粉煤灰摻量對補償收縮混凝土的影響

武 強，安亞強

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粉煤灰摻量對補償收縮混凝土的影響

武 強，安亞強

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

為了探究粉煤灰摻量對補償收縮混凝土的強度和限制膨脹率的影響規律，通過對摻有不同粉煤灰摻量的補償收縮混凝土與基準混凝土進行對比試驗研究，得出了能使補償收縮混凝土達到最大膨脹率的粉煤灰的最優摻量為30%，并得到粉煤灰摻量與補償收縮混凝土的強度和限制膨脹率的基本規律并對此作了一定的理論分析。

粉煤灰; 補償收縮混凝土; 限制膨脹率; 強度

近年來，隨著對混凝土的研究和施工技術的進步，渠道、涵洞、池塘以及圍堰等蓄水和泄水建筑物的建設，尤其是水工建筑物建設的不斷涌現，其對混凝土的耐久性及混凝土在有水環境下的工作性能提出了更高要求。利用復合膨脹劑配置成的補償收縮混凝土具有較好的耐久性和在有水環境下的工作性能。

補償收縮混凝土是混凝土學的一個重要分支，其工程應用已經超過50年［1］，作為一種特殊混凝土，其具有較好的自防水效果，而且還可以縮短工期、節約成本。但是混凝土的裂滲問題還是不可避免，針對裂滲問題發生的特種原因，本文通過將不同劑量的粉煤灰參入混凝土中形成補償收縮混凝土，改善其力學性能，降低水化熱，提高混凝土的耐久性，達到減緩裂滲問題的目的。

1 作用機理

粉煤灰作為一種礦物摻和料具有良好的活性并能起到減水作用。由于粉煤灰具有玻璃微珠的顆粒特征［2］，在混凝土的攪拌過程中起到“滾珠軸承”作用，改善了混凝土的和易性，減少了用水量；其潛在的化學活性只有在較長的齡期才能提高混凝土的強度，還可降低水化熱，抑制堿-骨料反應、提高抗滲、抗化學腐蝕等耐久性能；粉煤灰還可與水泥水化產物或其他化學反應產物Ca(OH)2發生化學反應產生具有凝膠作用的硅酸鈣凝膠（C-S-H水化產物），進一步提高混凝土強度。粉煤灰的水化反應很慢［3］，而且會較長時間以固體顆粒的心態存在于混凝土內部，能起到一定的骨料填充作用和混功能圖的密實度［4］，因而顯著提高了混凝土的強度和抗化學侵蝕能力。

鈣礬石（AFt）是水化反應生成的一種晶體膨脹相，具有高溫穩定性，在80 ℃的濕熱環境中才可能脫水分解成單硫型硫鋁酸鈣（AFm），對于大體積補償收縮混凝土澆諸后2～3 d內部水化溫度達到60～80 ℃時，可能部分分解但維持時間極短并在降溫后馬上恢復AFt，而分解生成的AFm則在CaSO4和H2O同時存在條件下會再生成延遲鈣礬石。對于大體積的補償收縮混凝土不存在長期保持在80℃溫度和CaSO4遷移釋放的水環境，因此不可能存在延遲鈣礬石生成的可能性。鈣礬石的溶解度還會隨著溫度的升高而升高，隨著CaO濃度的提高而降低。當有可溶性碳酸鹽或鎂鹽時，AFt不穩定會分解，不能抵抗碳化。對于本文研究的補償收縮混凝土，堿度高，水化過程中生成大量的C-S-H凝膠能夠包裹住鈣礬石免受碳化和分解，其膨脹量和強度穩定并繼續發展［5］。

本文研究的摻有粉煤灰的補償收縮混凝土先發生水泥的水化反應，同時伴有膨脹劑的水化反應，產生鈣礬石、石膏、C-S-H凝膠和Ca(OH)2，最后粉煤灰與前期的水化產物Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，有利于提高混凝土的強度。如果粉煤灰摻量較小，無法消耗完前期產生的Ca(OH)2，則Ca(OH)2以晶體析出，體積膨脹，如若不斷增加粉煤灰摻量，隨著Ca(OH)2的消耗殆盡，膨脹量增長緩慢（主要是鈣礬石吸水腫脹），硅酸鈣凝膠（C-S-H膠體）增多，混凝土后期強度有所增長。

2 實驗部分

2.1 材料

UEA-S：咸陽市建筑材料有限公司五代UEA-S，性能指標見表1；

表1 UEA-S的技術指標

粉煤灰：咸陽市渭河電廠生產的二級粉煤灰，其具體的技術指標見表2；

表2 粉煤灰的技術指標

減水劑：咸陽市建筑材料有限公司生產的GJ-1高效減水劑，減水率為12%～25%；

水 泥：陜西陜西秦嶺水泥股份有限公司生產的PC32.5水泥，各項技術指標見表3；

表3 水泥的技術指標

骨 料：粗骨料采用卵石，細骨料采用中砂，骨料的各項技術指標見表4；

拌合水：采用陜西省咸陽地區自來水［6］。

表4 骨料的技術指標

2.2 試驗方法

本試驗采用的補償收縮混凝土是摻加了10%的UEA-S膨脹劑的混凝土，此外，根據有關研究并試拌，還摻加了0.3%的減水劑以改善混凝土的工作性，單位用水量為145 kg，砂率為30%，粉煤灰摻量分別取20%、25%、30%、35%、40%的膠凝材料，采用假定表觀密度法得到初步配合比，再經過試拌調整得到試驗配合比如下表5。

表5 試驗配合比

根據上表的試驗配合比，共分為6組進行試驗，每組試樣均測定其限制膨脹率、抗壓強度（28 d）、劈拉強度（28 d）。

結果見表6，本試驗中的補償收縮混凝土的養護采用前14 d水中養護［7］，14 d水養后轉為自然養護至28 d。

表6 試驗配合比

試驗所用儀器和過程見圖1、圖2。

圖1 混凝土收縮膨脹測定儀

Fig.1 The concrete contraction and expansion tester

圖2 縱向限制器

Fig.2 The longitudinal limiter

3 試驗結果及分析

3.1 補償收縮混凝土強度力學性能

根據實測結果見表7，得到圖3、圖4的關系曲線。

本試驗混凝土土設計強度等級為C20，由上述試驗結果可得，隨粉煤灰摻量增加補償收縮混凝土的28 d抗壓強度減小，當摻量為40%時28 d抗壓強度有所回升；當粉煤灰摻量不超過30%時，28 d的補償收縮混凝土抗壓強度基本均達到設計強度，超過30%時，補償收縮混凝土的抗壓強度至少能達到設計強度的87.5%；粉煤灰對補償收縮混凝土的劈拉強度影響不大，當粉煤灰摻量在20%～35%之間時，劈拉強度有所降低。

表7 養護28天強度結果

圖3 不同粉煤灰摻量下的混凝土抗壓強度曲線

Fig.3 The concrete compressive strength curve of different fly ash content

圖4 不同粉煤灰摻量下的混凝土劈拉強度曲線

Fig.4 The concrete splitting tensile strength curve of different fly ash content

本試驗補償收縮混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量增加而降低的原因主要在于，28 d混凝土內部水化及其他反應基本穩定下來，此時各因素對強度的影響也不會有較大的增長或減小基本趨于穩定，當粉煤灰摻量較小時，水泥用量減少造成的強度降低值大于粉煤灰促進水泥水化作用造成的強度增加值和膨脹劑水化反應造成的強度的增加值之和，從而強度降低；當粉煤灰摻量增加到一定值時，大摻量粉煤灰能夠繼續吸收部分水泥水化產物Ca(OH)2生成大量硅酸鈣凝膠，Ca(OH)2的消耗勢必也促進了水泥的水化作用［6］，從而強度稍微有所增加，也有可能水泥用量減少造成的強度降低值小于或等于粉煤灰促進水泥水化作用造成的強度增加值和膨脹劑水化反應造成的強度的增加值之和。

本試驗中摻有粉煤灰的補償收縮混凝土的強度比空白組的強度要低，主要原因在于水泥用量的減少導致水灰比的增大，從而降低了混凝土的強度，符合混凝強度影響的規律。雖然本試驗中加入了一定的粉煤灰和減水劑，但是水灰比降低混凝土后期強度比較大，最終導致摻有粉煤灰的補償收縮混凝土的強度有所降低。

3.2 補償收縮混凝土限制膨脹性能

根據圖5，可以看出：摻有30%粉煤灰的補償收縮混凝土的補償收縮效果最好；隨著粉煤灰摻量由20%到40%依次增大，補償收縮混凝土的限制膨脹率先增大再減小最后有所回升，粉煤灰在35%摻量時補償收縮混凝土的收縮量最大；與對照組相比發現，水養的補償收縮混凝土出現不同程度的膨脹，轉為自然養護時，補償收縮混凝土出現了不同程度的收縮［6］，隨著齡期的延長收縮趨于穩定。

水養膨脹干養收縮的原因在于水養環境為UEA-S水化形成鈣礬石提供充足的水環境，干養環境由于缺水鈣礬石不會吸水膨脹而且其晶體容易失水分解導致膨脹率下降甚至成為負值；隨著干養齡期延長，水的供給不足及缺乏，水泥、膨脹劑和粉煤灰的化學反應趨于停止，混凝土的膨脹率不再出現較大變化。

圖5 不同粉煤灰摻量下的補償收縮混凝土限制膨脹率曲線

Fig.5 The limit expansion curve of shrinkage-compensating concrete in different fly ash contents

此外，在養護60 d后，從限制膨脹試體中取出的限制器中的鋼筋與其裸露在外的端板相比均無明顯的銹蝕現象，這也表明粉煤灰的摻入大大減少了補償收縮混凝土內鋼筋的銹蝕，在一定程度上驗證了粉煤灰的抗化學侵蝕能力。

4 結論

通過以上試驗分析，可以得到如下結論：

（1）隨著粉煤灰摻量增加，28 d補償收縮混凝土強度先減小后有所回升，滿足抗壓強度要求的粉煤灰摻量為不大于30%，在水膠比一定條件下粉煤灰過多必然導致水泥用量減少，混凝土強度久降不升或者回升達不到要求；

（2）隨粉煤灰摻量增加，補償收縮混凝土的限制膨脹率先增大后減小最后有所回升，在摻量為30%時，補償效果最好，膨脹量最大，此粉煤灰摻量的補償收縮混凝土可用于渠道伸縮縫的填充［7］；

（3）試驗過程還發現摻有粉煤灰的補償收縮混凝土內部的鋼筋基本沒有受到腐蝕生銹，說明粉煤灰能使補償收縮混凝土具有良好的耐久性；

（4）粉煤灰作為工業廢料，用在混凝土中既可以減小水泥用量又可以增加混凝土的后期強度和耐久性，在工程領域的應用日益廣泛。

但是，不同的粉煤灰參量，不同的養護方式、不同的應用環境對這種特殊混凝土的應用性能都會產生不同的影響，在具體工程中應用時，應根據工程需求做進一步的探索研究。

［1］張巨松.混凝土學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2011-01.

［2］宓永寧，婁宗科.建筑材料[M].北京：中國農業出版社，2006-08.

［3］馬清潔.混凝土外加劑及建筑防水材料應用指南[M].北京：中國建材工業出版社，1998.

［4］李鵬，苗苗，苗芳，姜洪偉，馬曉杰.補償收縮混凝土變形性能的研究進展[J].硅酸鹽通報， 2016(1):193-198.

［5］朱顯鴿，安亞強，婁宗科.聚丙烯纖維對補償收縮混凝土力學性能的影響[J].人民黃河，2015(2): 130~135.

［6］ 朱長華，李享濤，王保江，謝永江.內養護補償收縮混凝土的抗裂性能[J].建筑材料學報，2015(3):1034-1038.

［7］宋春香. 補償收縮混凝土在渠道防滲工程中的應用研究[D].西北農林科技大學,2007.

The Impact of Fly Ash Dosage to the Shrinkage-Compensating Concrete

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(College of Civil Engineering Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi Xianyang 712000，China)

In order to explore the influence rule of the dosage of flyash on the strength and restrictive expansion rate of the shrinkage-compensating concrete, the shrinkage compensating concrete which was mixed with different dosages of fly ash was compared with the normal concrete. The test results show that, the optimal dosage of fly ash is 30% which is aimed to maximize the expansion and contraction rate of shrinkage-compensating concrete. Besides , the basic laws between the dosage of fly ash and the strength, the restrictive expansion rate of shrinkage compensating concrete are summarized, and some theoretical analyses were carried out.

Fly ash;Shrinkage-compensating concrete;Restrictive expansion rate;Strength

TQ 178

A

1671-0460（2017）08-1571-04

2016-12-20

武強（1982-），男，陜西省寶雞市人，講師，碩士，2010年畢業于西安建筑科技大學材料學專業，研究方向：從事建筑材料、建筑結構技術工作。E-mail：wqang08@163.com。