
科技大学,2003:35~37.
[3] 王华生,赵慧如.混凝土工程便携手册[M].北京:机械工业出
版社,2001:9~13.
[4] 陈莹,严捍东,林建华,等.再生骨料基本性质及对混凝士性能
影响的研究[J].再生资源研究,2003,6:34~37.
[5] 钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].北京:科学出版社,
2002:45~54.
(上接第10页)
凝胶中85%的水分在350~800e范围内溢出。Ca(OH)2大部分已经分解,整个试验看不到完整的六方板状晶体结构。水泥石高温脱水水泥浆体收缩和骨料膨胀加剧,这种膨胀率的不同对于界面过渡区产生热应力,从而产生裂纹,这种裂纹随温度的升高而进一步发展。
1000e高温时水泥浆体已成粉末状态,C-S-H凝胶结构已经非常疏松、残缺不全,出现了宏观上可见的裂纹和气孔。Ca(OH)2已经完全分解,只剩下Ca(OH)2巢。由图6可以看出骨料与浆体界面已经出现了明显裂纹,致使强度丧失。6 结论
(1)/三掺0混凝土处于400e以下时温度对其强
度影响不大,甚至还有一定程度的提高。600e时强度急剧下降,其强度降到了初始强度的66.8%,在此温度下,试块表面已出现多条放射性裂纹,最大裂宽已达0.26㎜。800e也是强度下降的一个关键点,强度损失比为33.7%,已出现爆裂现象,浆体与骨料脱离,试块变酥。(2)通过微观分析可知:随着温度的升高,水化C-S-H凝胶变疏松,界面过渡区出现裂纹,粘接性差,500e左右Ca(OH)2开始分解。并随温度的升高水泥浆体中化学成分发生变化,从而导致了混凝土一系列的物理变化,使的混凝土的力学性能逐步恶化,强度和刚度逐步退化,最后导致失效。(3)高温后混凝土表观检测简单易行,但只能粗略的估计,不能定量化,所以在实际工程检测中只能作为参考。
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孙庆霞,曹万智,周茗如,薛海儒,郭士刚
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(1.兰州理工大学土木工程学院,兰州730050;2.西北民族大学土木
工程学院,兰州730124;3.中铁十局,济南250117)
摘 要:研究了以掺加高效减水剂、粉煤灰、纤维配制的混凝土的耐高温性能,并利用扫描电镜观察/三掺0混凝土的微观形貌。结果表明:高温后/三掺0混凝土颜色发生改变,质量发生损失,残余强度呈先升后降的趋势;显微结构在高温后也发生了一系列物理化学变化,从而为进一步研究混凝土性能提供有益的参考。 关键词:/三掺0混凝土;高温作用;微观结构;试验研究
中图分类号:TU528.34 文献标识码:A 文章编号:1005-8249(2009)02-0008
(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050;2.SchoolofCivilEngineering,
NorthwestUniversityforNationalities,Lanzhou730124;3.ChinaRailwayTenthGroup,Jinan250117)
Abstract:Studyofhigh-temperatureperformanceontheconcretewhichaddingthesuperplasticizer、flyashandfiberpreparation,anduse
thescanningelectronmicroscopetoobservethe"three-doped"concretemorphology.Theresultsshowthat:afterhightemperaturethecolorchanged、thequalitylossedandtheresidualstrengthwasfirstandthendecreasedtrend;afterhightemperaturethemicrostructurehappenedaserieschangesonphysicalandchemical,soprovideausefulreferenceonthefurtherstudyoftheconcreteperformance.
Keywords:"Three-doped"concrete;High-temperature;Microstructure;ExperimentalStudy
混凝土在高温作用下,由于其内部结构的一系列物理和化学变化,使混凝土的力学性能逐步恶化,强度
和刚度逐步退化,最后导致失效。文中针对掺加高效减水剂、粉煤灰和纤维的/三掺0混凝土进行了耐高温性能的试验研究。对其在常温、200e、400e、600e、700e、800e、900e、1000e时的宏观和微观结构进行研究和分析,利用扫描电镜(SEM)观察/三掺0混凝土微观形貌的变化,从而更好的解释混凝土的宏观性能。为混凝土结构的抗火设计和进一步研究提供科学依据。1 原材料
原材料包括:粗骨料(碎石。由兰州当地供应,堆
33
积密度1510㎏/m,表观密度2673㎏/m,1h吸水率
*
0.61%,最大粒径26.5mm)、细骨料(普通河砂。中砂Mx=2.7,表观密度Q=ap=2653㎏/m,堆积密度Q1519㎏/m,吸水率Xs=1.4%)、兰州产42.5级普通硅酸盐水泥(各项性能符合5通用硅酸盐水泥6GB175-2007标准要求,28d抗压强度为:43.1MPa)、兰州热电公司排放的Ò级粉煤灰、UNF-1型高效减水剂(掺量0.5%,减水率12%)、聚丙稀纤维(兰州维尼纶厂生产,平均长度6mm,密度905㎏/m,抗拉强度590MPa,弹性模量4100MPa)、自来水。
表1 水泥、粉煤灰化学成分
材料粉煤灰水泥
SiO252.0322.36
Al2O328.936.75
Fe2O38.374.67
CaO5.6758.76
MgO1.542.18
3
3
3
/%
SO30.82.64
烧失量-1.96
表2 粉煤灰性能指标
基金项目:甘肃省自然科学基金项目(2007GS04093);甘肃省建
细度
GB1596-91[20实测结果
14.5
需水量比[105101
烧失量[86.8
含水量[10.6
SO3含量[30.8
/%
28d抗压强度\6267
质量等级ÒÒ
设科技攻关项目(JK2007-11);兰州理工大学博士启动基金(SB04200803)
收稿日期:2008-10-06
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粉煤灰综合利用
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专题研究
2 配合比设计
混凝土配合比设计见表3。拌合物性能及物理力学性能见表4。
表3 混凝土配合比设计
编号PP
水泥368
石子1074
河砂659
水216
高效减水剂
1.84
表6 各温度段残余强度
混凝土种类
20
200
400
温度段/e60024.6
70019.6
80012.4
900--1000--
PP残余强度/MPa36.852.039.6
强度损失比
1.0
/㎏/m3
聚丙烯纤维
3
1.4131.0760.6680.5330.337
粉煤灰74
注:强度损失比为残余强度与初始强度之比
4 试验数据分析
4.1 高温后混凝土表观特征分析
由表5可以看出:/三掺0混凝土在300~400e左右开始出现裂纹,随着温度的升高,裂纹逐渐发展。700e之后开始出现明显的爆裂现象,水泥石与骨料
脱离,无粘结性,混凝土变的很酥,就像葱头一样一层层的瓦解成碎片。当温度高达800e时,混凝土最大裂宽已达到0.64mm。900e之后已经出现宏观上的严重破坏。而且试块外观随着温度的升高而发生颜色变化,且高温作用后由于空隙中的水蒸发,毛细孔中水汽化,水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙脱水使得烧后试块质量产生损失。其原因为:300~400e时,/三掺0混凝土骨料开始膨胀,随着温度的升高,骨料膨胀和水泥收缩加剧,两者结合被破坏。另一方面水泥中的水分流失,湿度梯度大,有利于裂纹增长。温度高于500e后,硅酸盐类粗骨料出现晶体转化,并伴有明显的热膨胀现象,初始的不连贯裂缝迅速扩展并连续起来,形成大裂缝,造成混凝土的宏观破坏。水泥石受拉,骨料受压,由此加剧了内裂缝的开展,这也是强度降低的主要原因。同时,水泥石与骨料之间的膨胀不同所引起的热应力,可在两者之间产生裂纹,并随温度的升高而发展。
4.2
高温后混凝土力学性能分析
注:编号第一个P表示混凝土类型;第二个表示水泥种类
表4 拌合物性能、物理力学性能
编号PP
砂率/%38
水胶比/W/J0.49
塌落度/mm80
干密度/㎏/m32282
砼抗压强度/MPa7d26.4
28d36.
8
为减少试块湿含量对试验结果的
影响,养护结束后移至烘箱中,在105e下烘烤12h后再将
图1 升温曲线试块放入电阻炉中
按设定的升温制度
升温.为使试块达到受热均匀的效果,升温应缓慢进行,升温制度为50e/20min,达到要求温度后保持恒
温8h,然后自然冷却到室温后按照国家标准5普通混凝土力学性能试验方法标准6(GB/T50081-2002)完成抗压试验,测其残余强度;用裂缝测宽仪测定高温后混凝土表面的最大裂缝并详细记录混凝土的表面特征;选取具有代表性试样,试样分析前断口表面喷金后拍摄有特征的显微结构。试样升温曲线如图1。3 耐高温性能试验研究
试验结果见表5、表6。
表5 高温后/三掺0混凝土表观现象
温度/e200400
颜色变化无变化灰褐色
表面现象无裂纹
明显出现多条放射性裂缝
裂缝有发展
(1)压试块时明显出现爆裂(2)水泥石与骨料脱离,无粘结性
(3)强度降低,易碎
出现爆裂
出现严重爆裂,宏观上已破坏出现严重爆裂,宏观上已破坏
0.64--[1**********]0
0.30
2239
最大裂宽/㎜烧后质量/g
-0.140.26
[1**********]3
600灰白中土黄色
灰白中带有暗红色土黄色土黄色土黄色
700
图2 /三掺0混凝土强度损失比曲线
8009001000
由表6及图2可以看出:当温度升到200e时,混凝土的强度达到顶峰,直到400e时强度与常温时相
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粉煤灰综合利用
FLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATION
专题研究
比还是有所提高,这是因为在200e以上高温时混凝土水泥石中的游离水汽化,加速水泥水化,使混凝土抗压强度增加。500~600e时强度下降较明显,600~700e时,混凝土强度降到了初始强度的55%~65%之间,800e时降到初始强度的33.7%,但此温度下混凝土已出现宏观上的严重破坏。900e之后强度几乎丧失。
通过回归分析,采用四次多项式给出了高温后/三掺0混凝土立方体抗压强度计算公式,见式(1)。理论曲线绘于图2,与试验结果相符良好。fcut=(-2@10T+4@10T-3@10T
+0.0073T+0.8649)fcu
-11
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体系。在高温作用下,会发生一系列物理、化学、力学的变化,混凝土的组成成分及结构随作用温度而发生改变,由X射线能量色散普图也说明了这一点。不同
温度作用后混凝土微观特征见图3~图6
。
(1)
图3 常温界面过渡区@5000 图4 常温@
1000
(20e[T[800e)
式中:fcut-高温后/三掺0混凝土残余强度。
fcu-常温时/三掺0混凝土立方体抗压强度。4.3聚丙烯纤维对缓解/三掺0混凝土高温开裂的贡献
由于混凝土中掺加大量均匀分布的聚丙烯单丝纤维形成的立体网络结构,当混凝土构件内部温度上升到165e以上时,纤维遇热熔化,形成一个水蒸汽通道,减小混凝土内部的压力,降低了爆裂的可能,由于有未爆裂混凝土的有效阻隔,使构件内部温度上升较慢。所以可有效避免高温环境下的混凝土的爆裂。4.4 粉煤灰对混凝土耐热性能的影响
粉煤灰导热系数比较低,在0.06~0.35W/(m#K)数量级,硅酸盐水泥的导热系数在0.26W/(m#K)左右。Ca(OH)2富集与界面区域更容易受到一些侵蚀介质的影响,也会加剧碱集料反应的程度。粉煤灰的加入通常显著降低界面区域Ca(OH)2的取向程度,这有利于提高混凝土的抗开裂性能,还可以明显降低界面区域的Ca(OH)2和钙矾石生成量。但在高温下,并不一定能提高混凝土的耐高温性能。Carette等(1982)研究掺加粉煤灰、矿渣的混凝土随温度升高至600e的强度变化情况,结果表明:粉煤灰混凝土与普通混凝土以及矿渣混凝土相比,耐热性能没有明显差异,在高温度下粉煤灰混凝土耐热性能相比于普通混凝土、矿渣混凝土有所降低。5 /三掺0混凝土微观分析
在常温下硬化的水泥石,通常由未水化的水泥熟料颗粒、水化水泥、水和少量的空气以及由水和空隙占有的空气网所组成。因此它是一个固-液-气三相多孔#图5
600e
@1000 图6 1000e
@1000
常温下,集料与水泥石十分紧密的粘结在一起,界面过渡区完整密实。水泥石结构致密。由图3可以看出在界面区没发现大晶体的定向排列,但有大量微晶
质可以彼此交叉和连生,又因其大小在胶体范围内而具有凝胶体特性的水化硅酸钙凝胶(C-S-H),这是Ò型C-S-H凝胶的网状粒子,它由许多小的粒子互相接触而形成的互相连锁的网状结构。利用扫描电镜观察的C-S-H凝胶有不同的形态,也有称为Ñ型的纤维粒子状凝胶和称为Ó型的大而不规则的等大粒子或扁平粒子,Ca(OH)2结晶常常插入到这类凝胶体中。常温下Ca(OH)2结晶良好、密实。Ca(OH)2是层状结构,由此决定了它的片状形态,在显微镜下,Ca(OH)2为六角型片状晶体。由于Ca(OH)2在一定条件下会与其它水化产物反应,所以Ca(OH)2晶体可能不规则。因此硬化水泥石的结构在微观上是不均匀的。
水泥浆体与骨料之间的界面是薄弱所在,通常引起微裂缝的产生与发展而导致混凝土的提前破坏,如图5所示:600e高温时C-S-H凝胶形成的网状结构有些破损,结构变的比较疏松且空隙很大。这是因为C-S-H
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粉煤灰综合利用
FLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATION
2009 NO.2
试验研究
原因是一方面,超细颗粒填塞入其他集料的堆积空隙以及再生骨料自身的缝隙中,空隙填充水被挤出;另一方面,作为超细活性混合材的硅灰自身具有相当大的需水量,从而导致胶结材料需水量增大。当硅灰取代量居于某点时,二者趋于平衡。当取代量低于该平衡点,新拌混凝土和易性得到一定改善;当取代量突破平衡,混凝土坍落度急剧下降,和易性变差。
由表4、图8中得以看出,在强度方面,由于硅灰的掺入改善了颗粒级配,使集料的堆积更趋紧密,再生骨料裂缝得以/修补0,以及硅灰在水化过程中剧烈的火山灰反应结果,混凝土各龄期的强度随其取代量的增加都呈现上升趋势。掺入5%硅灰的再生混凝土90d抗压、劈拉强度分别达到57.45MPa、4.86MPa。4 结论
(1)再生骨料取代天然骨料拌制混凝土,随着再生骨料取代率的增加,新拌混凝土的坍落度逐渐减小,和易性变差,强度降低。再生骨料取代率以不超过60%为宜。
(2)再生骨料取代率为60%时,粉煤灰或粉煤灰与矿渣的掺入,可显著改善再生混凝土的和易性。随着取代量的增大,坍落度增加,7d、28d强度下降,90d强度却呈现相反走势。掺量以不超过20%为宜。
(3)再生骨料取代率为60%时,硅灰取代水泥拌制再生混凝土,就和易性而言,在0~10%之间存在一个适宜范围。取代率对强度影响较大,5%取代量可以保证再生混凝土有较好的和易性和较高强度。
参 考 文 献
[1] 李斯.建筑材料试验检测技术与质量监控方法实用手册[S].世
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[2] 李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究[D].西安:西安建筑
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[3] 王华生,赵慧如.混凝土工程便携手册[M].北京:机械工业出
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[4] 陈莹,严捍东,林建华,等.再生骨料基本性质及对混凝士性能
影响的研究[J].再生资源研究,2003,6:34~37.
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凝胶中85%的水分在350~800e范围内溢出。Ca(OH)2大部分已经分解,整个试验看不到完整的六方板状晶体结构。水泥石高温脱水水泥浆体收缩和骨料膨胀加剧,这种膨胀率的不同对于界面过渡区产生热应力,从而产生裂纹,这种裂纹随温度的升高而进一步发展。
1000e高温时水泥浆体已成粉末状态,C-S-H凝胶结构已经非常疏松、残缺不全,出现了宏观上可见的裂纹和气孔。Ca(OH)2已经完全分解,只剩下Ca(OH)2巢。由图6可以看出骨料与浆体界面已经出现了明显裂纹,致使强度丧失。6 结论
(1)/三掺0混凝土处于400e以下时温度对其强
度影响不大,甚至还有一定程度的提高。600e时强度急剧下降,其强度降到了初始强度的66.8%,在此温度下,试块表面已出现多条放射性裂纹,最大裂宽已达0.26㎜。800e也是强度下降的一个关键点,强度损失比为33.7%,已出现爆裂现象,浆体与骨料脱离,试块变酥。(2)通过微观分析可知:随着温度的升高,水化C-S-H凝胶变疏松,界面过渡区出现裂纹,粘接性差,500e左右Ca(OH)2开始分解。并随温度的升高水泥浆体中化学成分发生变化,从而导致了混凝土一系列的物理变化,使的混凝土的力学性能逐步恶化,强度和刚度逐步退化,最后导致失效。(3)高温后混凝土表观检测简单易行,但只能粗略的估计,不能定量化,所以在实际工程检测中只能作为参考。
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