粉煤灰对低胶材自密实混凝土强度及孔结构的影响.docx

粉煤灰对低胶材自密实混凝土强度及孔结构的影响河海大学陈璋I,陈徐东I白银2,唐建辉1(1.河海大学土木与交通学院，江苏南京210098；2.南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏南京210029)水利水电技术(中英文).2023,54(02)指导教师：陈徐东教授摘要：为了研究粉煤灰替代率影响低胶凝材料用量的自密实混凝土抗压强度以及孔结构的机理，基于可压缩堆积模型(CPM),通过正交试验测试得到不同粉煤灰替代率和胶凝材料用量情况下的自密实混凝土流动性及28d抗压强度,并基于X射线计算机断层扫描技术(X-CT)对自密实混凝土的内部孔结构特征进行了分析。研究结果表明：提高粉煤灰替代率和胶凝材料用量可以提高自密实混凝土流动性和28d抗压强度，粉煤灰替代率达到20%左右时28d抗压强度达到峰值，大于20%后有所回落。此外，提高粉煤灰替代率和胶凝材料用量可以降低自密实混凝土孔隙率，改善孔隙分布均匀性，减少孔隙数量，细化孔隙，提富孔隙球形度，优化自密实混凝土内部结构。研究成果为实际水利水电工程中实现低胶凝材料用量自密实混凝土的低成本、高性能、绿色环保提供了理论支持。关键词：粉煤灰；计算机断层扫描术；自密实混凝土;孔结构；球形度；胶凝材料ImpactofF1yAshRep1acementRateonCompressiveStrengthandPoreStructureofSe1f-compactingConcretewith1owCementitiousMateria1sAmountCHENZhang',CHENXudong1,BAIYin2,TANGJianhui1(1.Co11egeofCivi1andTransportationEngineering.HohaiUniversity.Nanjing210098,China:2.Materia1s&Structura1EngineeringDepartment,NanjingHydrau1icResearchInstitute.Nanjing210029,China)Abstract:Inordertostudytheimpactoff1yashrep1acementrateonporestructureandcompressivestrengthofse1f-compactingconcretewith1owcementitiousmateria1samount,wetestedthef1owabi1ityand28dcompressivestrengthofconcretewithdifferentf1yashrep1acementrateandcementitiousmateria1sbyorthogona1experiment.anddiscussedtheporestructurefeaturesofconcretebasingonX-raycomputertomographytechniques(X-CT).Theresu1tsindicatethat:increasingf1yashrep1acementrateandcementitiousamountcanimprovethef1owabi1ityandthe28dcompressivestrength,butwhenf1yashrep1acementrateexceeded20%,the28dcompressivestrengthfe11back.Inaddition,increasingf1yashrep1acementrateandcementitiousamountcana1soreducetheporosityofconcrete,refinethepores,optimizetheinterna1structureofconcreteandimprovetheporositysphericity.Thepaperprovidestheoretica1supportfor1owcost,highperformanceandenvironmenta1protectionofse1f-compactingconcretewith1owcementitiousmateria1samountinactua1waterconservancyandhydropowerengineeringprojects.Keywords:f1yash；computertomography：se1f-compactingconcrete；porestructure：sphericity；cementitiousmateria1s0引言自密实混凝土(se1f-compactingconcrete,SCC)是一类在水胶比较低时仍具有高流动性的混凝土，凭借其免振捣的优势现已广泛应用于水利水电实际工程中，如南水北调南干渠隧洞、布仑口公格尔水电站隧洞等，工程重要性显著。然而SCC的水泥、粉煤灰和矿粉等胶凝材料用量一般较高，由此造成施工成本的增加的同时，导致SeC收缩、温度变形较大，影响耐久性，提高了安全隐患31。此外，水泥在混凝土生产过程中CO2排放量巨大。因此，在水利水电工程的成本、安全、环保三方面，研发低胶凝材料用量的SCC都具有现实意义。为了得到性能良好的低胶凝材料SCC,学者通常从提高颗粒堆积密实度、采用矿物掺合料替代部分水泥两方面入手。提高密实度方面，Ghoddousi等采取多类矿物混合取代部分水泥得到了良好的SCC填充物堆积密实度，此外众多学者也提出了不同的计算密实度的方法,如FUHe11模型、修正TOUfar模型、修正AndreaSen&Andersen模型和DeWar模型划等，但上述几种模型只探讨了有限数量的骨料颗粒或是视所有单独骨料为简化的颗粒分布，在计算实际混合物的密实度上有着各种程度的局限性。与上述模型不同，法国路桥中心提出的可压缩堆积模型(COmPreSSibIepackingmode1,CPM)W1充分探讨各级别粒径颗粒间互相影响，引入堆积阶段中的压实指数，提出并定义了虚拟堆积密实度，从而能计算任意骨料数量的颗粒堆积密实度。SBIN基于CPM模型发现在SCC中随着抗压强度的增加，细颗粒对提高堆积密度的贡献增大；BA1A等提出了一种确定宽粒度分布的颗粒混合物CPM参数的预测方法，从而减少优化颗粒混合物填充密度的试验次数。矿物掺合料代替部分水泥方面，张玲峰等同发现矿物掺合料在替代部分水泥的同时与水泥水化产物反应，降低混凝土内部水化程度，从而提高力学性能；RUAN等网发现煨烧粘土和石灰石粉代替50%70%水泥可以有效提高混凝土硬度，细化孔隙结构，但对强度的提高效果不明显；RIYANA等I发现稻壳灰-粉煤灰-水泥三元混合SCC的28d龄期抗压、劈裂抗拉、抗弯强度均优于传统SCC,并找到了最佳替代比例。然而，过去的研究更多集中于矿物掺合料对SCC力学性能的影响机制上，直接研究SCC孔结构，并探究其抗压强度与孔结构之间关系的学者仍然较少。随着混凝土无损检测技术的发展与成熟，X射线计算机断层扫描技术(X-raycomputertomography,X-CT)近年来开始逐渐广泛应用于混凝土的组分、结构方面的检验研究【。SUN等四利用X-CT重建了混凝土在间歇动态加载下的三维裂纹形态，揭示了混凝土中既有的大尺寸孔洞与载荷诱导的裂纹网络之间的内在联系。Stefanou等网基于x-c对混凝土各组分体积分数的变异系数进行了量化,基于其统计特征对微观结构影响混凝土力学性能的机理进行了评估。KRSTIC等采用X-CT监测1000次冻融循环的玻璃灰替代水泥混凝土，确定了其中的空气孔隙空间参数，证明玻璃绘替代部分水泥有助于孔隙的细化。采用X-CT检测，可以得到清晰的SCC试样内部孔隙分布和孔隙形态本文基于CPM模型，固定最佳砂率，研究矿物掺合料-粉燥灰替代率对各等级胶凝材料用量SCC工作性能及力学性能的影响，通过X-CT技术,进一步研究对低胶凝材料用量SCC孔结构的影响0通过提高密实度降低浆体含量，同时用粉煤灰代替部分水泥，从而降低胶凝材料用量，为实现低胶凝材料用量SCC在水利水电工程应用中的低成本化、高性能化、绿色生态化提供了一种理论支持。1试验设计1.1原材料水泥为强度等级为P.II52.5的硅酸盐水泥；矿粉为S95级矿粉；采用I级粉煤灰；粗骨料采用粒径范围10-25mm的大石子，粒径范围5-10mm的小石子，大小石子以质量比例3:1混合；细骨料为细度模数为2.6的黄砂；减水剂为上海承智减水剂；水为普通自来水。各胶凝材料相关技术指标均符合矿物掺合料应用技术规范(GB/T51003-2014).骨料、胶材的粒径曲线如图I所示。000.0750.150.30.60.91.182.364.759.516.1筛分径(mm)T-河砂-石子11o10090807060so403020io0I="_Ii>1«11i00.280.561.122.244.478.9317.8235.5670.%141.58筛分径(mm)110100908070605040302010(%)帕加第还解骨料(b)胶材图1骨料、胶材粒径累积曲线Fig.1Partic1e-sizeaccumu1ationcurveofaggregateandcementitiousmateria1s1.2 配合比根据CPM模型，个粒级混合料堆积密实度为IiY=Yi=7X1tX(I-)-1X(If£)(2)=1-（1-¾15°式中，i和/均为颗粒粒级叙述；、为分别为第八/级颗粒的质量分数；伏为颗粒粒级的特征值；”为虚拟堆积密实度；的为松动系数；%为附壁系数；&、4分别为第八/级颗粒的颗粒直径。实际密实度S计算公式如下K="=E二登（4）Yi式中，K是密实指数。本文在前期试验中基于CPM模型得到不同砂率的密实度,并得到最佳砂率的取值范围，通过测定力学性能验证最佳砂率为45%,此时密实度最大,为0.7283。固定SCC砂率为45%,水胶比为0.45。固定矿粉占总胶凝材料质量比例30%,以粉煤灰占总胶凝材料的质量替代率（以下简称粉煤灰替代率）作为变量，变量选择为0%、10%、20%、30%、40%o设计5组胶凝材料用量,分别为330kg340kgm350kgm360kgm370kgm为探讨两组变量对混凝土流动性能、力学性能和孔结构的影响，进行正交实验共25组，配合比如表1所列。表1试验配合比(kgm3)Tab1e1Concretemixdesign(kgm3)“=0%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301075.6866.8231990.0148.54.03401064.2857.62381020.0153.04.13501052.7848.32451050.0157.54.23601041.2839.12521080.0162.04.33701029.7829.8259I110.0166.54.4£=10%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301068.1860.71989933148.54.03401056.4851.320410234153.04.13501044.7841.921010535157