摻粉煤灰混凝土強度劣化試驗研究

劉彥清, 馬亞利

(1.河北道橋工程檢測有限公司, 石家莊 050031; 2.石家莊鐵道大學四方學院, 石家莊 051133)

由于各種工程中均會用到混凝土,導致混凝土的需求量直線上升,進而使得水泥的需求量也隨之提升,大量生產水泥,會加劇溫室效應[1-3]。同時,工業發展形成了很多工業廢渣,其中粉煤灰占據比例較高,為環境帶來巨大的負擔[4]。為解決水泥高排放與高能耗問題,并減少工業廢渣,相關領域研究人員發現在某些工程中利用粉煤灰替換少量水泥,可節省水泥用量,節約生產成本,并消化掉粉煤灰。然而,粉煤灰摻量過多,會降低混凝土強度。因此,需要研究粉煤灰對混凝土力學性能的影響,為改善混凝土的強度與抗碳化能力提供科學依據,提升工程質量[5]。

中國一些學者對此展開了研究,如李永靖等[6]通過單軸抗壓強度試驗分析混凝土抗壓強度劣化情況,試驗環境為凍融-碳化,試驗得知:先凍融后碳化的試件強度劣化程度高于先碳化后凍融,添加適量的水膠比,會減慢混凝土抗壓強度在凍融與碳化環境下的劣化速度,為寒冷地區制備摻粉煤灰混凝土提供參考。但該方法未考慮酸性水對混凝土強度的影響。趙小明等[7]通過建立凍融循環損傷模型,衡量混凝土的損傷程度,通過二次函數衰減模型實現數據擬合,研究凍融環境下,粉煤灰摻量對混凝土質量損失的影響,分析混凝土強度變化規律,試驗得知:所構建模型的擬合效果較佳,可得到凍融損傷程度,摻入適當的粉煤灰,可降低混凝土質量損失,緩解強度劣化情況。但上述方法僅分析凍融環境下的強度劣化情況,混凝土不僅受凍融環境影響,還易受酸性水環境影響。馬映昌等[8]對低溫作用下沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度影響進行分析,進行單摻沙漠砂、單摻粉煤灰、雙摻沙漠砂和粉煤灰混凝土在室溫,-10、-20、-30 ℃時的抗壓強度試驗,分析溫度、沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響規律。該方法并未考慮碳化與酸性水對混凝土強度的影響。

為了更全面地分析凍融、碳化與酸性水環境下,摻粉煤灰混凝土的強度影響情況,通過制備摻粉煤灰混凝土試件,進行試件強度劣化試驗,為寒冷地區與雨水偏多地區的混凝土制備提供參考,提升工程質量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

摻粉煤灰混凝土包含粉煤灰(H);細度模數是2.96,最大粒徑是6 mm的中砂(Z);粒徑4.86～9.61 mm的碎石(S)[8];水泥(N)與自來水,其中H的檢測報告如表1所示。水泥成分如表2所示。設計七種類型的摻粉煤灰混凝土試件,七種類型試件配合比如表3所示,速凝劑添加重量為水泥重量的5.1%。

表1 H的檢測報告Table 1 H test report

表2 水泥成分表Table 2 Cement composition table

表3 七種類型試件的配合比Table 3 Mix proportion of seven types of specimens

1.2 試件制作

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)制備160 mm×160 mm×160 mm的摻粉煤灰混凝土試件,摻粉煤灰混凝土制備過程中,在攪拌機內添加碎石、水泥、粉煤灰、中砂,開始攪拌,加料時間需低于3 min,攪拌結束后[9-10]。在水中添進減水劑,令其混合均勻,并緩慢添進攪拌機,所有水添加完成后,不斷攪拌3 min左右,隨后將混合物添至試模內,通過搗振臺壓實,成形后,經由標準養護室養護1～4周。

1.3 試驗方案

通過萬能壓力試驗機實施強度劣化試驗[11],測試試件的抗壓及劈拉強度,以試件側面為承壓面,放上鋼墊板后,施加荷載,速度是0.4～0.6 MPa/s,在試件近似破壞狀態情況下,該試件會馬上出現變形現象,此時需更改試驗機加壓油門,以試件完全破壞為止,記錄試件的破壞載荷[12]。

依據破壞載荷求解試件的抗壓強度f與劈拉強度f′,公式為

(1)

式(1)中:A為試件承壓面積;A′為劈裂面積;F為萬能壓力試驗機作用力。

摻粉煤灰混凝土抗壓強度耐蝕系數Kf的計算公式為

(2)

摻粉煤灰混凝土的使用環境各式各樣,其強度劣化的環境因素較多,包含凍融環境、碳化環境、酸性水環境。

凍融試驗:將標養4周的試件放入水中,浸泡1 d令其處于飽水狀態,取出采用塑料薄膜密封試件[13],放進凍融箱內,凍融循環100次,取出試件利用萬能壓力試驗機展開強度劣化試驗,測試試件的f與f′,單個循環過程是在15 ℃時保持2 h,隨后在2 h中將溫度降到-15 ℃,并保持7 h,再1 h中將溫度升到15 ℃,其中,溫度上升或下降時的速度需保持一致。

碳化試驗:利用干燥箱干燥試件,時間為24 h,在碳化箱中放入干燥后的試件[14-16],碳化箱的溫度是25 ℃、濕度是75%、CO2含量是25%,碳化時間是1～20 d,取出試件利用萬能壓力試驗機展開強度劣化試驗,測試試件的f與f′。

酸性腐蝕試驗的具體步驟如下:

步驟1在試件養護完成前兩天,擦干其水分,進行烘干處理,烘干時間為50 h,烘干溫度為84 ℃,烘干后將其冷卻到室溫的溫度,展開干濕循環試驗,干濕循環液體包含酸性水和H2SO4,pH為1。

步驟2將試件放進干濕循環液體內,浸泡時間為16 h,取出并風干1.5 h。

步驟3將試件溫度升至75 ℃并保持5 h,升溫時間控制在25 min以內。

步驟4單個干濕循環時間是24 h,開始下一循環,操作結束后,利用萬能壓力試驗機進行摻粉煤灰混凝土強度劣化試驗,測試試件f與f′。

2 試驗分析

2.1 摻粉煤灰含量對混凝土強度劣化的影響

分析不同粉煤灰含量時,摻粉煤灰混凝土在不同齡期時試件的抗壓強度f和劈拉強度f′的劣化情況,結果分別如圖1、圖2所示。

圖1 試件抗壓強度劣化情況Fig.1 Deterioration of compressive strength of specimens

圖2 試件劈拉強度劣化情況Fig.2 Deterioration of splitting tensile strength of specimens

由圖1可知,各試件的粉煤灰摻量均隨齡期的延長而提升;相同齡期時,粉煤灰摻量增加,試件的f均先上升后下降,當粉煤灰摻量為30%時,各齡期時試件的f均達到峰值;說明粉煤灰摻量較少時,試件的f有所上升,原因是在混凝土內添加粉煤灰后,降低了水泥濃度,當粉煤灰摻量低于30%(包含30%)時,水化反應前期,水泥反應較小,造成前期試件的f較低,此時粉煤灰具備二次水化反應特點,可吸納沒有反應的Ca(OH)2,形成C-S-H凝膠,提升試件密實度,粉煤灰摻量增加,C-S-H凝膠越多,因此,粉煤灰摻量較少時,試件的f,隨粉煤灰摻量的增加而提升;粉煤灰摻量過多時,試件的f依舊會出現劣化現象,原因是粉煤灰摻量較多時,膠凝材料水化反應有限,造成試件結構出現松散情況,加快試件強度劣化速度。試驗證明:粉煤灰摻量未超過30%(包含30%)時,試件的f未出現劣化現象,粉煤灰摻量超過30%時,粉煤灰摻量越多,試件的f劣化程度越大。

由圖2可知,各試件的劈拉強度f′均隨齡期的延長而提升;齡期為1～2周時,在粉煤灰摻量未超過30%(包含30%)時,試件的f′劣化幅度較小,當粉煤灰摻量超過30%時,試件的f′劣化速度加快;齡期為3～4周時,各粉煤灰摻量下試件的f′劣化速度基本一致,劣化速度均較慢。試驗證明:增加粉煤灰摻量,會加快試件的f′劣化程度,延長齡期,會減緩試件的f′劣化速度。

2.2 水膠比對強度劣化的影響

分析不同水膠比時,混凝土在不同齡期時抗壓強度f與劈拉強度f′的劣化情況,結果分別如圖3、圖4所示。

圖3 水膠比對抗壓強度的影響Fig.3 Effect of water-binder ratio on compressive strength

圖4 水膠比對劈拉強度的影響Fig.4 Effect of water-binder ratio on splitting tensile strength

由圖3可知,水膠比一致時,試件的f與齡期具有正相關關系,且f受齡期影響較大;齡期一致時,增加水膠比含量,試件的f開始出現劣化,劣化程度較輕。試驗證明:試件f劣化程度受齡期影響較大,增加水膠比含量,會提升試件f劣化程度。

由圖4可知,齡期延長,各水膠比情況下的試件f′均呈小幅度上升趨勢,受齡期影響較小;齡期一致時,試件f′劣化程度隨水膠比的提升而下降,下降幅度較大。試驗證明:齡期對試件f′影響較小,增加水膠比含量,會大幅度提升試件的f′劣化程度。

2.3 凍融循環對強度劣化的影響

以齡期4周為例,分析凍融循環下,試件抗壓、劈拉強度的劣化情況,分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 凍融循環對試件抗壓強度的影響Fig.5 Effect of freeze-thaw cycle on compressive strength of specimens

圖6 凍融循環對劈拉強度的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw cycle on splitting tensile strength

由圖5可知,隨著凍融循環次數的增加,試件的f均出現不同程度的劣化情況,原因是凍融作用下,試件結構內的水分會凝結成冰,開始膨脹,融化后開始收縮,試件反復經歷冰凍與融化,導致其內部縫隙變大,降低結構穩定性,加快f劣化速度;粉煤灰摻量為10%與20%時,f在次數少于50次時,試件f劣化速度較慢,當次數超過50次時,試件f劣化速度較快;粉煤灰摻量為30%時,試件f最高,f呈緩慢線性趨勢劣化,原因粉煤灰具備二次水化作用,當粉煤灰摻量適中時,會縮小試件凝結時的孔隙率,減少試件內部含水量,緩解試件在凍融循環作用下的縫隙擴展程度,降低f劣化速度;粉煤灰摻量為40%與50%時,前期試件f劣化速度較快,后期劣化速度較慢并趨于穩定。實驗證明:凍融循環環境會加快不同摻量粉煤灰混凝土的f的劣化程度,粉煤灰摻量為30%時f劣化程度最輕。

由圖6可知,凍融環境下,各試件的f′均有所降低,粉煤灰摻量與f′存在正相關關系;當次數低于50次時,各試件的f′劣化速度均較為緩慢,當次數超過50次時,各試件的f′劣化速度均較快;粉煤灰摻量為10%～30%時,f′在凍融循環作用下的劣化程度基本一致,不同循環次數下的f′值相差較小;粉煤灰摻量為40%與50%時,在循環次數低于50次時,與前三個試件的f′值相差較小,當循環次數超過50次時,f′值明顯低于前三個試件。試驗表明:凍融環境下,試件的f′會出現劣化情況,凍融循環次數較少時,對試件f′劣化速度影響較小,凍融循環次數較大時,會加快試件f′劣化速度,H摻量超過30%時,f′劣化速度更快。

2.4 凍融循環對試件強度劣化的影響

以A3類型試件、齡期4周為例,分析碳化作用下,試件抗壓強度f與劈拉強度f′的變化情況,結果如表4所示。

表4 碳化時試件抗壓、劈拉強度測試結果Table 4 Test results of compressive strength and splitting tensile strength of specimens during carbonization

由表4可知,隨著碳化時間的延長,試件的f與f′均呈現先上升后下降的趨勢,當碳化時間為13 d時,試件的f與f′均達到峰值;當碳化時間超過13 d時,試件的f與f′均出現劣化現象,當碳化時間為20 d時,試件的f與f′均超過未進行碳化處理的試件,原因是碳化時間延長,會加強試件密實度,導致其f與f′提升,避免f與f′出現劣化情況。

2.5 酸性水環境對試件強度劣化的影響

以齡期4周為例,分析酸性水環境下,試件抗壓、劈拉強度的劣化情況,分析結果如表5所示。

表5 酸性水環境下試件抗壓、劈拉強度劣化程度Table 5 Deterioration degree of compressive strength and splitting tensile strength of specimens in acidic water environment

由表5可知,干濕循環下,各試件的抗壓及劈拉強度均值與抗腐蝕系數均與干濕循環次數存在負相關關系;干濕循環次數一致時,增加試件摻粉煤灰量,試件的抗壓及劈拉強度與抗腐蝕系數的變化趨勢一致,均是先增長后下降,其中三個指標的峰值均出現在粉煤灰摻量為30%的混凝土,相比未展開干濕循環試件的抗壓及劈拉強度,均有所降低,說明干濕循環會導致試件出現強度劣化情況。

3 結論

摻粉煤灰混凝土強度易受凍融與酸性水環境等因素影響,為此利用碎石與粉煤灰等材料制備試件,利用萬能壓力試驗機測試試件在不同環境時的破壞載荷,依據破壞載荷計算試件的抗壓及劈拉強度,分析試件強度劣化情況。試驗結果表明:粉煤灰摻量為10%與20%時,試件抗壓強度在凍融循環次數少于50次時,試件劣化速度較慢,循環次數超過50次時,試件劣化速度較快;摻量為30%時,試件抗壓強度最高,抗壓強度呈緩慢線性趨勢劣化,即凍融環境會加快試件抗壓強度的劣化程度,粉煤灰摻量為30%時抗壓強度劣化程度最輕;凍融環境下,試件的劈拉強度會出現劣化情況,循環次數較少時,對試件劈拉強度劣化速度影響較小,循環次數較大時,試件劈拉強度劣化速度較快,其中粉煤灰摻量超過30%時,劈拉強度劣化速度更快;干濕循環次數越多,試件抗壓及劈拉強度與抗腐蝕系數越小,摻粉煤灰量為30%時,試件抗壓及劈拉與抗腐蝕系數均較高,說明酸性水環境下,試件會出現強度劣化情況。