实验研究粉煤灰路面混凝土的耐久性和混合比例的优化

文摘

本文关注的优化C40粉煤灰混凝土路面,这被认为是一项措施,加快消费等工业固体废物粉煤灰、致力于“零浪费”的目标。普通混合比例,通过比较三组的性能(如机械性能、耐久性和脆性性质)优化组合的比例进行评估通过多种机械和物理测试。孔隙的结构特点是BJH方法(方法计算孔隙大小被巴雷特,Joyner,和Halenda),结果是结合道路混凝土性能分析的形成机制优化粉煤灰路面混凝土的耐久性。对于实验结果的优化,其28 d抗压强度达到50.8 MPa连同相应的28 d挠曲强度为8.2 MPa,显示良好的机械性能广泛应用于路面施工。除了机械性能,获得更好的耐久性指标优化后还提供了一个更紧凑的孔隙结构的优化。的原材料和施工技术两种路面进行了比较。促进优化粉煤灰路面混凝土的使用可以打破公路沥青路面独揽载重的情况大大减少工业废物可为原料生产的水泥,如高炉矿渣和粉煤灰。这是证明了优化粉煤灰混凝土路面可以用来代替沥青路面的前提下实现相同的工作表现。

1。介绍

粉煤灰是火力发电厂的主要固体废物。随着电力工业的发展,燃煤电厂的粉煤灰排放逐年增加,已成为一个工业废料残留在中国目前有大量排放。常见的使用方法是取代水泥混凝土掺合料。混凝土路面是在中国的一个主要路面类型。由于沥青价格的快速上升和相对稳定的水泥价格近年来,使用混凝土路面可以节省大量投资与沥青路面相比。它也可以缓解供过于求的水泥和刺激当地经济(1]。因此,促进混凝土路面已成为交通发展的趋势。然而,混凝土路面是容易开裂等早期失效和关注不足以来冻结侵蚀耐久性[2]。特别是,目前,迅速在中国越来越多的汽车,重型车辆的损坏的混凝土路面相当严重,导致一些混凝土路面的实际使用寿命下降低于一半的设计周期。维护和重建受损混凝土路面大量金钱和材料成本,与此同时,许多建筑废物产生。因此,混凝土路面在高等级公路的比例还不到10%。几个省份甚至禁止在高速公路混凝土路面的使用。因此,如何提高路面混凝土的耐久性已成为混凝土研究的焦点(3]。粉煤灰的火山灰微粒排放在煤炭燃烧,将导致严重的空气和水污染没有治疗。的一些化学成分也会带来负面影响周围居民的健康状况和其他的生活(4- - - - - -6]。

作为一个积极火山灰材料,粉煤灰被认为是用于胶结材料取代部分水泥,减少水泥熟料的消耗和环境的影响。粉煤灰在混凝土的数量通常在15%到30%之间变化胶结绑定的内容(7]。更高的替代水平也被用于大体积结构混凝土的温度上升下降。研究表明,尽管粉煤灰将影响混凝土的早期强度发展(8,9),它可以提高混凝土的强度和耐久性后世通过使用Ca(哦)₂生成二水合物C-S-H (9]。此外,粉煤灰混凝土也有良好的性能在各种类型的结构系统。尽管先前的研究已经证明,粉煤灰能有效地提高性能,其中大部分集中在粉煤灰混凝土在建筑10- - - - - -13]。研究粉煤灰路面混凝土的耐久性还有限。2013年,Ondova等人研究了可能替代使用粉煤灰作为水泥混凝土路面的通过测量力学性能,耐化学性,冻结,解冻和粉煤灰混凝土,但未能分析其微观结构之间的关系和耐用性(14]。之后,大多数研究还只是试图找到最好的混合比和粉煤灰混凝土的设计通过实验测试,但无法解释耐久性的关系及其孔隙结构结合的道路混凝土路面的性能(15- - - - - -18]。此外,国内外也有很多学者对探索半经验的公式之间的关系强度和水泥基材料的总孔隙度。缺乏考虑孔隙度是影响混凝土强度的唯一因素,没有考虑到其他孔隙结构参数。采取C40路面混凝土为研究对象,本文全面分析了水胶比和添加剂的影响路面混凝土的力学性能和耐久性通过正交实验数据。氮吸附法表征粉煤灰路面混凝土的孔隙结构。结合孔隙结构参数、机制上的孔隙结构强度、脆性性质,和粉煤灰路面混凝土的耐久性进行了分析,分别。提供科学依据研究粉煤灰路面混凝土配合比的设计方法,提高水泥混凝土路面的使用寿命。

为了解决这些研究限制,本文试图通过混合料配合比设计提高混凝土的耐久性。的前提下满足设计和施工要求,混凝土的水胶比降低减少孔隙度。使用粉煤灰取代部分水泥,减少水泥混凝土单内容。适量的减水剂和引气掺合料混凝土的应用改善不渗透性和抗冻能力,改善与普通强度混凝土的耐久性。本文的目标是克服困难在普通混凝土的广泛应用优化普通混凝土的比例,比如高脆性性质和较低的耐久性。此外,结合测试数据和公路性能,孔隙结构和路面耐久性的关系解释,然后,提高路面混凝土的机理分析优化后派生(19- - - - - -21),目标“零浪费”的解决方案和更生态友好的路面设计。

2。材料和方法

2.1。材料

普通硅酸盐水泥(P.O42.5R, 50.2 MPa 28 d抗压强度)是用来准备C40混凝土路面。硅灰(SF)和粉煤灰(FA,二级,主要参数如表所示1)被选为取代部分水泥。减水剂(多羧酸的酸是主要成分,如表所示2)是用于提高产品强度降低水胶比。河沙(细度模数为2.5)和砾石(颗粒大小范围从5到31.5毫米)也被用于这项研究。此外,目的在于获得良好的机械性能,其他添加剂包括引气掺合料和补强剂。

2.2。正交设计的C40混凝土路面

作为在中国的指定,C40水泥混凝土被广泛应用于混凝土路面施工。在这个研究中,混凝土的设计强度等级C40普通粉煤灰混凝土路面,具有D(严重)环境影响设计品位和170毫米的衰退。在本节中,进行了正交设计目标的最优比例混合后测定初始混合比例,如表所示3(8%硅灰含量和1%压实代理内容)。然后,C40混凝土的最佳混合比例是由分析抗压强度、气体含量、抗压强度、抗弯强度当水胶比(一个),减水剂的内容(B粉煤灰掺量(),C),引气掺合料(D)被认为是变量。正交试验设计根据正交表四个因素和三个层次。正交实验的具体设计和结果如表所示4和5,分别。

2.3。方法

2.3.1。路面混凝土的制备

根据GB / t50081 - 2002,一次性成型方法和振动台选择模具150 mm×150 mm×150 mm的多维数据集和150毫米×150毫米×550混凝土棱柱体抗压强度和抗弯强度测试,分别。然后,标本是在标准养护室温度与湿度大于95%和20±2°C进行相关的测试在指定的年龄。

2.3.2。测试混凝土混合物

指中指定的方法GB / t50080 - 2002和gb8076 - 1997混凝土混合物的性质(包括衰退和气体含量)进行了测试。坍落度筒(图1)是用来测量混凝土混合物的衰退。(图的GQC-I修改方法2)被用来测试新浇混凝土的含气量,以反映混凝土的耐冻性和孔隙的数量。

2.3.3。混凝土的耐久性试验

(1)渗透率。GB / T 50081 - 2002所示,造型是由混凝土配合比设计。搅拌3分钟后振动台振动,六缸混凝土标本175毫米直径的顶部表面,底部表面直径185毫米,150毫米高度形成作为一个群体被治愈,直到年龄。提出的水压力开始在0.1 MPa和0.1 MPa每隔8 h。直到3的6个标本表面有水渗透测试可以停下来写下当时的水压力。表达的不透水混凝土等级的最大水压当四个六每组标本没有渗透。公式如下所示: 在哪里P不透水的品位和吗H水压力的三个六个标本。

(2)电通量。指的ASTM c1202 - 97,准备测试块钻孔核心部分,最后脸上平滑,使一个圆柱体Φ100毫米×50 mm之前指定的治疗时代。Vacuum-saturated水是为测试前的标本。在测试期间,一个60 V直流电压加在轴向方向上的标本。溶液浓度为0.3 mol / L的氢氧化钠和3%的氯化钠是放置在测试槽两边的正负电极的标本,分别。总电问值传递的标本在6小时内的电通量标本,和六个标本是一群。测试装置如图3。

(3)氯离子扩散系数。RCM方法使用的德国ibac-test, 150 mm×150 mm×150 mm试样。样本来自标准养护室4天前的测试。然后,样本的端面平滑,制成Φ95毫米×50 mm试样(如图4),放入标准养护室测试年龄。一个15分钟超声波浴是标本在测试前的准备的。实验进行的同时,30 V直流电压被应用于试样的两端。标本的正负电极浸泡在0.2 mol / L KOH溶液和5%的氯化钠溶液,分别。测试装置如图5,实验周期取决于初始电流(如表所示6)。电气化后,标本取出,分成一半液压压机,和AgNO 0.1 mol / L₃解决方案是喷涂表面的标本。氯离子扩散系数测试通过测量氯离子渗透的深度和计算。氯离子扩散系数的计算公式如下: 在哪里D_RCM氯离子扩散系数(m²/秒),T的初始和最终的平均温度是阳极溶液(凯斯勒的温度),h标本高度(米)x_d是氯扩散深度(米)t接通电源的时间(s),是辅助变量。

(4)抗弯弹性模量。混凝土的抗弯弹性模量被用来反映混凝土的变形能力。按照JTG e30 - 2005,测试了预压kN的1到3 kN的速度0.15到0.25 kN / s和举行了30年代,“0”是指出。然后,“0.5”后指出继续加载P_0.5,即保持了30年代在弯曲极限的50%。五进行按压,第五持续负载导致标本失败。公式如下: 在哪里海尔哥哥抗弯弹性模量(MPa),P_0.5和P₀代表结束加载和初始载荷(kN), 0.5, 0是成千上万的仪表读数对应P_0.5和P₀(毫米)l是样本支持(450毫米)之间的距离,J是试样截面的惯性矩黑洞吗³/ 12(毫米⁴),F跨中挠度(毫米)。

2.3.4。孔隙大小分布的测试

按照GB / T21650.2 / ISO 15901 - 2:2006 Autosorb-iQ自动比表面积和孔隙大小分布仪器由Quantachrome在美国使用,工作原理是静态容量法和等温物理吸附。

样本用吸尘器吸过连续24小时在100°C提前去除挥发性物质。样品的质量约为0.5克。相对压力为0.00001∼0.99800(111分)和解吸过程完成。的最小探测范围中使用的气体吸附等温式方法研究气体分子的直径,可以探测到开放的毛孔与孔隙大小大于0.5海里。BJH方法,选择基于开尔文方程,计算孔隙大小分布。其有效范围的描述是mesoporousity / 2海里。自Autosorb-iQ有两个内置脱气车站,样品的制备和分析可以同时进行,如图6。

3所示。结果与讨论

3.1。正交设计的结果

表7表明,抗压和抗弯强度一般都没有多少波动相对稳定。组的平均强度的水胶比0.35只是略高于其他组。相反,不同群体不同的气体含量从4.9%到6.9%。正交试验的分析范围和执行表所示8统计。K1表示一个特定变量的平均气体含量在1级。通过比较和评估的索引值K1,最优水平的变量可以证实。参数ΔR,如表所示8,表示变量对瓦斯含量的影响。Δ很高R值对应于一个特定的变量,这个变量对瓦斯含量的影响很大。

每个独立变量的意义上使用方差分析气体含量进行了测试,如表所示9。有三个阈值F值对应于三个不同层次的意义。定义的三种不同阈值的意义每个独立变量的一个(最重要:如果四个不同的类别F值高于6.94;重要:如果F值在4.32和6.93之间;不那么重要:如果F值在4.32和6.93之间;最低有效:如果F值低于2.00)。从表可以看出9最高,引气掺合料影响路面混凝土的气体含量,其次是水胶比、粉煤灰比例,减水剂的内容。总和,C40粉煤灰路面混凝土的最佳混合比例如表所示10(22,23]。

3.2。优化水泥路面混凝土的性能

为了进一步探索优化C40粉煤灰路面混凝土的工作性能,进行了对比实验。实验设计如表所示11。对比实验设计,通过正交实验得到最佳混合比例三组相比普通混合比同等条件下的强度和衰退的设计要求。在这个实验中,3 d 7 d,和其他28 d抗压和抗弯强度和耐久性指标进行了测试。此外,内部孔隙大小分布的最优配合比混凝土和普通的特点和总结,以便进一步考虑孔隙结构之间的关系和混凝土的力学性能和耐久性。

3.2.1之上。机械性能

抗弯强度是一个直接的指标描述的能力抵抗弯曲的道路。路面混凝土的国家标准要求挠曲强度不少于5 MPa(指定JTG d40 - 2011)。然而,即使会议这个最低要求,混凝土路面的应用仍几乎仅限于特定的位置。此外,尽管普通路面混凝土的耐久性能够符合设计要求,其整体工作性能可能仍然低下由于其不规则孔隙大小分布。机械性能如图7和耐久性指标的测试结果中可以看到表12。相比之下,抗压和抗弯强度的最优组略高于其他三个小组。另一个三个普通组的抗渗等级不同P8 P10,但是在P10 C40混凝土达到优化。除此之外,它还拥有的氯离子扩散系数较低 和更好的电通量1828 C。这些结果可能归因于良好优化混凝土的孔隙结构。下面的实验结果可以证明这一点。

在混凝土的截面,如图8和9的泡沫混凝土与普通混合比例大,相对集中,这直接导致了减少混凝土的密实度。通过分析表中的数据11和图7的内容,我们可以发现,引气掺合料的普通混合比例高于最优,导致更高的气体含量。由于引入太多的泡沫,一些内部气泡相互连接,导致力学性能的损失。结合极值的结果差异从上面的正交实验,减少引气掺合料的内容时,普通路面混凝土的内容可以通过合理优化控制其他添加剂具有齐次混凝土的孔隙结构。

3.2.2。耐用性

混凝土是一种典型的多孔材料具有复杂孔隙大小分布。孔隙大小张成的空间交叉微尺度与宏观尺度之间,有很大的影响混凝土的力学性能和耐久性。混凝土的渗透性和抗碳化严重影响结构的耐久性。混凝土内部毛孔和毛细管通道连接的不渗透性降低的主要原因,和孔隙大小分布antipermeability上也有很大的影响。梅塔(24毛孔)分为四个年级根据孔隙大小(d):d< 20 nm无害的毛孔;d= 20 - 50 nm那么有害毛孔;d= 50 - 100 nm有害毛孔;d> 100 nm重要毛孔。显然,胶结孔隙属于类别的无害的毛孔并没有影响耐久性,不透过性,混凝土的强度。孔隙大小变化很大,因为不同的水灰比和水化程度,可分为有害孔隙少,有害的毛孔,毛孔和重要,这将严重损害混凝土的渗透性和耐久性。至于毛孔在混凝土耐久性的影响,介绍的文献综合损伤模型在外部(环境)和内部因素,描述了毛孔开发过程和最终导致混凝土的开裂和崩溃25- - - - - -29日]。

孔隙结构的测试结果如图10和11。基于孔隙大小分布,近80%的毛孔在优化路面混凝土小于20海里,它提供了一个更紧凑的孔隙结构。相比之下,孔隙半径为20 nm普通组以上优化组的两倍。这个结果引起的增加孔隙连通性和普通路面混凝土的渗透性由于气候和负载的影响,导致孔隙结构的能力抵抗外力的渗透率降低,从而使整体工作性能下降(30.- - - - - -35]。

3.2.3。分析优化路面混凝土的脆性性质

与其他混凝土相比,路面混凝土的失败是由于flexible-tensile压力,以及混凝土的抗弯强度比抗压强度低得多。当混凝土的拉应力无法承受载荷的垂直压力,水平的影响,和化学收缩引起的拉应力和温度变形,混凝土出现裂缝。因此,低脆性性质非常有利于路面混凝土。

由于原材料的限制,施工技术,等等,有大量微裂隙和不均匀的毛孔在混凝土。内部结构显示极端复杂性,相对难以提高路面混凝土的脆性性质。国内外学者已经进行了大量的研究在混凝土的脆性。本质上,可以找到有效的方法来改善混凝土的脆性性质,如改善其孔隙结构、减少内部微裂隙,并控制裂缝和微裂隙扩张失败。宏观上,可以改善混凝土的脆性性质原材料、混合比、施工技术等。

目前,没有统一的标准测量混凝土的脆性性质。compression-flexure比率、路面混凝土的抗弯弹性模量被认为是在工程圈子里常用的索引。混凝土的脆性系数由compression-flexure比率反映了antideformation混凝土的性能。脆性系数越小,antideformation能力越好。上述两个指标进行了测试和计算研究,结果如图所示12(36,37]。

从测试结果可以看出,compression-flexure比率下降随着年龄增加试验,和挠曲强度的增加速度高于抗压强度。混凝土最优比拥有一个较小的compression-flexure比率,导致其强度和灵活性高于普通混凝土。相反,路面混凝土的最优比例更高的弯曲模量比普通混凝土,达到降低脆性性质和程度提高了路面混凝土的耐久性。

3.2.4。形成机制的高耐久性路面混凝土进行了优化

混凝土的耐久性是一种使其抵御气候变化的能力,化学腐蚀,磨损,或任何其他的破坏过程。路面混凝土,因为发现暴露在大气和外部环境的长期侵蚀,路面结构会受到损害。优良的耐久性不仅是一个重要的保证混凝土路面的设计使用寿命,还可以减少水泥混凝土路面的维修困难,避免投资大量的重建或覆盖成本,这也具有重要意义,实现国民经济的可持续发展。的形成机制优化路面混凝土的高耐久性分析从以下三个方面:

(1)孔隙结构特性的优化。混凝土由水泥石、骨料、界面,所有的毛孔离子渗透的通道。混凝土的孔隙特征确定界面的一般侵蚀离子渗透水泥石。混凝土外加剂的产品参与水化反应,和未反应的微粒可以填充水泥石的毛细管孔隙,使混凝土更加紧凑。随着水化的发展时代,优化混凝土减少有害大孔隙和无害的或更少有害孔隙或微孔隙增加,这意味着孔隙结构和优化路面混凝土的耐冻性改善。

(2)增强界面过渡区。与优化混凝土减水剂的加入可以获得低water-to-glue比率,这增强了水泥石的强度和弹性模量。在这种情况下,水泥石之间的差距和骨料的弹性模量降低,这使得在界面水膜层的厚度减少,和自由空间晶体生长减少。此外,硅灰和其他矿物添加剂的反应在界面区域,导致更多C-S-H和船尾和CH接口。水合物的结晶也干扰,导致水合物的结晶颗粒的大小变得越来越小,富集的程度和方向。最后,界面过渡区实现改进,从而切断侵蚀渗透的通道接口(38]。

(3)钢筋的腐蚀。混凝土中钢筋的腐蚀状况是孔隙溶液的pH值低于11.5或Cl⁻/哦⁻比大于0.63。(1)粉煤灰对混凝土液相碱度影响很小,主要吸收了K⁺和钠⁺在孔隙的解决方案。它的哦⁻浓度受到很少的效果,所以它的pH值在12.0;(2)优化混凝土的氯离子扩散系数小(D_RCM= 6.9×10⁻¹²米²/ s),大部分的Cl⁻在扩散。因此,自由Cl⁻在钢筋界面是很少,不足以破坏钝化膜(39- - - - - -41]。

4所示。结论

本文从正交测试,获得优化的混合比例是由评估相比普通混凝土机械性能,耐用性、脆性性质,和孔隙结构。然后,基于对比测试的结果,混凝土耐久性和孔隙结构之间的关系进行了讨论,和高耐久性的形成机制优化路面混凝土进一步解释道。主要的结论对C40混凝土性能优化如下:(我)优化产品基于正交试验得到最佳混合比拥有50.8 MPa的28 d抗压强度和8.2 MPa 28 d挠曲强度。(2)耐久性指标概括为以下几点:不渗透性年级P12, 1828 c 28 d电通量,6.9×10⁻¹²米²/ s的氯离子扩散系数。结果显示了良好的性能广泛应用于路面工程。(3)抗弯弹性模量达到3.6×10⁴MPa,实现低脆性的目标通过compression-flexure比率分析。(iv)内部孔隙大小,分别显示更少的有害孔的数量(d= 20 - 50 nm)在普通的比例超过24.2%,在最优集团和无害的孔的数量(d< 20 nm)最优组小于25.7%,证明优化路面混凝土的孔隙结构更加紧凑。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

h .翟b . Cheng陈,陈和h概念研究和开发研究设计;陈,y, b . Cheng和h·陈发达实验设计;b . h . y . Tang翟,s . Chen Cheng和x Cai进行实验测试;陈,y唐,x Cai分析数据;h . y, b . Cheng翟,s .陈写原文;h .翟,唐y, y魏修改和编辑文章;魏y进行打样;h .翟和h·陈帮助的资金。

确认

这项工作是由自然科学发现安徽省(没有的基础。2008085 qe246),安徽建筑大学博士启动基金(没有。2019 qdz15),安徽省住房和城乡建设部(没有资助项目。2018 facn3476)。

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