摘 要：在保持胶凝材料总用量不变情况下，研究了用纳米粉煤灰“微珠”等量替代10%、20%、30%、40%、50%水泥量后C60混凝土的和易性、抗压强度和耐久性的变化情况。实验结果表明，当“微珠”掺入后，混凝土单位用水量下降，且随着“微珠”掺量的增加，用水量下降越明显；28d抗氯离子渗透性能得到明显改善，混凝土强度提高，且当“微珠”取代量为20%时，混凝土强度提高最大，提高幅度达2个等级。
关键词：粉煤灰“微珠”；掺量；耐久性；抗压强度；混凝土
Abstract: Research C60 concrete, under the situation that keep the dosageof gelled material unchanged, amount for 10%、20%、30%、40%、50% cementwith fly ash microbead and then measure the change of it peaceability、compression strength、durability. The experimental results show that, unit water consumption of the concrete will descend when the “microbead” was mixed, moreover, unit water consumption of the concrete descend obviously along with thedosage increase; concrete 28 d anti-chloride ion penetration performance improvedobviously, strength increased. When “microbead” replace content is 20%, the largest increase strength of concrete, the increase was up to 2 grade.
Key words: Fly ash microbead；Dosage；Durability；Compressive strength；Concrete
0 前言
粉煤灰是一种污染环境的工业废弃物，据国际环保组织在北京发布2010年中国粉煤灰调查报告说，中国过度依赖煤炭，造成粉煤灰排放量巨幅增加，2009年，中国粉煤灰排放达到3.75亿吨。报告发现，中国每年有2.5万吨镉、汞和铅等有害重金属包含在粉煤灰中散落到自然环境中，直接危害人体健康【1~2】。到目前为止，我国粉煤灰的利用率仍很低，这种细微颗粒经常浮在大气中，是中国大城市空气浑浊、能见度低的主要原因。因此，解决粉煤灰的大规模利用已是迫在眉睫的问题。
粉煤灰“微珠”是一种新型超微粉体材料，是经过独特工艺从优质粉煤灰中精选出的一种超细的粉体产品。“微珠”具有活性高、质轻、耐高低温、耐腐蚀、耐磨、抗压强度高、流动性好、热稳定性好、无毒等优异功能，可以作为高性能混凝土的新型活性超微集料【3】。
“微珠”在化学成分上与普通粉煤灰相比没有什么差别，其主要差异在于颗粒粒径和形状上。“微珠”颗粒的粒径分布主要在0.1~5mm之间，且在电子显微镜下观察，呈球状【3】。“微珠”不但可以降低混凝土的需水比，并有提高混凝土的密实性、耐久性、抗腐蚀等性能，为配制高性能混凝土提供了一种全新有效的选择。
1 原材料和实验方法
1.1 原材料
（1）粉煤灰“微珠”:技术指标见表1。
（2）水泥：南方水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥。
（3）细集料：河砂，主要性能见表2。
（4）粗集料：石灰岩碎石，粒径5~40mm，连续级配，压碎指标6.5%，含泥量0.4%。
（5）外加剂：SUNBO PC-1016聚羧酸高效减水剂(液体)，固含量：20%，pH值（20℃）：6~8，氯离子含量：＜0.03%，建议掺加量：0.8%~1.5%
（6）拌合水：普通自来水。
表1 粉煤灰“微珠”的技术指标
|
颗粒形状 |
球体密度 （kg/m3） |
表观密度（kg/m3） |
含水率 |
胶砂需水量比 |
|
|
完美球形 |
2520 |
自然状态 |
压缩后 |
≤1% |
90 %左右 |
|
670 |
890 |
||||
表2 砂的主要性能
|
细度模数 |
含泥量/% |
泥块含量/% |
含水量/% |
表面密度/(kg/m3) |
堆积密度/(kg/m3) |
|
2.73 |
0.8 |
0.0 |
0.4 |
2630 |
1390 |
1.2 实验方法
（1） 新拌混凝土减水率试验
混凝土减水率试验按照GB8076-2010《混凝土外加剂》中有关规定进行【7】。
（2） 混凝土抗压强度试验
混凝土抗压强度试验按GB/T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》、中有关规定进行【8】。实验中，混凝土强度试验采用三组试块，一组三小块，其中两组采用标准养护，剩下一组采用蒸汽养护，测试28d强度。试件尺寸为100 mm×100 mm×100mm。
（3）混凝土抗氯离子渗透性试验
本试验采用电通量法，试验按ASTM C1202 《混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法》进行【9】。将质量浓度为3.0%的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液注入试件两侧，每隔10min记录一次电流值，直至通电6h。
（4）混凝土养护制度
混凝土成型后，试块一部分采用一般标准养护，一部分按设计的养护制度采用蒸汽养护。设计的蒸汽养护制度如下：混凝土试块先在常温下静止2小时，然后放入养护箱内升温至90度，升温的速度平均为25度/小时，接着恒温养护4小时，然后降温，并在一小时内降至常温，在常温下静止一天，最后再放入标准养护室养护26天，养护到规定龄期后进行混凝土立方抗压强度和混凝土抗氯离子渗透性试验。
2 配合比
保持胶凝材料总用量不变，粉煤灰“微珠”掺量分别为0、10%、20%、30%、40%、50%，等量替代水泥后，研究粉煤灰“微珠”掺量对混凝土和易性、抗压强度和抗氯离子渗透性等影响，配合比见表3。
表3 不同粉煤灰“微珠”掺量混凝土配合比设计（20L 混凝土）
|
编号 |
微珠掺量/% |
水胶比 W/B |
微珠/kg |
水泥/kg |
水/kg |
砂/kg |
石/kg |
减水剂/kg |
|
J10 |
0（原样） |
0.29 |
0 |
10.50 |
3 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
|
F11 |
10 |
— |
1.05 |
9.45 |
— |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
|
F12 |
20 |
— |
2.10 |
8.40 |
— |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
|
F13 |
30 |
— |
3.15 |
7.35 |
— |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
|
F14 |
40 |
— |
4.20 |
6.30 |
— |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
|
F15 |
50 |
— |
5.25 |
5.25 |
— |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
3 实验结果与探讨
3.1 减水性能
在粉煤灰“微珠”等量替代水泥的情况下，配制C60混凝土的用水量如表4所示。从表4中可以看出，“微珠”不仅可以作为混凝土的填充集料而且具有减水性。在保持混凝土流动性基本不变的情况下，随着“微珠”掺量的增加，减水效果越明显，当掺量为30%以上时，“微珠”的复合减水率高达到20%以上。表中还可以发现，“微珠”具有极低的需水量比，当掺量为30%时，需水量比为78.7%，掺量为40%时，需水量比为71.3%。
表4 混凝土试验结果（“微珠”减水效果）
|
编号 |
微珠掺量/% |
水胶比 W/B |
微珠/kg |
水泥/kg |
砂/kg |
石/kg |
减水剂/kg |
水/kg |
减水量/kg |
塌落度/mm |
|
J10 |
0（原样） |
0.29 |
0 |
10.50 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
3 |
0 |
630 |
|
F11 |
10 |
0.27 |
1.05 |
9.45 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
2.82 |
0.18 |
700 |
|
F12 |
20 |
0.24 |
2.10 |
8.40 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
2.56 |
0.44 |
540 |
|
F13 |
30 |
0.22 |
3.15 |
7.35 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
2.36 |
0.64 |
650 |
|
F14 |
40 |
0.20 |
4.20 |
6.30 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
2.14 |
0.86 |
600 |
|
F15 |
50 |
0.19 |
5.25 |
5.25 |
11.16 |
24.84 |
0.05 |
2.02 |
0.98 |
570 |
3.2 抗压强度
不同养护条件下混凝土抗压强度检测结果如表5和图1。从表5中可以看出，各组混凝土28d强度均达到C60等级，掺“微珠”后对混凝土的抗压强度影响很大，且随着“微珠”掺量的增加，混凝土28d强度较基准混凝土都有不同幅度的提高。强度改变的规律是先逐步增加，后渐渐降低（如图1）。当掺量在20%~30%之间时，强度提高最大，在30%之后，强度开始呈下降趋势，当掺量过大时（如F15），甚至会破坏混凝土原有强度。F12、 F13和F14配合比的混凝土28d强度都达到C70，相对于C60，提高了2个等级。使用“微珠”后，由于混凝土单位用水量的减少使混凝土的等级提高，基本规律为，提高1~2个等级。
表5 混凝土抗压强度
|
编号 |
J10 |
F11 |
F12 |
F13 |
F14 |
F15 |
|
|
28d抗压强度/Mpa |
标准养护 |
64.85 |
67.85 |
76.15 |
78.70 |
74.05 |
64.20 |
|
蒸汽养护 |
63.70 |
57.10 |
66.10 |
66.80 |
53.70 |
65.90 |
|
图1 粉煤灰“微珠”掺量对混凝土28天强度的影响
3.3 抗氯离子渗透性能
从图2中可以看出，混凝土28d的电通量均小于1000C，说明混凝土具有较高的耐久性。掺入“微珠”后能有效的改善混凝土抗氯离子渗透性能，随着“微珠”掺量的逐步增加，混凝土抗氯离子渗透性也逐步增强，当掺量为20%左右时，抗氯离子渗透性增强的最为显著（近乎是原来的4倍），在此之后随着掺量增加，混凝土抗氯离子渗透性开始下降。蒸养条件下混凝土电通量会偏高，大致是标养情况下的2倍，蒸养后的混凝土密实性和耐久性都会有所降低。
表6 混凝土抗氯离子渗透性能
|
编号 |
J10 |
F11 |
F12 |
F13 |
F14 |
F15 |
|
|
28 氯离子渗透性（电通量）/C |
标准养护 |
472.40 |
84.25 |
76.84 |
74.09 |
73.64 |
196.58 |
|
蒸汽养护 |
945.88 |
203.73 |
116.76 |
199.72 |
233.28 |
374.86 |
|
图2 粉煤灰“微珠”掺量对混凝土28天电通量的影响
4 经济分析与应用前景讨论
4.1 经济分析
如表4，在使用“微珠”后，化学减水剂聚羧酸与“微珠”所独特具有的高矿物减水率相叠加，较以往的J10方式配制混凝土降低单方用水量25KG左右。假设在混凝土强度等级不变及包罗密公式可用的情况下，对应F11的水胶比0.27，则用水量下降25KG左右，意味着节约水泥25KG/0.27=74KG。F12、F13、F14、F15的水胶比分别为0.24、0.22、0.20、0.19；则对应强度等级的混凝土将分别节约水泥用量104KG、114KG、125KG、132KG【4】。换句话说，使用“微珠”后混凝土强度等级提高，基本规律为，提高幅度达1~2个等级。即用C60混凝土的成本配制C70混凝土，用较低的成本配制更高强度的混凝土，大大的降低了高性能混凝土材料成本。此外，目前粉煤灰纳米“微珠”的市场价一般为550~600元/吨，P.O 42.5级水泥市场价约为400~500元/吨，两者价格相差并不远。
4.2 应用前景
众所周知 “当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用【5】。” 而来自海洋环境和使用防冰盐中的氯离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。20世纪90年代以来，我国海洋经济以两位数的年增长率快速发展。海洋经济在国民经济中的地位日渐提高。我国大型海洋工程的耐久性逐渐成为迫在眉睫的问题。未来，世界性、大规模开发利用海洋将成为国际竞争的主要内容，如何走好海洋经济这步棋，充分发挥所拥有的海洋资源优势，把握好全球海洋经济发展的战略机遇，是未来我国经济发展能否获得新动力的关键问题之一【6】。实验发现，在配制高性能混凝土时掺入适量“微珠”，不仅可以提高强度节约材料，而且可以显著的提高混凝土的抗氯离子渗透性，可见“微珠”在未来的海洋工程上有十分看好发展前景。
5 结论
(1)纳米 “微珠”的掺入，对混凝土具有很好的减水效果，使混凝土的强度等级提高，但随着“微珠”掺量的增大，当超过30%时，砂浆中的薄弱环节增加，混凝土强度呈下降的趋势。
(2) “微珠”的掺入提高了混凝土抗压强度，基本规律为，提高幅度达1~2个等级，即用C60混凝土的成本配制C70混凝土，大大的降低了高性能混凝土材料成本。而且大量应用了污染环境的工业废弃物--纳米微珠， 实现了变废为宝、保护改善城市生活环境。
(3)“微珠”等量替代水泥后能显著的提高了混凝土密实性和抗氯离子渗透性。在世界性、大规模开发利用海洋将成为国际竞争的主要内容的未来，纳米 “微珠”具有十分看好发展前景。
参考文献：
[1] 喻良.粉煤灰综合利用亟待加速[N].中国经济导报，2011-07-09（2）.
[2] 姬永生，刘世伟，袁迎曙,何启发，王华.粉煤灰在水泥和混凝土中应用对改善混凝土性能的对比试验研究[J].四川建筑科学研究，2006,32(5):171-175.
[3] 冯乃谦，李浩.纳米微珠的特性与应用.混凝土与水泥制品[J]，2010（5）：01-03.
[4] 谢友均.超细粉煤灰高性能混凝土的研究与应用[D].上海：中国科学院上海冶金研究所，2006：90-93.
[5] 杨俊仓.水工混凝土常见的病害及预防对策[N].科学导报，2011-06-27（22）
[6] 刘曙光，姜旭朝.中国海洋经济研究30年：回顾与展望[J].中国工业经济，2008（11）：155-162.
[7] GB8076-2010《混凝土外加剂》[S].
[8] GB/T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》[S].
[9] ASTM C1202 《混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法》[S].
作者简介：谢小龙，男，在读本科生。
通讯作者：蒋元海，男，教授
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