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【摘要】本文介绍了气泡混合轻质土的运用,总结了粉煤灰作为外掺物的三种效应,对掺入不同量粉煤灰对气泡混合轻质土的泵送性能进行试验分析,研究了粉煤灰及其掺量对气泡混合轻质土力学性能的影响。
【关键词】气泡混合轻质土(FCB);粉煤灰;微集料效应
Influence of fly ash to Properties of Foamed Cement
Chen Gang
(Guangdong Guansheng Civil Engineering Technology Co., Ltd.GuangzhouGuangdong511400)
【Abstract】The application of foam concrete banking is introduced, it was summarized bout three effect about fly ash as the additions in foam concrete banking ,the experiment was analyzed about the flow property of doping in different fly ash in foam concrete banking , it was researched about the mechanical property of foam concrete banking through doping in different fly.
【Key words】 foam concrete banking; fly ash; micro-aggregate effect
1. 前言
气泡混合轻质土作为一种新型的轻质材料,已经广泛用于软基处理、道路加宽桥台(涵洞、挡土墙)台背填土、滑坡地段、陡峭地段的垂直填土、隧道塌腔回填、地下通道减荷回填等工程。由于其轻质性、流动性、易施工性、自立性等技术优势,气泡混合轻质土已经成功运用于北京奥林匹克公园中心区地下交通联系通道减荷工程中。气泡混合轻质土是由水泥(需要时亦可加入原料土)、水和气泡群,按一定的比例经充分混合搅拌并最终凝固成型的一种轻型轻质材料。气泡混合轻质土形成的主要成分是水泥,水泥占用了其综合成本的1/3以上。而现今水泥成本的居高不下一定程度上限制了气泡混合轻质土的市场的进一步拓展。如何能够在保证或提高物理力学基本性能的前提下,进一步的降低气泡混合轻质土的综合单价,有利于气泡混合轻质土技术在更大的范围内推广应用。
根据对国内外的试验资料及相关工程实例,
目前使用粉煤灰代替水泥在混凝土中在一定程度上已经取得了很好的效果。气泡混合轻质土严格来说也是属于水泥制品的一种类型,使用粉煤灰代替部分水泥对气泡混合轻质土的性能会有哪些提高或是影响呢?本文将对高掺量粉煤灰气泡混合轻质土的性能进行试验研究。
2. 粉煤灰效应
粉煤灰是一种人工火山灰质材料,即一种硅质或硅铝质材料,其本身仅具有微小的胶凝值或不具有胶凝值,但当以粉状及有水存在时,能在常温下与氢氧化钙进行化学反应形成具有胶凝性质的化合物[1]。
粉煤灰可以作为混凝土的一种独立组分,粉煤灰在混凝土中有其独特的作用和行为。其主导行为主要包括粉煤灰的活性、需水性、充填性、稳定性等;在使用上的主要作用包括胶凝作用、减水作用、致密作用、益化作用等[2]。粉煤灰的这些作用和行为决定其在混凝土中有三种基本效应:形态效应、活性效应和火山灰(微集料)效应。形态效应是粉煤灰球形颗粒产生的,球形玻璃微珠的“滚珠”作用使掺粉煤灰体系的流动性提高,起到润滑及降低用水量的作用[3]。微集料效应是粉煤灰颗粒(尤其是惰性的晶体颗粒)充当微小集料,使集料的匹配更加合理、填充率提高、水泥的分散更加均匀,使粉煤灰形成类似托勃莫来石次生晶相,填补水膜层和水泥骨架空隙,提高密实度。而粉煤灰的活性效应主要取决于粉煤灰颗粒表面化学的和物理的特性,在很大程度上受形态效应的影响,也受微集料效应的影响。一般认为,粉煤灰的物理活性是粉煤灰体系早期活性和强度的主要来源,粉煤灰效应就是这三种分效应在一定条件下共同作用的总和。
3. 原材料及试验
3.1原材料。
采用广东广信青州水泥有限公司的P.O32.5R水泥作为气泡混合轻质土的固化剂。发泡剂采用GSHF-1型合成界面活性剂,比重1.0,稀释倍率40倍发泡倍率20倍。粉煤灰采用珠江热电厂I 级粉煤灰。水泥和粉煤灰的化学组成见表1。
因为粉煤灰的化学成分、物理性质及其颗粒形貌对其技术特性有较大影响。尤其当它作为混凝土、砂浆等水泥制品的掺合料使用时,物理性质和颗粒形貌的影响则更大。因此气泡混合轻质土内掺入粉煤灰要有品质指标的要求,主要有:烧失量,含水量,三氧化硫含量,细度,需水量比等五项指标。国标上根据这五个指标将我国的粉煤灰分成三个等级,其具体规定可参见 GBJ-146-90国家标准。表2列出了拌制气泡混合轻质土时,做掺合料的不同级粉煤灰成品应满足的要求。
3.2试验方法。试验拟采取CF系列6个配比来进行一系列的气泡混合轻质土的常规试验。其中在试验过程中主要控制气泡混合轻质土的湿容重和流动值两个技术指标,流动值的检测方法为在实验板上放置一圆筒(80mm h80mm)其内注入气泡混合轻质土与上端齐平。提起圆筒测定1分钟后的扩散状态,见图1。试件成型后主要通过试件的抗压强度来检验测试粉煤灰对气泡混合轻质土的活性效应。分析其对气泡混合轻质土物理力学性能的影响及其掺量不同而产生的不同效果分析。试件采用常规100mm×100mm×100mm的钢模制作。试件根据其硬化的情况在12~24小时后进行拆模。气泡混合轻质土试件拆模后即用塑料袋密封放置室内自然养护至预定龄期。
4. 结果及分析
4.1粉煤灰对气泡混合轻质土流动性能的影响。CF配合比系列中CF1~CF4是保证水泥与粉煤灰总质量一定,逐渐增加粉煤灰的用量。配比CF4~CF6是保持水泥用量一定,逐渐增加粉煤灰的用量,增幅为每次50Kg/m3。配比试验结果见表3。
粉煤灰对气泡混合轻质土流动值的影响主要取决于其细度和球形颗粒含量,文献表明,细粉煤灰会降低浆体的需水量,而粗粉煤灰提高浆体的需水量。从试验结果表3及图2～3可以看出,采用Ⅰ级粉煤灰掺入气泡混合轻质土浆体内后,其需水量相应的降低,只有CF3配比的流动值差点,其余流动值都好。主要原因是由于有较小的球形颗粒填充于水泥颗粒之间,粉煤灰中含有许多球形颗粒——玻璃微珠,而水泥颗粒是不规则的几何体,粉煤灰中的这些微珠在水泥颗粒间起到“滚珠”作用,减小水泥颗粒间的相对滑移时的阻力,从而改善浆体的流动性。其二是当粉煤灰颗粒细度小于水泥颗粒细度时,粉煤灰颗粒将填充在水泥颗粒之间,改善胶凝材料粉末颗粒的级配,这有利于浆体的流动,从而增大砂浆的流动度。掺入粉煤灰可以增加气泡混合轻质土的泵送性能,提高旗袍混合轻质土的施工便利性。
4.2粉煤灰对气泡混合轻质土力学性能的影响。
掺粉煤灰的CF配比系列中,粉煤灰的掺量(质量比)由16.7%逐渐向上变动,最高达到水泥用量的125%,其中粉煤灰掺量超过40%的都属于高掺量粉煤灰的范畴。根据以往的资料及试验数据,一般粉煤灰的掺入在一定程度上会降低混凝土的抗压强度。气泡混合轻质土中掺入适当的粉煤灰在一定的范围内提高了其抗压强度。试验结果见表4
从表4可以看出在气泡混合轻质土内用一定量的粉煤灰代替水泥,即可以提高物理性的泵送能力,又可以通过相应的化学反应提高气泡混合轻质土的抗压强度。而且随着反应时间的增加其强度上升的速率越快,见图4。
图4不同养护时间试件的抗压强度
粉煤灰对于气泡混合轻质土强度的贡献最相关是其火山灰效应。火山灰效应是指粉煤灰中玻璃质的SiO2,Al2O3能和水泥水化产生的高碱型水化硅酸钙凝胶及Ca(OH)2晶体发生反应,生成低碱型的水化硅酸钙凝胶,有利于气泡混合轻质土中凝胶数量的增多和结构的增密。一般火山灰反应滞后于水泥的水化反应,因此粉煤灰的火山灰效应虽有利于混凝土中后期强度的提高,却无助于早期强度的提高。但是,对于气泡混合轻质土掺粉煤灰的试验结果表明,CF2试件7天的抗压强度并不比未掺粉煤灰的配比CF1试件的抗压强度低。究其原因,气泡混合轻质土内存在的独立气泡群有所影响,具体细节有待进一步研究。综合来看,在一定范围内掺入粉煤灰并未降低气泡混合轻质土的物理力学性能,反而有所提高。
5. 结论
(1)掺入粉煤灰内提高了气泡混合轻质土的流动性,改善了气泡混合轻质土的泵送性能,在相同条件下可以相应的降低气泡混合轻质土的水灰比。
(2)粉煤灰的活性效应和火山灰效应可以在一定范围内提高气泡混合轻质土的强度,尤其火山灰效益的化学反应充分与否对气泡混合轻质土的后期强度影响效果更大。
(3)粉煤灰在气泡混合轻质土中的应用,一方面可以降低其工程成本利于气泡混合轻质土的市场推广;另一方面粉煤灰的应用一定程度上起到节约资源保护环境的作用。
参考文献
[1]V.M.Malhotra. Fly Ash, Silica Fume, Slag & Other Mineral By-Products in Concrete. Detroit: Amer, Conc, Inst, 1983. p104.
[2]沈旦申.粉煤灰混凝土. [M] 中国铁道出版社,1989.6~296.
[3]李国栋. 粉煤灰的结构、形态与活性特征.[J] 粉煤灰综合利用 1998.3 35～38.
[文章编号]1006-7619(2009)12-30-1106
【关键词】气泡混合轻质土(FCB);粉煤灰;微集料效应
Influence of fly ash to Properties of Foamed Cement
Chen Gang
(Guangdong Guansheng Civil Engineering Technology Co., Ltd.GuangzhouGuangdong511400)
【Abstract】The application of foam concrete banking is introduced, it was summarized bout three effect about fly ash as the additions in foam concrete banking ,the experiment was analyzed about the flow property of doping in different fly ash in foam concrete banking , it was researched about the mechanical property of foam concrete banking through doping in different fly.
【Key words】 foam concrete banking; fly ash; micro-aggregate effect
1. 前言
气泡混合轻质土作为一种新型的轻质材料,已经广泛用于软基处理、道路加宽桥台(涵洞、挡土墙)台背填土、滑坡地段、陡峭地段的垂直填土、隧道塌腔回填、地下通道减荷回填等工程。由于其轻质性、流动性、易施工性、自立性等技术优势,气泡混合轻质土已经成功运用于北京奥林匹克公园中心区地下交通联系通道减荷工程中。气泡混合轻质土是由水泥(需要时亦可加入原料土)、水和气泡群,按一定的比例经充分混合搅拌并最终凝固成型的一种轻型轻质材料。气泡混合轻质土形成的主要成分是水泥,水泥占用了其综合成本的1/3以上。而现今水泥成本的居高不下一定程度上限制了气泡混合轻质土的市场的进一步拓展。如何能够在保证或提高物理力学基本性能的前提下,进一步的降低气泡混合轻质土的综合单价,有利于气泡混合轻质土技术在更大的范围内推广应用。
根据对国内外的试验资料及相关工程实例,
目前使用粉煤灰代替水泥在混凝土中在一定程度上已经取得了很好的效果。气泡混合轻质土严格来说也是属于水泥制品的一种类型,使用粉煤灰代替部分水泥对气泡混合轻质土的性能会有哪些提高或是影响呢?本文将对高掺量粉煤灰气泡混合轻质土的性能进行试验研究。
2. 粉煤灰效应
粉煤灰是一种人工火山灰质材料,即一种硅质或硅铝质材料,其本身仅具有微小的胶凝值或不具有胶凝值,但当以粉状及有水存在时,能在常温下与氢氧化钙进行化学反应形成具有胶凝性质的化合物[1]。
粉煤灰可以作为混凝土的一种独立组分,粉煤灰在混凝土中有其独特的作用和行为。其主导行为主要包括粉煤灰的活性、需水性、充填性、稳定性等;在使用上的主要作用包括胶凝作用、减水作用、致密作用、益化作用等[2]。粉煤灰的这些作用和行为决定其在混凝土中有三种基本效应:形态效应、活性效应和火山灰(微集料)效应。形态效应是粉煤灰球形颗粒产生的,球形玻璃微珠的“滚珠”作用使掺粉煤灰体系的流动性提高,起到润滑及降低用水量的作用[3]。微集料效应是粉煤灰颗粒(尤其是惰性的晶体颗粒)充当微小集料,使集料的匹配更加合理、填充率提高、水泥的分散更加均匀,使粉煤灰形成类似托勃莫来石次生晶相,填补水膜层和水泥骨架空隙,提高密实度。而粉煤灰的活性效应主要取决于粉煤灰颗粒表面化学的和物理的特性,在很大程度上受形态效应的影响,也受微集料效应的影响。一般认为,粉煤灰的物理活性是粉煤灰体系早期活性和强度的主要来源,粉煤灰效应就是这三种分效应在一定条件下共同作用的总和。
3. 原材料及试验
3.1原材料。
采用广东广信青州水泥有限公司的P.O32.5R水泥作为气泡混合轻质土的固化剂。发泡剂采用GSHF-1型合成界面活性剂,比重1.0,稀释倍率40倍发泡倍率20倍。粉煤灰采用珠江热电厂I 级粉煤灰。水泥和粉煤灰的化学组成见表1。
因为粉煤灰的化学成分、物理性质及其颗粒形貌对其技术特性有较大影响。尤其当它作为混凝土、砂浆等水泥制品的掺合料使用时,物理性质和颗粒形貌的影响则更大。因此气泡混合轻质土内掺入粉煤灰要有品质指标的要求,主要有:烧失量,含水量,三氧化硫含量,细度,需水量比等五项指标。国标上根据这五个指标将我国的粉煤灰分成三个等级,其具体规定可参见 GBJ-146-90国家标准。表2列出了拌制气泡混合轻质土时,做掺合料的不同级粉煤灰成品应满足的要求。
3.2试验方法。试验拟采取CF系列6个配比来进行一系列的气泡混合轻质土的常规试验。其中在试验过程中主要控制气泡混合轻质土的湿容重和流动值两个技术指标,流动值的检测方法为在实验板上放置一圆筒(80mm h80mm)其内注入气泡混合轻质土与上端齐平。提起圆筒测定1分钟后的扩散状态,见图1。试件成型后主要通过试件的抗压强度来检验测试粉煤灰对气泡混合轻质土的活性效应。分析其对气泡混合轻质土物理力学性能的影响及其掺量不同而产生的不同效果分析。试件采用常规100mm×100mm×100mm的钢模制作。试件根据其硬化的情况在12~24小时后进行拆模。气泡混合轻质土试件拆模后即用塑料袋密封放置室内自然养护至预定龄期。
4. 结果及分析
4.1粉煤灰对气泡混合轻质土流动性能的影响。CF配合比系列中CF1~CF4是保证水泥与粉煤灰总质量一定,逐渐增加粉煤灰的用量。配比CF4~CF6是保持水泥用量一定,逐渐增加粉煤灰的用量,增幅为每次50Kg/m3。配比试验结果见表3。
粉煤灰对气泡混合轻质土流动值的影响主要取决于其细度和球形颗粒含量,文献表明,细粉煤灰会降低浆体的需水量,而粗粉煤灰提高浆体的需水量。从试验结果表3及图2～3可以看出,采用Ⅰ级粉煤灰掺入气泡混合轻质土浆体内后,其需水量相应的降低,只有CF3配比的流动值差点,其余流动值都好。主要原因是由于有较小的球形颗粒填充于水泥颗粒之间,粉煤灰中含有许多球形颗粒——玻璃微珠,而水泥颗粒是不规则的几何体,粉煤灰中的这些微珠在水泥颗粒间起到“滚珠”作用,减小水泥颗粒间的相对滑移时的阻力,从而改善浆体的流动性。其二是当粉煤灰颗粒细度小于水泥颗粒细度时,粉煤灰颗粒将填充在水泥颗粒之间,改善胶凝材料粉末颗粒的级配,这有利于浆体的流动,从而增大砂浆的流动度。掺入粉煤灰可以增加气泡混合轻质土的泵送性能,提高旗袍混合轻质土的施工便利性。
4.2粉煤灰对气泡混合轻质土力学性能的影响。
掺粉煤灰的CF配比系列中,粉煤灰的掺量(质量比)由16.7%逐渐向上变动,最高达到水泥用量的125%,其中粉煤灰掺量超过40%的都属于高掺量粉煤灰的范畴。根据以往的资料及试验数据,一般粉煤灰的掺入在一定程度上会降低混凝土的抗压强度。气泡混合轻质土中掺入适当的粉煤灰在一定的范围内提高了其抗压强度。试验结果见表4
从表4可以看出在气泡混合轻质土内用一定量的粉煤灰代替水泥,即可以提高物理性的泵送能力,又可以通过相应的化学反应提高气泡混合轻质土的抗压强度。而且随着反应时间的增加其强度上升的速率越快,见图4。
图4不同养护时间试件的抗压强度
粉煤灰对于气泡混合轻质土强度的贡献最相关是其火山灰效应。火山灰效应是指粉煤灰中玻璃质的SiO2,Al2O3能和水泥水化产生的高碱型水化硅酸钙凝胶及Ca(OH)2晶体发生反应,生成低碱型的水化硅酸钙凝胶,有利于气泡混合轻质土中凝胶数量的增多和结构的增密。一般火山灰反应滞后于水泥的水化反应,因此粉煤灰的火山灰效应虽有利于混凝土中后期强度的提高,却无助于早期强度的提高。但是,对于气泡混合轻质土掺粉煤灰的试验结果表明,CF2试件7天的抗压强度并不比未掺粉煤灰的配比CF1试件的抗压强度低。究其原因,气泡混合轻质土内存在的独立气泡群有所影响,具体细节有待进一步研究。综合来看,在一定范围内掺入粉煤灰并未降低气泡混合轻质土的物理力学性能,反而有所提高。
5. 结论
(1)掺入粉煤灰内提高了气泡混合轻质土的流动性,改善了气泡混合轻质土的泵送性能,在相同条件下可以相应的降低气泡混合轻质土的水灰比。
(2)粉煤灰的活性效应和火山灰效应可以在一定范围内提高气泡混合轻质土的强度,尤其火山灰效益的化学反应充分与否对气泡混合轻质土的后期强度影响效果更大。
(3)粉煤灰在气泡混合轻质土中的应用,一方面可以降低其工程成本利于气泡混合轻质土的市场推广;另一方面粉煤灰的应用一定程度上起到节约资源保护环境的作用。
参考文献
[1]V.M.Malhotra. Fly Ash, Silica Fume, Slag & Other Mineral By-Products in Concrete. Detroit: Amer, Conc, Inst, 1983. p104.
[2]沈旦申.粉煤灰混凝土. [M] 中国铁道出版社,1989.6~296.
[3]李国栋. 粉煤灰的结构、形态与活性特征.[J] 粉煤灰综合利用 1998.3 35～38.
[文章编号]1006-7619(2009)12-30-1106