粉煤灰和錳渣對混凝土0～24 h收縮性能的影響*

汪 益，胡 瑜，楊潔珍，吳福飛

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

混凝土早期容易發(fā)生塑性收縮導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生開裂[1]。影響收縮的原因有混合料種類[2]、摻量組成[3]、試樣尺寸[4]、骨料含量、粒徑[5]、溫度、施工、養(yǎng)護條件[6-7]等等，這些因素都將導(dǎo)致混凝土收縮產(chǎn)生裂縫。當(dāng)裂縫超過合理范圍將嚴(yán)重影響建筑物的使用壽命，給人們生產(chǎn)生活帶來不便[1]。而在建筑行業(yè)中用的混凝土通常都是帶裂縫工作的[8]，所以為了建筑物能正常使用，我們首先應(yīng)該控制混凝土的收縮變形[9]。

粉煤灰作為建筑行業(yè)常用的材料之一，因其來源廣泛，價格低廉，用于建筑中可減少生產(chǎn)成本。據(jù)研究，粉煤灰因具有形態(tài)效應(yīng)與微集料效應(yīng)可以有效抑制混凝土的早期開裂，將粉煤灰應(yīng)用于混凝土中可以改善混凝土的收縮問題[10]。

高排放、高能耗、高污染的電解錳行業(yè)產(chǎn)生的錳渣會對環(huán)境造成不利影響[11]，為解決這個問題，國內(nèi)的研究人員對電解錳行業(yè)和錳渣在混凝土中的應(yīng)用進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)電解錳產(chǎn)生的錳渣不僅可以用于農(nóng)業(yè)和制作建筑行業(yè)中的陶瓷磚[12-13]，還可以用于混凝土行業(yè)中。梁驍[14]在錳渣粉配制輕質(zhì)高強混凝土的試驗研究中提出以錳渣為材料的混凝土性能良好，可以有效解決錳渣的處理問題；周代軍等[15]在其研究中提出加入錳渣會影響混凝土的收縮性能；國外的MOISés Frias等[16]也對錳渣在混凝土中的應(yīng)用進行了研究。據(jù)向鵬等[17]研究，將粉煤灰和錳渣等礦物投入混凝土應(yīng)用中可以節(jié)約生產(chǎn)成本，保護壞境。另外韓靜云等[18]在其研究中提出外加劑對混凝土的塑性收縮和抗裂性能具有不利的影響。綜上所述，將粉煤灰、錳渣作為摻合料入混凝土中，不僅可以降低生產(chǎn)成本，也可以促進建筑行業(yè)節(jié)能減排，保護壞境。所以研究粉煤灰和錳渣對混凝土塑性收縮和抗裂性能的影響具有實際的應(yīng)用價值。故本文擬通過研究外加劑和粉煤灰、錳渣等摻合料對混凝土0～24 h內(nèi)塑性收縮的影響，為工程應(yīng)用中混凝土收縮開裂的控制提供實踐依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

本實驗采用各項指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》質(zhì)量要求的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰由貴州欣恒福黔西加工廠提供，技術(shù)等級為Ⅱ級，細度2.62 g/cm3，密度2.58 g/cm3，比表面積3600 cm2/g；錳渣由貴州松桃武陵錳業(yè)集團提供，經(jīng)粉磨篩分得到細度為2.60 g/cm3，密度2.95 g/cm3，比表面積4520 cm2/g。各項材料的礦物組成見表1。外加劑使用聚羧酸減水劑，其固含量30%，減水率30%，推薦劑量0.2%～1.0%；細骨料采用細度模數(shù)2.5的天然砂，粗骨料為粒徑不大于20 mm的碎石；實驗中的水均為自來水。

表1 材料的礦物組成Table 1 Mineral composition of the material

1.2 實驗方法

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的接觸收縮法，實驗成型100 mm100 mm100 mm的立方體試模，使用百分表測量其收縮值。實驗條件：溫度為(20±2)℃，相對濕度為60%±5%，恒溫恒濕條件下帶模進行測試，測試時間從加水?dāng)嚢?0 min開始，之后每隔1 h讀取一次百分表的示數(shù)并記錄，持續(xù)時間為24 h。

1.3 實驗方案與配合比

為了探究摻合料和聚羧酸減水劑對混凝土塑性收縮性能的影響，經(jīng)實驗調(diào)配確定，以砂率為45%、水膠比為0.50的混凝土配合比為對照組，保持水膠比和砂率不變的情況下分別單摻粉煤灰和錳渣，探究其對混凝土塑性收縮的影響。摻合料采用等量取代水泥的方法，粉煤灰及礦粉的摻量分別為0、10%、20%、30%、40%；復(fù)摻方面，保證摻合料占膠凝材料總量的20%，只改變基準(zhǔn)配合比中錳渣和粉煤灰的相對摻量。配合比見表2。

表2 實驗配合比Table 2 Test mix ratio

2 結(jié)果與分析

2.1 聚羧酸減水劑對混凝土0～24 h收縮的影響

圖1 聚羧酸減水劑摻量對混凝土0～24 h收縮的影響Fig.1 Effect of polycarboxylic acid water reducer content on shrinkage of concrete in 0～24 h

聚羧酸減水劑對混凝土0～24 h收縮的影響規(guī)律如下：在混凝土成型2 h前的收縮速率較快，2 h后的收縮速率基本不變。這是由于在相同條件下，摻入減水劑能夠降低混凝土的泌水性能。隨著自由水的揮發(fā)形成空隙，從而影響混凝土的致密性；在水泥硬化過程中，硬化的水泥石由于不受負壓作用，導(dǎo)致混凝土變形過大。在圖1中表現(xiàn)為0～2 h前的曲線變化速率較快。減水劑摻量為0.4%、0.8%、1.2%時，與對照組相比，各組的相對收縮值分別增加了10%、26%、33%。減水劑的摻量為0.4%和0.8%時，二者對混凝土的收縮影響基本相同。從W4曲線可以看出在21 h后混凝土還存在收縮變化，在24 h時達到其最大收縮值。減水劑摻量為1.2%時，明顯增加了混凝土在0～24 h內(nèi)的收縮值，并使其收縮過程延長；在摻量為0.4%和0.8%時，增大的收縮值基本一致。總結(jié)可以得出：減水劑的加入可以有效延緩水泥的水化作用，使混凝土的早期凝結(jié)硬化減慢，在水膠比相同的情況下，減水劑摻量越大，混凝土保持塑性的時間越長，流變性越大，可以提高混凝土抵抗收縮變形的能力。

2.2 粉煤灰摻量對混凝土0～24 h收縮的影響

粉煤灰對混凝土0～24 h收縮的影響規(guī)律如下：相較與對照組混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為20%和30%時對混凝土的收縮有抑制作用，且摻量為30%時，抑制效果最佳。兩組與對照組混凝土相比，摻量為30%時，其相對收縮值最大降低了10%；而摻量為20%時，雖然有一定的抑制作用，但效果不明顯。在粉煤灰摻量為10%和40%時，反而加快了混凝土的塑性收縮。通過在測試齡期為2 h時對曲線縱向比較可知，在同一齡期，該摻量下的混凝土的縱坐標(biāo)值更大。通過對已有資料的整理：混凝土的收縮主要與水泥的水化反應(yīng)和體積變形有關(guān)，當(dāng)采用粉煤灰等量取代水泥后，由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，火山灰反應(yīng)的時間較長，它的活性成分與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物成為凝膠的一部分，使得膠凝體系的水化程度降低，混凝土早期的有效水灰比增大，最終在混凝土內(nèi)部形成較為均勻的結(jié)構(gòu)；另一方面，當(dāng)粉煤灰摻量較大時，由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)，在拌和混凝土?xí)r，隨著攪拌的進行粉煤灰將分散到水泥漿體中填充部分顆粒空隙，由此改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)摻量為40%時，過量的粉煤灰會影響混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因為沒有完全反應(yīng)而留在混凝土內(nèi)部導(dǎo)致混凝土原有的致密均勻的結(jié)構(gòu)被破壞，從而增大了混凝土的收縮；摻量為10%時，粉煤灰等量取代水泥的量較少，自身的特性不明顯，由于其與減水劑發(fā)生協(xié)同作用，促進了減水劑的減水效果，所以混凝土的收縮量也有相應(yīng)程度的增加。由此可見摻入粉煤灰可對混凝土的塑性收縮起一定抑制作用，但抑制效果不與粉煤灰摻量成正相關(guān)。在李貞、王新杰、武強等的研究中，使用的粉煤灰對混凝土的收縮也有類似的作用。研究表明[19-21]：在一定摻量下，隨著粉煤灰摻量的增加，塑性收縮降低，但是粉煤灰摻量較大時，塑性收縮有增加的趨勢。因此對粉煤灰的使用還需要針對不同的情況，選取一個合適的摻量。

圖2 粉煤灰摻量對混凝土0～24 h收縮的影響Fig.2 Effect of fly ash content on shrinkage of concrete in 0～24 h

2.3 錳渣摻量對混凝土0～24 h收縮的影響

圖3 錳渣摻量對混凝土0～24 h收縮的影響Fig.3 Effect of manganese slag content on shrinkage of concrete in 0～24 h

錳渣對混凝土0～24 h收縮的影響規(guī)律如下：隨著錳渣摻量的增加，與對照組相比，其余各組混凝土的收縮值都有不同程度的降低。當(dāng)摻量為40%時，混凝土的收縮值最小，在4～20 h內(nèi)的收縮值為0.19 mm，與摻入粉煤灰(30%)抑制效果最好的實驗組比較，粉煤灰在4～20 h內(nèi)的收縮值為0.39 mm，兩者差了0.2 mm；結(jié)合圖2和圖3分析可知，摻錳渣時混凝土降低的最大收縮值是55%，摻粉煤灰時降低的最大收縮值是10%，兩者相差了45%。可見摻入錳渣對混凝土0～24 h的收縮抑制作用優(yōu)于粉煤灰。隨著錳渣摻量的增加，混凝土的收縮值依次降低了47%、27.5%、50%、55%，其中最大降低了55%，由此可見錳渣對混凝土的收縮存在一個最佳摻量的選擇。綜上，可以發(fā)現(xiàn)錳渣對混凝土的收縮有很好的抑制作用。據(jù)研究[22-23]：錳渣對水泥的水化過程與硅酸鹽水泥的水化過程相似，其主要區(qū)別在于水泥中的錳渣的水化過程和水化產(chǎn)物，摻有20%錳渣的水泥在水化早期的水化產(chǎn)物和未水化顆粒相互穿插存在，可以密實混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而有效地降低了混凝土的收縮。結(jié)合實驗過程及數(shù)據(jù)分析，隨著錳渣摻量增加，減少了水泥用量的同時，由于錳渣的有效成分和水泥大致相同，在混凝土終凝之前，減少了混凝土內(nèi)的惰性成分，使混凝土能夠保持良好的體積穩(wěn)定性，能夠較好的抑制混凝土的塑性收縮。但是由于實驗中錳渣的比表面積較大，且錳渣具有高吸水性，其摻量過大會導(dǎo)致混凝土不易成型，影響混凝土的力學(xué)性能，在實驗時須加以高效減水劑或使用較大的水膠比才能保證混凝土的和易性。

2.4 復(fù)摻粉煤灰和錳渣對混凝土0～24 h收縮的影響

圖4 復(fù)摻粉煤灰和錳渣對混凝土0～24 h收縮的影響Fig.4 Effect of mixed fly ash and manganese slag on shrinkage of concrete in 0～24 h

復(fù)摻摻和料對混凝土0～24 h收縮的影響規(guī)律如下：當(dāng)粉煤灰和錳渣的相對摻量為10%、10%和14%、6%時(摻合料占膠凝材料總量的20%)，二者對混凝土0～24 h的收縮影響基本一致，在0～2 h前混凝土的收縮變化速率較快，之后的齡期內(nèi)趨于平緩。與未加入摻合料的實驗組相比，這兩種情況下混凝土的最大相對收縮值都降低了42.2%。當(dāng)粉煤灰和錳渣的相對摻量為16%、4%時，對混凝土的收縮也有一定的抑制作用，但在5 h前混凝土仍有較大的變形。分析曲線的變化可知，隨著粉煤灰相對摻量的增加，混凝土的收縮值變化不大。在粉煤灰和錳渣的相對摻量為12%、8%時，其曲線變化與基準(zhǔn)實驗組基本一致，而且在6 h后的曲線變化中可以發(fā)現(xiàn)，存在某些時間點的收縮值要略大基準(zhǔn)實驗組，說明在該摻量下，復(fù)摻摻合料對混凝土的收縮基本沒有影響，還可能會有相應(yīng)程度的促進。

與單摻粉煤灰相比，復(fù)摻條件下混凝土的最大收縮值增加了32.5%。與單摻錳渣相比，其最大收縮值降低了12.5%。由此可見，本實驗中復(fù)摻粉煤灰和錳渣對混凝土的收縮抑制效果優(yōu)于單摻粉煤灰，但劣于單摻錳渣。分析本文粉煤灰和錳渣對混凝土塑性收縮作用，可知，在同一水膠比條件下，粉煤灰和錳渣等質(zhì)量替代水泥，能改善混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，使粗毛細孔含量增加，細毛細孔含量降低，降低塑性收縮；而錳渣能使混凝土保持良好的體積穩(wěn)定性，較好的抑制混凝土的塑性收縮。錳渣和粉煤灰的摻入使得漿體孔結(jié)構(gòu)細化的同時也降低了孔隙的連通性，阻止了毛細孔水分的過多蒸發(fā)，能有效抑制混凝土塑性收縮，故雙摻混凝土的塑性收縮低于對照組混凝土，當(dāng)粉煤灰和錳渣摻加總量不變時，隨著粉煤灰相對摻量的增大，混凝土的收縮值有一定程度的增加。表明混凝土的塑性收縮不僅與摻合料的種類，礦物組成有關(guān)，還與其相對摻量有密切的聯(lián)系。

3 結(jié) 論

(1)水膠比相同時，減水劑摻量越大，混凝土的變形越大，混凝土塑性收縮的時間越長。對混凝土塑性收縮性能影響最大的減水劑摻量為1.2%；

(2)單摻法條件下，粉煤灰的最佳摻量為30%，錳渣的最佳摻量為40%。實驗表明：不同種類的摻合料對混凝土收縮抑制效果不同，錳渣對混凝土塑性收縮的抑制作用優(yōu)于粉煤灰；

(3)復(fù)摻粉煤灰和錳渣對混凝土塑性收縮的抑制效果優(yōu)于單摻粉煤灰，劣于單摻錳渣。改變粉煤灰和錳渣的相對摻量對混凝土塑性收縮的影響較大，粉煤灰摻量為二者總量的10%和14%時(摻和料占膠凝材料總量的20%)，抑制作用最強。