硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能及微观结构.pdf

第 1 7卷第 3期 2 0 i 4年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 ． 17， No ．3 J u n ． ， 2 0 1 4 文 章 编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 3 0 3 8 9 0 7 硫酸盐作用 下粉煤 灰轻 骨料混凝 土 力学性能及微观结构 高英力 ， 龙 杰， 刘 赫 长沙理 工 大学 交 通运输 工 程学 张海伦 ， 李友 云 湖南 长 沙 4 1 0 1 1 4 摘要 以 圆球 型 页岩 陶粒 为 主要粗 骨料 ， 并 用 一级粉 煤灰 F A I 等体 积取 代 3 0 普 通砂 ， 制 备粉 煤灰 轻 骨料 混凝 土． 以超 细粉 煤 灰 UF A 、 硅 灰 S F 分 别等 质 量取代 粉 煤灰 轻 骨料 混凝 土 1 0 ～ 4 0 和 5 ～1 5 9 ／ 6 水泥 ， 然后进 行 抗压 强度 试 验 、 干 湿 循 环 试验 、 工 业 C T 试 验 、 压 汞 试 验 、 动 弹性 模 量试验 ， 从 混凝 土抗 蚀 系数 、 孔 隙率 、 动 弹性模 量等 方 面研 究硫 酸 盐 作 用 下粉 煤 灰 轻 骨料 混 凝 土 力 学性 能 演 变规律 及微 观 结构 变化情 况． 结 果表 明 在 Na S O 溶液 浓度 质 量 分数 为 0 ～ 1 0 时干 湿循 环 2 0次 ， 混凝 土抗 压 强度 达 到 最 高值 ， 随后 下 降较 快 ； 在 1 0 Na S O 溶液 中干 湿循 环 5 0次 ， 当 UF A， S F取代 率分别 为 2 O ， 1 0 时 ， 粉 煤 灰 轻 骨 料 混 凝 土 抗蚀 系数 均达 到 最 高值 ； 掺 UF A， S F粉 煤灰 轻骨 料 混凝 土 5 0 ～ 1 0 0 n m 孔 所 占体 积分 数 明 显增 多， 掺 2 0 UF A 和掺 1 0 S F 粉 煤灰 轻 骨料 混凝 土 1 0 0 n m 孔体 积 分数 分 别为 普通 混 凝 土 的 1 ． 3 9 ， 1 ． 4 6倍 ； 适 量掺 加 UF A 或 S F能优 化轻 骨料一 砂 浆 界 面过 渡 区微 观 结构 ， 增 强轻 骨料一 砂 浆界 面黏 结性 能 ， 延 缓硫 酸盐 对粉 煤 灰轻 骨料 混凝 土结 构基 体 的进 一步侵 蚀． 关键 词 轻 骨料 混凝 土 ；干 湿循 环 ； 硫 酸盐 ； 抗 压 强度 ；动 弹性模 量 中 图分 类 号 TU5 2 8 ． 2 文献标 志 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 4 M e c ha ni c a l Pe r f o r m a nc e a n d M i c r 0 s t r u c t u r e o f Li g h t we i g h t Ag g r e g a t e Co n c r e t e u n d e r S u l f a t e Fl y As h At t a c k GAO Yi n g l i ，L ONG Ji e， LI U He， ZHANG Ha i l u n，L Yo u y u n Sc h oo l of Tr a f f i c a nd Tr a ns p 0 r t a t i 0n Eng i ne e r i n g，Cha ngs ha Un i v e r s i t y of Sc i e nc e a nd Te c hn ol o gy， Ch a n g s h a 4 1 0 1 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Sp he r i c a l s ha l e ha y d i t e wa s s e l e c t e d a s m a i n c o a r s e a gg r e g a t e，wh i l e 3 0 o r di na r y s a n d wa s r e p l a c e d b y g r a d e I f l y a s h o f t h e s a me v o l u me t o p r e p a r e f l y a s h l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e ．1 0 ％一4 O ％ b y ma s s o r 5 ～ 1 5 c e me nt o f f l y a s h l i g ht we i g ht a g gr e g a t e c o nc r e t e we r e e q ui v a l e nt l y r e pl a c e d by ul t r a f i n e f l y a s h UFAo r s i l i c a f u me S Fr e s p e c t i v e l y ，t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y e v o l u t i o n l a w a n d c h a n g e o f m i c r os t r uc t ur e o f f l y a s h l i gh t we i g ht a g gr e g a t e c on c r e t e u nd e r s ul f a t e a t t a c k we r e i nv e s t i g a t e d i n t e r ms o f c or r os i o n r e s i s t a n c e c oe f f i c i e nt ，po r o s i t y a n d dy n a m i c e l a s t i c mod ul u s o f c on c r e t e，i n whi c h c omp r e s s i v e s t r e n g t h t e s t ，d r y i n g we t t i n g c y c l e t e s t ，i n d u s t r i a l c o mp u t e d t o mo g r a p h y t e s t ，me r c u r y i n j e c t i o n t e s t a n d d yn a mi c e l a s t i c mod ul us t e s t we r e e m p l oy e d ． As t he r e s e a r c h r e s u l t s h ows ，a f t e r a pe r i od o f d r y i ng we t t i n g c y c l e o f 2 0 t i me s wi t h t h e Na 2 S O4 s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n b y ma s s r a n g i n g f r o m 0 t o 1 0 ，t h e 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 - 2 1 ；修订 日期 2 0 1 3 - 0 5 1 4 基金 项 目 国家 自然科学 基金 资助项 目 1 1 0 7 2 0 4 1 ； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 2 O 1 0 4 3 1 6 1 2 0 O 0 1 ； 湖南省教育厅 资助科 研 项 目 1 1 A 0 0 5 第一作 者 高英 力 1 9 7 7 一 ， 男， 湖北荆 州人 ， 长沙 理 工大 学副 教授 ， 博 士后． 主要 从事 新 型建筑 材 料的 开发及 应用 研究． E ma i l y i n g l i g a o 5 0 9 1 2 6 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 O 建筑材料学报 第 1 7卷 c ompr e s s i ve s t r e n gt h r e a c he s t h e m a x i mum v a l u e a n d t he n de c r e a s e s f a s t ；t he c or r o s i on r e s i s t a nc e c o e f f i c i e nt s o f f l y a s h l i g ht we i gh t a gg r e g a t e c on c r e t e r e a c h t he ma xi m u m v a l ue wh e n t he r e pl a c e me n t r a t e of UFA a n d SF a r e 2 O a nd 1 0 r e s pe c t i ve l y wi t h d r y i ng w e t t i n g c y c l e s o f 5 0 t i me s i n 1 0 Na 2 SO4 s o l u t i o n。 M e a n whi l e，t h e v ol u m e f r a c t i o ns of p o r e s wi t h s i z e be t we e n 5 0 nm a nd 1 00 n m i n f l y a s h l i gh t we i ght a gg r e g a t e c o nc r e t e wi t h UFA or S F a d d e d i nc r e a s e s i g ni f i c a nt l y ． The v ol u me f r a c t i on s of po r e s wi t h s i z e l e s s t h a n 1 0 0 nm i n f l y a s h l i gh t we i ght a g g r e ga t e c o nc r e t e wi t h 2 0 UFA or 1 0 SF a dd e d a r e 1 ．3 9 t i me s a nd 1 ． 4 6 t i me s t ha t of o r di n a r y c o nc r e t e ．Fur t h e r mor e，t he i n t e r f a c i a l t r a ns i t i on z on e a n d t he bon d pr o pe r t y be t we e n l i g ht we i gh t a gg r e g a t e a n d m o r t a r i s i mpr o v e d，S O t ha t t h e f ur t h e r e r os i o n by s ul f a t e t O t he s t r uc t u r e o f f l y a s h l i g ht we i g ht a g gr e g a t e c o nc r e t e i s d e l a y e d ． Ke y wo r d s l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e L W AC ；d r y i n g we t t i n g c y c l e ；s u l f a t e ；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； d yn a mi c e l a s t i c m o du l us 轻 骨料 混凝 土 L wAC 因 其导 热 系 数 小 、 保 温 性能好、 耐腐蚀等优点 ， 现 已越来越广泛应用在高层 建筑 、 大 跨径桥 梁 等重大 工程 中． 轻 骨料 混凝 土 在满 足强 度及 其他 性能 要求 的 同时 ， 既 能减轻 自重 ， 又能 降低弹性模量 ， 并使骨料与砂浆 之间具有 良好的黏 结性 能． 目前 ， 已有一些关于轻骨料混凝土抗硫 酸盐腐 蚀性 能及 其 界 面 微 观 结 构 特 征 的研 究 报 道 ， 例 如 Ami r 等 [ 1 通过 微观试 验 、 导 电试 验 进行 了轻 骨 料砂 浆 微观结 构 和耐 久 性 研究 ， 结果 表 明轻 骨 料 优化 了 砂浆界面过渡 区微观结构， 并使砂浆 s O 。 浓度在一 定 程度 上有 所 降低 ． 田耀 刚等_ 2 进 行 了轻 骨 料 混凝 土抗硫 酸盐 腐蚀 性 能 研 究 ， 结 果 表 明轻 骨 料 混 凝 土 具有 良好的抗硫酸盐腐蚀性能 ， 同时掺加粉煤灰或 硅灰能优化轻骨料混凝土内部孔 隙， 提高轻骨料混 凝 土抗 硫 酸盐腐蚀 能 力． 董 淑慧 等_ 3 研 究轻 骨 料一 水 泥石界 面微 观结 构 特 征 ， 结 果 表 明 随着 轻 骨 料 预饱 和水程 度 的提高 ， 轻 骨料一 水 泥 石界 面 厚度 从 3 0／a m 增 加 至 6 0／a m 左 右 ， 同 时 在 界 面 厚 度 大 于 2 O ／a m 处 ， 孔 结 构 呈 细化 趋 势 ， 界 面微 观 结构 得 到 优 化． 胡 曙光 等Ⅲ 4 ] 经 过对 轻 骨 料 与水 泥 石 界 面 结 构 的 研究 ， 指 出掺 加 矿物外 加剂 能够 使轻 集料原 始缺 陷得 到 有 效弥补 ， 优 化轻 骨料 与水 泥石 界 面微 观结 构． I r a s s a r 等l l5 研 究认 为矿 物掺合 料在 对混 凝土 孑 L 隙细化 的 同 时 ， 还引起硫酸盐溶液毛细吸附高度升高 ， 导致更加 严重的结晶破坏 ， 这一观点与当前许多研究认为矿 物掺合料能提高混凝 土抗硫酸盐腐蚀性相矛盾． 然 而当前对轻骨料混凝土的研究仍主要集中在对其早 期力 学 性 能_ 6 ] 、 抗 碳 化 性 能_ 7 ] 、 抗 渗 性 ] 、 抗 冻 性 _ 1 ] 、 弹 性 模 量[ 1 等 方 面 的研 究 ， 因此 有 必 要 对 轻 骨料 } 昆 凝 土抗 硫 酸 盐 腐蚀 性 能 ， 特 别 是 对 不 同矿 1 文 中涉及的掺量、 水胶 比等除特别说明外均为质量分数或质量 比 物掺合料条件下轻骨料混凝土经硫酸盐腐蚀后其力 学性 能 的演变 规律及 界 面微观 结构 变化情 况 做进 一 步 的研 究． 本 文 以圆球 型 页岩 陶 粒 为 主要 粗 骨 料 ， 同时 掺 加 1 5 9 ／ 6 ”的破碎 型 页 岩 陶粒 以增 加 骨 料 间 的摩 擦 力 ， 减少骨料的相对滑动 ， 抑制轻骨料在振捣过程 中 的上 浮 ， 制 备 轻 骨 料 混 凝 土．用 一 级 粉 煤 灰 F A I 等体 积代 替 3 0 普 通 砂 ， 制 备 粉 煤 灰轻 骨 料混凝 土． 以超 细 粉煤 灰 UF A 、 硅灰 S F 分别 等 量 取代 粉 煤 灰 轻 骨 料 混 凝 土 1 0 ～ 4 0 和 5 ～ 1 5 水泥 ， 然后研究在硫酸盐作用下矿物掺合料对 粉煤灰 轻 骨料混 凝土力 学性 能演 变规 律及 微观 结 构 变化 的影 响． 1 试 验 1 ． 1试 验材料 水 泥 C 湘 乡水 泥 厂产 P O4 2 ． 5水 泥 ， 比表 面 积为 3 2 5 m ／ k g ． 超 细 粉 煤 灰 湖 南 湘 潭 火 电 厂 产超 细 粉 煤 灰 ， 比表 面 积 为 5 5 0 m。 ／ k g ； 一 级 粉 煤 灰 湖 南 湘 潭 火 电 厂 产 一 级 粉 煤 灰 ， 比表 面 积 为 4 2 5 m。 ／ k g ． 硅 灰 挪威埃 肯公 司产 硅灰 ， 比表 面积 为 1 8 0 0 0 m ／ k g ． 胶 凝材 料化 学组 成见 表 1 ． 细骨料 湘 江河砂 连续级 配 ， 细 度模 数 为 2 ． 7 5 ， 表 1 胶凝材料的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s b y m a s s o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 高英力 ， 等 硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝 土力学性 能及微 观结构 3 9 5 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ i o 3 s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f i nt e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e I TZ b e t we e n l i g h t we i g h t a g g r e g a t e a n d c e me n t p a s t e [ J ] ． J o u r n a l o f Bu i l d i n g M a t e r ia l s， 2 0 0 9， 1 2 6 7 3 7 7 41 ． i n Ch i n e s e 胡曙光 ， 王发洲 ， 丁庆军． 轻 骨料与水 泥石 的界 面结构 [ J ] ． 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 6 7 1 3 - 7 1 7 ． HU S h u g u a n g ，W ANG F a z h o u ，DI NG Qi n g J u n ．I n t e r f a c e s t r u c t ur e b e t we e n l i g h t we i g ht a g g r e g a t e a n d c e me n t p a s t e 口] ． J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 5 ， 3 3 6 7 1 3 7 1 7 ． i n Ch i n e s e I RASS AR E F． M A1 0 A D， BATI C O R． Su l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e wi t h mi n e r a l a d mi x t u r e s E J ] ． Ce me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 6， 2 6 1 11 3 1 2 3 ． 韩俊涛 ， 申向东． 外掺粉煤灰轻骨料混凝土早期力学性能研究 [ J ] ． 硅酸盐通报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 8 4 7 8 5 1 ． HAN J un t a o， SHEN Xi a n g do n g ． Ex p e r i me n t a l s t u d y on e a r l y me c h a ni c a l p r o pe r t i e s o f n a t u r a l l i g he we i gh t a g g r e ga t e c o n c r e t e wi t h e x t e r n a l mi x i n g f l y a s h [ J ] ． B u l l e t i n o f t h e C h i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y， 2 0 1 2， 3 1 4 8 4 7 8 5 1 ． i n Ch i n e s e 高英力 ， 程 领， 李柯 ， 等 ． 碳化作用 下骨料 混凝土干缩变形 及影 响规律 [ J ] ． 硅酸盐通报 ， 2 o 1 2 ， 3 1 2 4 4 0 4 6 3 ． GAO Yi n g l i ， CHENG Li n g， I I Ke， e t a 1 ．I n f l ue n c e l a ws a n d d r y s h r i n ka g e o f l i g h t we i g ht a g g r e g a t e c o n c r e t e u n d e r t h e c a r b o n i z a t i o n [ J ] ． B u l l e t i n o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 2 ， 3 1 2 4 4 0 4 6 3 ． i n Ch i ne s e L0 T Y ， NADEEM A 。 TANG W C P， e t a 1 ． Th e e f f e c t o f high t e mpe r a t u r e c u r i n g on t h e s t r e ng t h a n d c a r b o n a t i o n o f po z z o l a n i c s t r u c t u r a l l i g h t we i g h t c o n c r e t e s E J ．C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i ng M a t e r i a l s ， 2 0 0 9， 2 3 3 1 3 0 6 1 31 0 ． CH I A K S， ZH ANG M H．W a t e r p e r m e a b i l i t y a n d c h l o r i d e p e n e t r a b i l i t y o f h i g h s t r e n g t h l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e [ J ] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2， 3 2 4 6 3 9 - 6 4 5 ． 王立成 ， 刘汉勇 ， HI WAD A K． 硅灰对轻骨料混凝土抗 海水冻 融性能的影响[ J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 4 3 4 9 3 5 5 ． W ANG Li c h e n g， LI U H a ny on g， H I W ADA K．I nf l u e n c e s o f [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 3 [ 1 5 ] [ 1 6 ] s i l i c a f u me o n t he p r o p e r t y o f l i g h t we i g h t a g gr e g a t e c o n c r e t e wi t h r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e s i n s e a wa t e r [ J ] ． J o u r n a l o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 5， 8 4 3 4 9 3 5 5 ． i n Ch i n e s e GAO X F， L0 Y T， TAM C M ． I n v e s t i g a t i o n o f mi c r o c r a c k s a n d mi c r o s t r u c t u r e o f h i g h p e r f o r m a n c e l igh t we i g h t a g g r e g a t e [ J ] ．C o n c r e t e B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ，2 0 0 2 ， 3 7 5 4 8 5 4 8 9 ． J OZ D， WI EDZ KA N．S c a l i n g r e s i s t a n c e o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e s c o n t a i n i n g a s ma l l p o r t i o n o f p r e we t t e d l i g h t we i g h t f i n e a g g r e g a t e [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 5 ， 2 7 6 7 09 7 1 5 ． 毛继泽 ， 齐辉 ， 鲇 田耕一． 轻 骨料含水 率对混凝土 吸水性及抗 冻性 的影响[ J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 4 4 7 3 4 7 7 ． MA0 J i z e 。 QI Hui ． AYUTA Ko i c h i ． Ef f e c t s o f wa t e r c o n t e n t i n l i g ht we igh t a g g r e g a t e o n wa t e r - a bs o r b i n g p r o p e r t y a n d f r e e z e t h a w r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9， 1 2 4 4 7 3 4 7 7 ． i n Ch i n e s e 孔丽娟． 陶粒混合料 混凝土结 构与性 能研究 [ D] ． 哈尔 滨 哈 尔滨工业大学 ， 2 0 0 8 ． K ONG L i j u a n ． Re s e a r c h o n s t r u c t u r e a n d p e r f o r ma n c e o f c e r a ms i t e c o mb i n e d a g g r e g a t e c o n c r e t e [ D] ． Ha r b i n Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h no l o g y， 2 0 0 8 ． i n Ch i ne s e 乔宏霞 ， 朱彦鹏 ， 周茗如 ， 等． 参数评价粉煤灰混凝土抗硫酸盐 腐蚀性 口] ． 建 筑科学 ， 2 0 0 9 ， 2 5 5 4 1 4 4 ． QI AO Ho n g x i a。 ZHU Ya n p e n g， ZHOU Mi n g r u， e t a 1 ． Th e p a r a me t e r a s s e s s me n t o f t he p e r f o r ma n c e o f a n t i s u l f a t e e r o s i o n f o r c o n c r e t e c o n t a i n i n g f l y a s h [ J ． B u i l d i n g S c i e n c e ， 2 0 0 9 。 2 5 5 41 4 4 ． i n Ch i n e s e 张光辉 ． 混 凝土结 构硫 酸盐腐蚀 研究综 述 [ J ] ． 混凝 土 ， 2 0 1 2 1 4 9 5 6 ． Z H ANG Gu a n g h u i ． Su l f a t e c o r r o s i o n o f c o nc r e t e s t r u c t u r e r e v i e w[ J ] ． C o n c r e t e ， 2 0 1 2 1 4 9 5 6 ． i n C h i n e s e 上接第 3 8 2页 [ 1 2 ] 邓聚龙． 灰色控制 系统 [ M] ． 武汉 华中工 学院 出版社 ， 1 9 8 5 2 7 5 9 ． D EN G J u l o n g ． Gr e y c o n t r o l s y s t e m[ M] ． Wu h a n Hu a z h o n g En g i n e e r i n g Co l l e g e Pr e s s， 1 9 8 5 2 7 5 9 ． i n Ch i ne s e [ 1 3 ] WONG H S ， P AP P AS A M ， Z I MME RMAN R W， e t a 1 ． E f f e c t o f e n t r a i n e d a i r v o i d s o n t h e mi c r 0 s t r uc t u r e a n d ma s s t r a ns p o r t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 1 1， 4 1 1 0 1 0 6 7 1 0 7 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m