掺中国产粉煤灰道路混凝土受冻结溶解作用后的

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1、掺中国产粉煤灰道路混凝土受冻结溶解作用后的耐磨耗性研究满都拉 服部九二雄 绪方英彦日本鸟取大学农学部混凝土构造学研究室（680-8553）E-mail:mandua88摘 要：本文根据中国内蒙古自治区气候条件以及混凝土道路特点，验证从内蒙古自治区燃 煤火力发电厂排出的粉煤灰用在混凝土道路的实用性为目的，阐述了掺粉煤灰道路混凝土受 冻结溶解作用以后的耐磨耗性。试验结果表明，掺粉煤灰道路混凝土受冻结溶解作用后，表 面受到冻结溶解的剥离作用露出了粗集料，在粗集料抵抗磨耗的情况下粉煤灰取代率对耐磨 耗性的影响不大。如果中国产粉煤灰取代率在 50%的范围内，能适用于中国混凝土道路的可 能性。关键词：中国

2、产粉煤灰，混凝土道路，抗折强度，冻结溶解作用，耐磨耗性1引言随着中国经济的飞速发展，农牧区道路基础建设也不断加大，以至带来了道路建筑材料 的紧缺。因此适用各等级道路和地区气候条件的新道路材料的开发对道路交通的发展具有一 定的推进作用。另外，随着中国电力事业的发展，燃煤火力发电厂也在逐年增多，导致了粉 煤灰排放量的急剧增长，以至造成了严重的环境污染。因此在今后一个相当长的时期内，科 学的综合利用工业废渣粉煤灰，减少环境污染源，变废为宝及节约能源和自然资源等都具有 深远的意义。本文着眼于中国北方地区道路受冻结溶解和磨耗作用，从不同掺量粉煤灰的冻 结溶解作用和耐磨耗性方面探讨了中国产粉煤灰实际应用的

3、优越性。2试验方案设计82.1 试验材料（1）粉煤灰 试验用粉煤灰用中国内蒙古自治区通辽市燃煤发电厂生产。 用矿物元素组成分析装置（SEA2010）测定了粉煤灰无机元素组成，表 1 表示影响混凝土性质主要成分的测定结果。图 1 粉煤灰电子显微镜相片表 2 表示粉煤灰湿分 强热减量（JIS A 62011999），密度Fig.1 Micrograph of fly ash( SEM)（JIS R 52011997），比表面积 流动值比 活性度指数（JIS A 6201）的测定结果。本 试验用粉煤灰品质是按物理性质属于日本 JIS种。图表示粉煤灰电子显微镜相片。表面 圆滑玻璃质球状粒子会提高混凝土

4、流动性，而未燃碳素的不定性粒子会降低混凝土流动性1。表 1 粉煤灰主要化学成分（%）Table1 Typical chemical composition of fly ash（%）项 目名 称SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2O强热减量粉煤灰68.913.28.14.50.33.50.3表 2 粉煤灰的物理性質(JIS 种)Table2 Physical properties of fly ash名称项 目JIS种粉煤灰二氧化硅 (%)45.0 以上68.0湿分 (%)1.0 以下0.2强热减量 (%)5.0 以下0.4密度 (g/cm3)1.95 以上2.1比表面积 (法:cm2

5、/g)2500 以上2568流动値比 (%)95 以上96活性度 指数()材齢 28 日80 以上86材齢 91 日90 以上95（2）骨料试验用细骨材用日本国鸟取县产山砂，粗骨料用日本国鸟取县产碎石，最大寸法 20mm。 表 3 表示骨料的基本物理性质。表 3 使用骨料物理性質Table 3 Physical properties of aggregate骨料种类密度(g/cm3)吸水率(%)细度模数细骨材2.591.591.84粗骨材2.61.626.692.2 试验内容混凝土的冻融试验采用日本 JIS A 1148-2001 的水中冻结溶解试验方法（A 法）。 混凝土的磨耗试验采用，依照

6、美国 ASTM C/779/C混凝土水平表面的耐磨耗方法试制的 BBM 试验机2。试件尺寸与数量如下：抗折试件 3 个，其尺寸为 100mm 100mm 4000mm；用同一个试件，冻融试验完成后进行磨耗试验用试件 3 个，其尺寸为 100mm 100mm 4000mm；另外，为了探讨冻融作用的有无对耐磨耗性的影响，制做了与冻融试验试件同样配合比 寸法的试验体进 行了磨耗试验。表 4 表示混凝土配合比。目标坍落度 2.5 1cm，水胶比 45%，目标空气量 4%，一定的单 位粗骨材容积作为配合条件。水泥是日本产普通波特兰水泥（密度 3.15g/cm3）。减水剂是高 性能 AE 减水剂，用保温

7、20以后的自来水。粗骨料量一定的条件下为取得目标坍落度，因 此各配合比当中的细骨料量不同。本试验采用等量取代水泥用量的 0%，30%，50%（以下，F0， F3，F5）。试件成型后在室内 205静置 1d，然后材模编号，放在 20恒温水槽中养生。冻结 溶解试验开始龄期为 28d，考虑到粉煤灰后期强度特性，龄期为 91d 也做了冻融试验。冻结 溶解循环次数为 300 个，一个冻融循环时间为 34 小时，每 20 个循环测定了质量、超音波 传播时间、共鸣周波数（动弹性系数）。磨耗机的磨耗材（钢球 3）直径 200mm、载荷力 115N、 转速 90rpm、磨耗时间为 20min。每 5min 在磨

8、耗轨迹上取 4 点测定深度，平均值为磨耗深度。表 4 混凝土配合比Table 4 Mix proportion of concrete编号水胶比(%)砂率(%)混凝土各种材料用量 (kgm3 )水W水泥C粉煤灰F细骨料S粗骨料G高性能AE减水剂F04539144320072211331.92F345381442249670511332.88F5453714416016065311333.323试验结果与分析3.1 密度与抗折强度图 2，图 3 表示掺中国产粉煤灰混凝土的密度，抗折强度结果。另外，龄期和抗折强度 关系用抗折强度比(各龄期抗折强度/28d 抗折强度)表示，见图 4。粉煤灰密度(2.

9、1g/cm3)小于普通波特兰水泥密度，所以混凝土在粉煤灰不同取代率的密 度随取代率的增大而减小（F5F3F0）。路面水泥混凝土力学性能主要以抗折强度为主要控制指标。由图 3 和图 4 可以看出，混 凝土抗折强度随粉煤灰取代率的增大而降低（F5F3F0），随龄期增长掺粉煤灰混凝土的抗 折强度增长率大于 F0(基准混凝土)，龄期 91d 时 F3 接近于 F0，F5 抗折强度超过 6N/mm2，龄 期 28d 时 F5 也能满足混凝土公路的最低抗折强度(4.0 N/mm2)设计要求3。2.40密度(g/cm3 )2.382.362.342.322.302.282.262.24F0 F3 F57 2

10、8 56 91齢期(日)8765抗折強度 (N/mm2 )4 F0 F3 F537 28 56 91齢期 (日)图 2 密度与粉煤灰取代率之间的关系Fig.2 Density of cylindrical test piece with different replacement rate of fly ash图 3 抗折强度与粉煤灰取代率之间的关系Fig.3 Flexural strength of prism test piece with different replacement rate of fly ash3.2抗冻性能抗折強度比图 5 表示冻结溶解试验开始龄期 28d,91d 的

11、相对动弹性系数。试验开始龄期 28d, F0,F3, F5300 次冻融循环后的相对动弹性系数是 74.8，74.3，70.4%。开始龄期 91d 时，79.8，84.2，71.7%。F5 的相对动弹性系数大于 70%，说明粉 煤灰取代率 50%也能满足抗冻性指标。1.51.41.31.21.11.00.90.80.70.6F0F3F57285691龄 期（日）图 4 抗折強度比Fig.4 Flexural strength ratio105相对动弹 性系数(%)10095908580757065F0 F3 F528 日0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

12、 220 240 260 280 300105相对动弹性 系数 (%)10095908580757065F0 F3 F5 91 日0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300循环次数图 5 受冻结溶解试验试件相对动弹性系数Fig.5 Relative dynamic modulus of elasticity of specimens for freezing and thawing test图 6 表示长方体(400mm)试件超音波传播速度测定结果。超音波传播速度随粉煤灰取代率的增大而减小的趋势，但是所有试件测定值大于 4

13、000m/s，且保持到 300 次循环。因此可 知试件内部受冻结溶解作用引起的劣化程度比较小。4900超音波传播速度(m/s)48004700460045004400430042004900480047004600450044004300超音波传播速度 （m/s）4200F0 F3 F5 28 日0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300循环次数F0 F3 F5 91 日0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300循环次数图 6 冻结溶解试验长方体试件超

14、音波传播速度Fig.6 Pulse velocity ratings of specimens for freezing and thawing test图 7 表示质量减少率。质量减少率随冻结溶解循环次数的增长而增大，粉煤灰取代率越大质量减少率越明显加大。试验开始龄期 28d、试件 F0、F3 是 80 次循环开始，F5 是 60 次 循环开始试件表面起剥落现象，300 次循环时质量减少率;F0 是 1.4%、F3 是 3.1%、F5 是 6.1%。 试验开始龄期 91d、300 次循环时质量减少率;F0 是 1.3%、F3 是 2.1%、F5 是 4.1%。7質量減少率(%)6 F0 F3

15、 F55432102040608010012014016018020022024026028030007質量減少率 (%)65 F0 F3 F54321020406080100120140160180200220240260280300028 日91 日循環次数图 7 冻结溶解试验齢期 28 日、91 日试件质量减少率Fig.7 The mass decrement rates of the specimens with age of 28 and 91 days for freezing and thawing test冻结溶解试验 300 次循环后的试件样子见图 8。由图可知，试件表面引起

16、了大致均同的剥落现象。冻结溶解循环次数的增多试件相对动弹性系数、超音波传播速度随之降低，质量 减少率增大。从相对动弹性系数和超音波传播速度看试件内部没有引起大的劣化现象 45。28 日91 日图 8 冻结溶解试验后试件样子Fig.8 Shape of the deteriorated specimens due to freezing and thawing test3.3耐磨耗性图 9 表示无受冻结溶解作用试件的磨耗深度。混凝土强度随龄期的增长提高强度，且强 度和耐磨耗性之间有较高的正相关性，所以龄期 91d 的磨耗深度比 28d 的相对较小。但是随 磨耗时间的延长磨耗增长率缓慢减小。这是因

17、为随着试件表面砂浆薄层逐渐被磨损掉，粗骨 料露出表面，由于粗骨料的耐磨耗性一般说来优于砂浆。且随磨耗深度的加深同磨耗时间段 内磨耗材(钢球)对磨耗面单位面积内的磨耗能量缓慢减少，到试验终止为止6。磨耗深度随粉煤灰取代率的增大而增长。龄期 28d、磨耗时间 20min、F3 和 F5 磨耗深度 差是 0.6mm。龄期 28d、磨耗时间 20min、F5 磨耗深度是 F0 的 1.7 倍，F3 磨耗深度是 F0 的1.4 倍。龄期 91d、磨耗时间 20min、F5 磨耗深度是 F0 的 1.3 倍，F3 磨耗深度和 F0 大致相 等。这表明粉煤灰取代率对磨耗深度的增长影响不大。图 10 表示受冻

18、结溶解作用后试件的磨耗深度。以上所述，试件受冻结溶解作用后表面 砂浆引起剥落现象，粗骨料露出表面抵抗磨耗，且磨耗面单位面积内的磨耗能量缓慢减少等 因素的影响，试件受冻结溶解作用后磨耗深度比无受冻结溶解作用后磨耗深度大约小于一 半。3.0磨耗深度(mm)2.52.01.53.02.52.0磨耗深度 (mm)28 日 91 日1.5F0F3F51.00.5F0 F3 F55 10 15 20磨耗时间（分）1.00.55101520磨耗时间(分)图 9 无受冻结溶解试验齢期 28 日、91 日试件磨耗深度Fig.9 Abrasion depth of the specimens with age o

19、f 28 and 91days1.5磨耗深度(mm)1.01.5磨耗深度(m m )28 日 91 日1.00.50.0F0 F3 F55 10 15 20磨耗时间（分）0.50.0F0 F3 F55 10 15 20磨耗时间(分)图 10 冻结溶解试验齢期 28 日、91 日试件磨耗深度AFig.10 Abrasion depth of the specimens with age of 28 and 91 days for freezing and thawing test图 1 表示受冻结溶解作用试件抗折强度。 龄期 28d、各试件 F0,F3,F5 抗折强度为 6.7、6.1、4.4

20、N/mm2，龄期 91d、各试件 F0、F3、 F5 抗折强度为 7.2、7.1、6.0 N/mm2。与同配 合比 同龄期无受冻结溶解作用试件抗折强度 之间的差值不大。8765抗 折 強 度 (N / m m 2 )F0F3F542891龄期(日)图 11 冻结溶解试验齢期 28 日、91 日试件抗折强度Fig.11 Flexural strength of the specimens with age of 28 and 91days for freezing and thawing test4结论本文经过大量的室内试验研究，分析了对道路混凝土掺粉煤灰的抗冻结溶解性、受冻结 溶解作用后的耐磨

21、耗性以及无受冻结溶解试件耐磨耗性，得到了一下几点结论：（1）中国产粉煤灰等量取代普通波特兰水泥，取代率 50%、龄期 28d 时能满足中国公路混凝 土轻交通设计抗折强度(4.0 N/mm2) 要求。（2）掺中国产粉煤灰混凝土受冻结溶解作用后试件表面砂浆引起剥落现象，但冻结溶解作 用对试件内部组织没有太大的影响。（3）试件受冻结溶解作用后引起表面砂浆剥落现象，粗骨料露出表面抵抗磨耗，且磨耗面 单位面积内的磨耗能量缓慢减少等因素的影响，粉煤灰取代率对混凝土受冻结溶解作用后的 耐磨耗性影响不大。（4）设计龄期在 91d 时粉煤灰混凝土耐磨耗性明显提高，磨耗深度显著下降，因此在水泥 混凝土路面中掺加粉

22、煤灰还应该注意粉煤灰混凝土强度发展的特点，只要保证粉煤灰材料发 展特点，就能保证混凝土的耐磨耗性。参考文献1 中崎昭人，篠和夫. B 種使用強度耐久性，農業土木学会 誌，1990，58(2) ，91-962 堀口敬，猪又稔.関各種摩耗試験法特性，工学論文集，1992，l4(1)，17-273 公路混凝土路面設計规范，中国交通部，人民交通出版社，20024 Jones, R. Non-Destructive Testing of Concrete, Cambridge University press, London, 1962,p.1045 緒方英彦，佐藤周之，石井将幸，高田龍一.凍結融解作用

23、劣化 度関係，工学年次論文集，2005,Vol.27，No.1，739-7446 豊福俊泰，三和久勝，村国誠， 豊福俊英，宮崎都三雄，村木宏行,舗装摩耗関 研究，土木学会論文集，1997,No.557/V-34，87-100Abrasion Resistance of Concrete Pavements with Fly Ash fromChinareceived Freezing and Thawing ActionMandulaHATTORI KunioOGATA HidehikoFaculty of Agriculture, Tottori University, 4-101 Koya

24、ma-cho Minami Tottori 680-8553, JAPAN.AbstractPresent research was based on the climate characteristics and concrete pavements in Inner Mongolia of China. Objective of the study was to estimate the practicality of using in concrete pavements fly-ash which is discharged from thermal power stations in

25、 Inner Mongolia. Abrasion depth was measured after freeze-thaw test. As the results, the condition of coarse aggregates at the surface indicated that abrasion was not influenced by fly-ash replacement in concrete. Results indicated that up to 50% replacement with fly-ash from China is suitable for use in standard concrete pavements.Key words: Fly ash from China，Concrete pavement, Flexural strength，Freezing and thawing，Abrasion resistance作者简介：满都拉，男，蒙古族，1976 年生。博士研究生。主要研究方向是混凝土耐久性