大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

金明山，宋 楊，孫劍飛，丁 琳

(1.黑龍江農(nóng)墾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)有限公司，哈爾濱 150090； 2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

混凝土中摻入粉煤灰可有效降低混凝土的水化熱[1]。在大體積混凝土中應(yīng)用粉煤灰可抑制裂縫的產(chǎn)生[2]，因此大摻量粉煤灰混凝土的研究具有重要意義。工業(yè)活動(dòng)大量產(chǎn)生粉煤灰，導(dǎo)致污染日益嚴(yán)重[3]，粉煤灰的應(yīng)用既可減少環(huán)境污染，又能提高混凝土的性能[4]。

長期以來，在混凝土中摻入一定量粉煤灰，可作為水泥的替代材料。通常情況下，是在以下幾種場景中應(yīng)用的：在早期強(qiáng)度要求很低，長期強(qiáng)度大約在25～35 MPa的大體積水工混凝土中，大摻量粉煤灰替代水泥使用；在結(jié)構(gòu)混凝土中較少量地替代水泥；在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用[5]。經(jīng)研究分析，粉煤灰提高混凝土的性能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)可以產(chǎn)生水勢能，有利于減少混凝土的單位用水量，從而在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，減少水泥用量，減少混凝土的水化升溫和混凝土中溫度裂縫發(fā)生的概率，同時(shí)具有致密作用[6]；粉煤灰的火山灰效應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)勢能，可以提高混凝土的后期強(qiáng)度[7]；粉煤灰的微集料效應(yīng)所產(chǎn)生的致密勢能，可以減少混凝土有害孔的比例，有效提高混凝土的密實(shí)性，其化學(xué)作用的水化熱起到骨架作用，提高黏結(jié)強(qiáng)度，從而提高混凝土的抗裂性能[8]。

1 研究背景

粉煤灰作為混凝土拌和物的第五組分，即除了水泥、砂、石和水以外的另一種成分，其大量摻入能很好地提高混凝土的性能，常用于高性能混凝土中[9]。但由于粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度偏低，影響了它在實(shí)際工程中的使用。改善粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度是提高粉煤灰利用率的重要途徑[10]。針對(duì)如何提高粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度，趙群等開展了大摻量粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度研究[11]。早期混凝土的材料性能變化較大，進(jìn)行這項(xiàng)研究的主要目的在于增進(jìn)對(duì)早期混凝土材料性能的認(rèn)識(shí)和了解，以便采用較好的方法來解決早期混凝土的相關(guān)問題。

混凝土的早期強(qiáng)度直接影響到混凝土的施工進(jìn)度及預(yù)應(yīng)力混凝土的生產(chǎn)效率，因而受到越來越多的關(guān)注。在結(jié)構(gòu)混凝土中，大都以28d強(qiáng)度來設(shè)計(jì)的，隨著粉煤灰摻量的增加，早期強(qiáng)度降低越明顯，因此在結(jié)構(gòu)中限制粉煤灰的摻量[12]。在我國粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中規(guī)定，結(jié)構(gòu)混凝土中粉煤灰的摻量一般為15%～25%。近年來，混凝土的節(jié)能研究成為熱點(diǎn)，大摻量粉煤灰混凝土具有明顯節(jié)能、低熱等優(yōu)點(diǎn)。增加粉煤灰的摻量，提高粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度顯得尤為重要。

許多研究表明，粉煤灰混凝土具有早期強(qiáng)度低、后期強(qiáng)度高、強(qiáng)度增長持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。相對(duì)普通混凝土，大摻量粉煤灰混凝土膠凝組分重心有所偏移，粉煤灰被視為混凝土的一個(gè)獨(dú)立組分，目前高質(zhì)量粉煤灰和高效減水劑的開發(fā)利用，為研究性能優(yōu)異的大摻量粉煤灰混凝土提供了機(jī)遇。

本文從選材、配制以及添加化學(xué)外摻劑等方面探討如何改善大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度。與普通混凝土相比，大摻量粉煤灰混凝土由于在普通混凝土的基礎(chǔ)上摻加了粉煤灰，粉煤灰效應(yīng)明顯，對(duì)混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生了重大影響，通過在混凝土中摻入減水劑、引氣劑、粉煤灰活性激發(fā)劑等外加劑，提高大摻量粉煤灰混凝土的性能。對(duì)大摻量粉煤灰混凝土配合比設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，大摻量粉煤灰混凝土在摻加激發(fā)劑情況下，能夠提高混凝土早期的抗壓強(qiáng)度，具有很好的應(yīng)用開發(fā)前景。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

本試驗(yàn)根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 5150-2006)和《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080-2016)進(jìn)行飽和大摻量粉煤灰混凝土試樣的制備。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)依據(jù)混凝土的工程性質(zhì)與特點(diǎn)、工程寒區(qū)環(huán)境條件以及施工條件，結(jié)合水泥特性進(jìn)行合理選擇，水泥強(qiáng)度等級(jí)和混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)相適應(yīng)。試驗(yàn)采用天鵝牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥物理力學(xué)性能見表1。粉煤灰采用黑龍江火電公司生產(chǎn)磨細(xì)一級(jí)粉煤灰，河沙采用細(xì)度模數(shù)Mx為2.5、含泥量為0.8%的比較堅(jiān)硬、級(jí)配良好的河沙。砂的種類及有害雜質(zhì)含量見表2。石子為質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的石灰?guī)r碎石，針、片狀小于3%，其最大粒徑Dmax≤12 mm，含泥量≤0.5%，吸水率<1%。使用黑龍江省低溫建筑材料研究院生產(chǎn)的WND減水劑。混凝土拌和用水和混凝土養(yǎng)護(hù)用水為飲用水，滿足混凝土拌和用水水質(zhì)要求，見表3。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 砂的種類和有害雜質(zhì)含量

表3 混凝土拌和用水水質(zhì)要求

2.2 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)混凝土采用機(jī)械拌和方法拌制，水灰比為0.25，制作兩組試件(圖1)，每組12個(gè)立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，詳細(xì)材料用量見表4。將每3個(gè)試件為一個(gè)小組，澆筑24 h以后拆模，分別放置在恒溫(20±2℃)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)浸泡養(yǎng)護(hù)3、7和14 d。

圖1 混凝土試件制作

表4 混凝土材料用量表

2.3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)和《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)的有關(guān)規(guī)定，對(duì)A、B兩組試件進(jìn)行無損檢測和立方體軸心抗壓強(qiáng)度檢測。將A1-A3為一組，用于3 d強(qiáng)度檢測；A4-A6為一組，用于7 d強(qiáng)度檢測；A7-A9為一組，用于14 d強(qiáng)度檢測；B1-B3為一組，用于3 d強(qiáng)度測量；B4-B6為一組，用于7 d強(qiáng)度檢測；B7-B9為一組，用于14 d強(qiáng)度測量。試驗(yàn)分別使用回彈儀和壓力機(jī)進(jìn)行無損測驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件加載破壞形式見圖2；記錄30次無損檢測回彈值并計(jì)算平均值，見表5。

圖2 混凝土破壞形式

表5 試件回彈值

續(xù)表5

按下式計(jì)算混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcc(計(jì)算精確至0.01 MPa)：

fcc=P/A

式中：P為破壞荷載，N；A為試件面積，mm2(本試件為標(biāo)準(zhǔn)立方體，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，即受壓面積A=150×150 mm2)。

根據(jù)試驗(yàn)記錄18塊試件破壞荷載P，按上式計(jì)算fcc，結(jié)果見表6。

根據(jù)表5和表6,分別繪制A組﹑B組早期強(qiáng)度與大摻量粉煤灰的關(guān)系折線圖，見圖3和圖4。

圖3 A組早期強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系折線圖

圖4 B組早期強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系折線圖

表6 試件抗壓強(qiáng)度

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，大摻量粉煤灰混凝土試件早期強(qiáng)度都隨所含粉煤灰摻量增加而降低。3 d-7 d兩組試件抗壓強(qiáng)度和回彈值明顯增加，7 d-14 d試件抗壓強(qiáng)度大幅增加，回彈值也不斷增加。但由于兩組試件粉煤灰摻量不同，粉煤灰水化的程度也不相同，A組混凝土試件含水率并沒有下降，反而略有提升，可能是因?yàn)樵嚰蟹勖夯宜潭容^完全，含水率的增加可能與影響含水率的因素中除粉煤灰水化外的其他因素有關(guān)。而B組混凝土試件的粉煤灰摻量為70%時(shí)，試件中粉煤灰可能依然進(jìn)行著水化作用，從而導(dǎo)致含水率有所下降。

大摻量粉煤灰混凝土試件早期強(qiáng)度都隨粉煤灰的增加而降低，可預(yù)測兩組試件的含水率值最終都會(huì)在一個(gè)數(shù)值附近波動(dòng)，且不再發(fā)生明顯變化，大摻量粉煤灰混凝土試件的強(qiáng)度將增加至最大。大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低，影響了粉煤灰混凝土在工程中的應(yīng)用，但粉煤灰的摻量對(duì)混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展有幫助。

3 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)研究大摻量粉煤灰對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響，結(jié)論如下：

1) 隨著混凝土中粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，特別是7 d和14 d的早期強(qiáng)度，最低值只有基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度的17%。但是對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度來說，與基準(zhǔn)組達(dá)到了同一水平。此外，隨著齡期的增長，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度是能夠不斷發(fā)展的，而且發(fā)展的速率比普通的基準(zhǔn)組的要快。

2) 隨著養(yǎng)護(hù)大摻量混凝土齡期的增長，混凝土抗壓強(qiáng)度是升高的。對(duì)于普通混凝土，齡期的增長混凝土抗壓強(qiáng)度升高的幅度較小，后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢；對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土，齡期的增長混凝土抗壓強(qiáng)度升幅較大，其后期強(qiáng)度發(fā)展迅速，特別是隨著粉煤灰摻量的增加，強(qiáng)度發(fā)展速率增長。因此，依據(jù)大摻量粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展的特性，建議將其后期抗壓強(qiáng)度值作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。