膨脹劑摻量及養護時間對大摻量粉煤灰混凝土強度的影響

王祖琦 劉娟紅 侯芳芳

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

隨著資源、能源和環境問題的日漸突出，低碳的綠色混凝土成為水泥混凝土可持續發展的必然選擇[1-3]。大摻量粉煤灰混凝土作為綠色混凝土的一種在工程中得到了越來越多的應用。國內外學者，試圖從降低水膠比、使用高效減水劑[4-6]、控制粉煤灰摻量[7]、補償收縮[8-11]、平衡內部堿環境[12,13]等方面提高大摻量粉煤灰混凝土的性能。對于利用膨脹劑提高大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強度方面的研究也有所涉及[14,15]。但一般研究的齡期較短，粉煤灰摻量較少，所得結論對于大摻量粉煤灰混凝土不一定適用。另一方面，隨著建筑工程施工速度的加快、工期的縮短，拆模時間提前，大摻量粉煤灰混凝土早期的養護得不到保障，其性能會受到嚴重的影響。因此，養護時間的研究對于平衡工程成本和混凝土強度的發展至關重要。

為此，本文研究了較長齡期下，膨脹劑摻量以及養護時間對粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土抗壓強度的影響，并通過掃描電鏡觀察了大摻量粉煤灰混凝土在不同養護時間下的內部微觀結構和形貌特征，探討了膨脹劑、養護時間對大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度影響的機理，同時得出最佳輔助膠凝材料摻量以及最優養護時間。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅股份有限公司生產的P.O 42.5水泥，標準稠度用水量為27.8%，初凝時間為180min，終凝時間為320min，3d抗折強度為3.9MPa，抗壓強度為16.0MPa；28d抗折強度為7.1MPa，抗壓強度為49.5MPa。

粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度11.2（45μm篩余量），需水量比102%。

膨脹劑：中國建筑材料科學研究總院研制的HCSA高效混凝土膨脹劑。

骨料：粗骨料為人工碎石，料堆積密度為1510kg/m3，表觀密度為2650kg/m3，孔隙率為42.0%；細骨料為天然河砂，堆積密度為1660kg/m3，表觀密度為2560kg/m3，孔隙率為42.9%。

減水劑：北京市方興化學建材有限公司生產的JF-1高效減水劑（固體含量為40%）。

水：自來水。

1.2 試驗方法及配合比

保持粉煤灰摻量（50%、60%）不變，改變HCSA膨脹劑摻量（0%、6%、8%和10%）和養護時間（0天，7天，14天，28天），采用200t萬能試驗機測試邊長為100mm的立方體試件不同齡期時的抗壓強度。

在HCSA膨脹劑摻量6%、養護時間0天和28天的120天齡期混凝土試件內部取樣，在FEI Quanta250環境掃描電鏡下觀察混凝土內部的微觀結構和形貌特征。

其中，養護0天，為成型后直接置于自然環境中，7天拆模后繼續放置于自然環境中；養護x天，為成型后棉被覆蓋澆水養護至7天拆模，繼續放置于標準養護室養護至x天后放置于自然環境中。混凝土試驗配合比見表1。

2 試驗結果及分析

2.1 HCSA膨脹劑摻量對大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

2.1.1 HCSA膨脹劑摻量對粉煤灰摻量為50%的混凝土抗壓強度的影響

粉煤灰摻量為50%時，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強度發展曲線如圖1所示。由圖1可以看出，不同養護時間下，HCSA膨脹劑的摻量從6%增加到10%時，抗壓強度均高于未摻加HCSA膨脹劑的混凝土。HCSA膨脹劑摻量為6%時，混凝土抗壓強度有明顯提高，HCSA膨脹劑摻量為8%的混凝土次之，而膨脹劑摻量為10%的混凝土抗壓強度僅稍微有所提高。養護7天時，就70天齡期來看，HCSA膨脹劑摻量為6%時，混凝土抗壓強度提高66%；HCSA膨脹劑摻量為8%時，混凝土抗壓強度提高32%；HCSA膨脹劑摻量為10%時，混凝土抗壓強度提高18%。

原因可能是粉煤灰在水化過程中會消耗掉水泥水化產生的Ca(OH)2，從而使得早期混凝土內部產生較多的孔隙，混凝土的內部結構較為疏松，而膨脹劑水化將會產生較多的膨脹產物和膨脹能，從而很好地填補了由于粉煤灰水化而產生的孔隙和空隙，使得混凝土內部的結構變得致密，從而提高了混凝土的抗壓強度。但是，膨脹劑摻量不同會產生不同的膨脹能。8%和10%摻量的HCSA膨脹劑混凝土，膨脹劑可能已經過摻，從而產生了部分有害的膨脹能，對混凝土抗壓強度的提高無益。

表1 混凝土試驗配合比（kg/m 3）

圖1 粉煤灰摻量50%時，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強度發展曲線

2.1.2 HCSA膨脹劑摻量對粉煤灰摻量為60%的混凝土抗壓強度的影響

粉煤灰摻量為60%時，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強度發展曲線如圖2所示。由圖2可以看出，不同養護時間下，HCSA膨脹劑的適當摻入可以提高混凝土的抗壓強度。并且，HCSA膨脹劑摻量為6%時能顯著改善大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強度，摻量為8%的有一定效果，而摻量為10%的效果不明顯，甚至一定齡期下有所降低。養護7天時，就70天齡期來看，HCSA膨脹劑摻量為6%時，混凝土抗壓強度提高23%；HCSA膨脹劑摻量為8%時，混凝土抗壓強度提高15%；HCSA膨脹劑摻量為10%時，混凝土抗壓強度降低3%，說明膨脹劑已經過摻，反而影響了混凝土的抗壓強度。

所以在HCSA膨脹劑的工程應用中，為了更好的發揮膨脹劑的膨脹效果，膨脹劑的摻量應有一定的限制，不可過摻。對于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，HCSA膨脹劑的摻量宜為6%。

2.2 養護時間對摻加6%HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

圖2 粉煤灰摻量60%時，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強度發展曲線

圖3 不同養護時間下，HCSA膨脹劑摻量為6%的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度發展曲線

不同養護時間下，HCSA膨脹劑摻量為6%的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度發展曲線如圖3所示。養護7天、14天、28天的混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度有一定提高。由圖3（a）可知，粉煤灰摻量為50%時，就70天齡期來看，養護7天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高13%，養護14天、28天，混凝土抗壓強度提高不明顯；由圖3（b）可知，粉煤灰摻量為60%時，就70天齡期來看，養護7天、14天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高12%，養護28天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高18%。

原因可能是，粉煤灰摻量為60%時，養護28天保證了水泥、粉煤灰、膨脹劑水化所需的水分和溫度得到充分供給，混凝土較為致密，強度得到明顯提高；而粉煤灰摻量為50%時，混凝土內部由于粉煤灰水化消耗Ca(OH)2產生的空隙和孔隙較粉煤灰摻量為60%時少，養護14天、28天，膨脹劑由于充足的水分和溫度加快了其膨脹作用，產生了過量的膨脹能，對混凝土抗壓強度提高反而不利。

在實際的工程應用中，養護時間的增長意味著工程成本的增加，故需要在混凝土強度和工程成本之間尋找出一個平衡點。由分析結果可以看出，對于粉煤灰摻量50%、60%的混凝土，養護7天，均是最優選擇。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

圖4 不同養護時間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的120d混凝土SEM圖

圖5 不同養護時間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的120d混凝土SEM圖

在足夠試樣掃描電鏡充分選點分析的基礎上，結合典型掃描電鏡照片對整體微觀特征做出如下分析。圖4為不同養護時間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的120d混凝土SEM圖。由圖4可以看出，對于HCSA膨脹劑摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的膨脹劑混凝土，不養護與養護28天的微觀結構形貌和水化產物有著很大的差異。圖4（a）中針狀及細棒狀的鈣礬石很少；圖4（b）中存在針狀及細棒狀的鈣礬石，呈草叢狀，密集地填充與混凝土的孔隙和縫隙中，與周圍的C-S-H凝膠交融生長。

圖5為不同養護時間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的120d混凝土SEM圖。由圖5可知，對于HCSA膨脹劑摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的膨脹劑混凝土，也可以發現前述現象，圖5（a）中基本全為C-S-H凝膠，只在縫隙中有少量的絲狀鈣礬石的生成，而圖5(b)中，針狀和細棒狀的鈣礬石密集地分布于混凝土的縫隙當中，且與周圍的C-S-H凝膠融為一體。

由此可以得出，養護有利于HCSA膨脹劑膨脹效能的發揮，有利于鈣礬石的生成，從而便于形成致密的混凝土內部結構，對混凝土強度的發展起著至關重要的作用。另外，養護也有利于水泥和粉煤灰的水化，有利于C-S-H凝膠與鈣礬石交融生成致密的水泥石結構。

結論

（1）適量的HCSA膨脹劑能顯著提高大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強度。對于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，HCSA膨脹劑的最佳摻量為6%。

（2）粉煤灰摻量為50%時，就70天齡期來看，養護7天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高13%，養護14天、28天，混凝土抗壓強度提高不明顯；粉煤灰摻量為60%時，就70天齡期來看，養護7天、14天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高12%，養護28天混凝土抗壓強度較不養護的混凝土抗壓強度提高18%。

（3）對于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，摻入6%的HCSA膨脹劑且棉被覆蓋澆水養護時，混凝土內部產生針狀及細棒狀的鈣礬石，密集填充在混凝土縫隙中，且與周圍的C-S-H凝膠交融生成致密的水泥石結構。

（4）對于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，同時考慮抗壓強度及成本效益，摻入6%的HCSA膨脹劑，棉被覆蓋澆水養護7天，效果最佳。

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