大摻量粉煤灰混凝土回彈測強曲線的試驗研究

劉國良

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511455）

眾所周知，混凝土結構工程是保障國家經濟增長和人民生命財產安全的生命線工程。2017 年，我國預拌混凝土年使用量已超 17 億立方米。大量的混凝土用于工業以及民用建筑。因此加強和完善對這些混凝土構建物的檢測是保障混凝土構建物結構安全的重要手段。檢測混凝土構建物質量的方法有很多，比如有損檢測和無損檢測，其中由于有損檢測會破壞混凝土結構，因此一般利用無損的方法檢測混凝土構建物的質量[1-3]。回彈法由于具有儀器攜帶方便、操作方法簡單、成本較低、不破壞混凝土構建物結構等優點成為混凝土質量檢測常用的方法[4-6]。另一方面，在生產水泥過程中會產生二氧化碳，大量水泥的生產及使用導致了大量二氧化碳的排放，造成了全球的溫室效應。粉煤灰由于具有微集料效應和活性效應，用粉煤灰代替等質量水泥，不但能夠減少水泥用量，間接減少二氧化碳的排放，而且能夠有效利用粉煤灰，避免資源的浪費。目前混凝土結構工程中一般都摻加大量的粉煤灰，然而，摻加粉煤灰后混凝土的結構組成等發生了改變，原有的國家回彈測強曲線已不適用于粉煤灰混凝土的質量檢測，因此建立粉煤灰混凝土的回彈測強曲線對準確評價粉煤灰混凝土質量安全、防范工程事故具有重要的工程實用價值。

1 試驗過程

1.1 原材料

水泥采用海螺 P·Ⅱ52.5 級水泥；粗骨料采用石灰巖碎石，粒徑范圍 10～20mm；細骨料采用普通河砂，細度模數為 2.70。水泥及粉煤灰的化學成分見表 1，混凝土的配比見表 2。

按照配合比成型混凝土，成型尺寸為 150mm×150mm×150mm（用于抗壓強度及回彈值測量試驗）和 100mm×100mm×300mm（用于測量混凝土碳化深度試驗），試樣脫模成型后先在標準養護室養護 28d，之后將混凝土試塊放在室外擺成品字形進行自然養護。

表 1 水泥熟料的化學組成

表 2 混凝土配合比 kg/m3

1.2 方法

1.2.1 回彈測試與計算

根據 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的回彈值。

1.2.2 抗壓強度

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的抗壓強度。

1.2.3 碳化深度測定

測量 100mm×100mm×300mm 的試塊在 28d、60d、120d 及 180d 時的碳化深度。首先將混凝土切開一個橫截面，然后用事先配置好的酚酞酒精溶液噴灑在混凝土橫截面上，到一定的時間后在混凝土紅色與非紅色交界處用碳化深度測量儀測量，精確到 0.5mm。

2 結果與分析

試驗結果見表 3。

2.1 水灰比的影響

圖 1 不同水灰比對混凝土抗壓強度的影響

圖 1 表示不同水灰比對混凝土抗壓強度的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小，混凝土的抗壓強度增大。從圖中還能看出同一水灰比下隨著齡期的增加，混凝土的抗壓強度增大。圖 2 表示不同水灰比對混凝土回彈值的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小，混凝土的回彈值增大。究其原因，由回彈儀的原理可知，測試時，當回彈儀的彈擊錘彈擊混凝土表面時，有一部分能量會被混凝土吸收，另外一部分能量會反彈回彈擊錘，反彈回彈擊錘的能量越大，混凝土的回彈值就越大。當混凝土的水灰比增加時，混凝土的水化產物減小，導致混凝土的孔隙率增大、密實度減小，從而當彈擊錘彈擊混凝土表面時被混凝土吸收的能量增加，反彈回彈擊錘的能量減小，故混凝土的回彈值減小。圖 3～5 表示混凝土的抗壓強度與回彈值在不同齡期下的比較。從圖中均能看到同一齡期下混凝土的抗壓強度大于混凝土的回彈值。

圖 2 不同水灰比對混凝土回彈值的影響

表 3 混凝土試驗結果

圖 3 0.60 水灰比下混凝土抗壓強度與回彈值比較

圖 4 0.50 水灰比下混凝土抗壓強度與回彈值比較

圖 5 0.40 水灰比下混凝土抗壓強度與回彈值比較

2.2 粉煤灰摻量的影響

圖 6 表示粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強度的影響。從圖中能夠看出在養護 28d 時，不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強度最大，且隨著粉煤灰摻量的增加混凝土的抗壓強度減小；隨著養護齡期的增加，摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強度最大，不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強度次之，摻加 45% 粉煤灰混凝土的抗壓強度最小。究其原因，一方面由于粉煤灰具有微集料效應和活性效應，其可以填充在混凝土的孔隙中又可以與混凝土中的水化產物發生二次水化反應生成更多的水化產物填充在混凝土的孔隙中，這會導致混凝土的密實度增加，從而會導致混凝土的抗壓強度增大，這體現為粉煤灰對混凝土的“正效應”；另一方面，由于粉煤灰取代了等質量的水泥，導致水泥水化生成的水化產物減小，從而增大了混凝土的孔隙，降低了混凝土的密實度，這體現為粉煤灰對混凝土的“負效應”。粉煤灰對混凝土的實際影響由以上“正負效應”共同決定，當粉煤灰摻量為 15%時，粉煤灰對混凝土的影響是“正效應”大于“負效應”；當粉煤灰摻量為 30% 及大于 30% 時，粉煤灰對混凝土的影響是“負效應”大于“正效應”。

圖7表示粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響。從圖中能看出當粉煤灰摻量為 15% 時，當養護齡期大于 60d 時混凝土的回彈值最大，不摻加粉煤灰混凝土的回彈值略小。從圖中還能看出，當粉煤灰摻量大于 30%時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的回彈值降低。這是因為一方面粉煤灰的密度要小于水泥的密度，在混凝土成型時，粉煤灰會富集在混凝土的表面，導致混凝土表面的粉煤灰含量相對較高，導致回彈值降低；另一方面，由于摻加大量的粉煤灰導致混凝土內部孔隙增大，從而反彈回彈擊錘的能力減小，導致混凝土的回彈值減小。另外，從表 3 可以看出，任一齡期下粉煤灰混凝土的抗壓強度均大于其回彈值。

圖 6 粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強度的影響

圖 7 粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響

2.3 對碳化深度的影響

圖 8 表示不同水灰比對混凝土碳化深度的影響，從圖中能夠看出 0.60 水灰比下混凝土的碳化深度最大，在養護 180d 后碳化深度已達 2.0mm，而此齡期下的0.50、0.40 水灰比下的混凝土的碳化深度分別為 1.5mm和 1.0mm。這是因為隨著水灰比的減小，混凝土的孔隙率減小，密實度增大，導致二氧化碳進入混凝土內部的傳輸速率減慢，從而碳化深度減小。

圖 8 不同水灰比對混凝土碳化深度的影響

圖 9 表示粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響。從圖中能夠看出摻加 15% 粉煤灰混凝土的碳化深度最小，不摻加粉煤灰混凝土的碳化深度次之，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的碳化深度增大。當摻加 45%粉煤灰時，混凝土在 180d 的碳化深度為 5.0mm。這表明摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗碳化能力最強，且隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力減弱。

圖 9 粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響

2.4 回彈測強曲線的建立

通過測量粉煤灰不同摻量混凝土在不同養護齡期下的抗壓強度、回彈值以及碳化深度，建立了大摻量粉煤灰混凝土的回彈測強方程[7-8]。

其中：f——混凝土抗壓強度換算值，精確到0.01MPa；

Rm——測區平均回彈值，精確到 0.1MPa；

Dm——測區平均碳化深度值，mm；

《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》規定地區測強曲線的平均相對誤差不應大于±14%，相對標準差不應大于 17%。因此采取通過計算曲線的平均相對誤差和相對標準差來評判擬合曲線的精度。其中平均相對誤差和平均標準差的計算規定如下：

其中：

fcu,i——測得的第 i 個試件的抗壓強度值，MPa；

n——試件個數。

根據公式 (2) 和 (3) 計算大摻量粉煤灰混凝土回彈曲線的平均相對誤差和平均標準差，δ=±7.8%＜±14%，σ=9.7%＜17%，r=0.876，(r 為相關性系數),這兩個指標明顯低于地區測強曲線的誤差要求，可知該曲線擬合效果較好。

3 結論

（1）摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強度和回彈值最大，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度和回彈值減小。

（2）建立了粉煤灰混凝土回彈測強曲線：f=0.0748R.689310-0.0263Dm。平均相對誤差和相對標準差均滿足 JGJ/T 23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》的要求。