王祖琦 劉娟紅 侯芳芳

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

隨著資源、能源和環(huán)境問(wèn)題的日漸突出，低碳的綠色混凝土成為水泥混凝土可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1-3]。大摻量粉煤灰混凝土作為綠色混凝土的一種在工程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者，試圖從降低水膠比、使用高效減水劑[4-6]、控制粉煤灰摻量[7]、補(bǔ)償收縮[8-11]、平衡內(nèi)部堿環(huán)境[12,13]等方面提高大摻量粉煤灰混凝土的性能。對(duì)于利用膨脹劑提高大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度方面的研究也有所涉及[14,15]。但一般研究的齡期較短，粉煤灰摻量較少，所得結(jié)論對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土不一定適用。另一方面，隨著建筑工程施工速度的加快、工期的縮短，拆模時(shí)間提前，大摻量粉煤灰混凝土早期的養(yǎng)護(hù)得不到保障，其性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響。因此，養(yǎng)護(hù)時(shí)間的研究對(duì)于平衡工程成本和混凝土強(qiáng)度的發(fā)展至關(guān)重要。

為此，本文研究了較長(zhǎng)齡期下，膨脹劑摻量以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并通過(guò)掃描電鏡觀察了大摻量粉煤灰混凝土在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和形貌特征，探討了膨脹劑、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理，同時(shí)得出最佳輔助膠凝材料摻量以及最優(yōu)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅股份有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.8%，初凝時(shí)間為180min，終凝時(shí)間為320min，3d抗折強(qiáng)度為3.9MPa，抗壓強(qiáng)度為16.0MPa；28d抗折強(qiáng)度為7.1MPa，抗壓強(qiáng)度為49.5MPa。

粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度11.2（45μm篩余量），需水量比102%。

膨脹劑：中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制的HCSA高效混凝土膨脹劑。

骨料：粗骨料為人工碎石，料堆積密度為1510kg/m3，表觀密度為2650kg/m3，孔隙率為42.0%；細(xì)骨料為天然河砂，堆積密度為1660kg/m3，表觀密度為2560kg/m3，孔隙率為42.9%。

減水劑：北京市方興化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的JF-1高效減水劑（固體含量為40%）。

水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法及配合比

保持粉煤灰摻量（50%、60%）不變，改變HCSA膨脹劑摻量（0%、6%、8%和10%）和養(yǎng)護(hù)時(shí)間（0天，7天，14天，28天），采用200t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試邊長(zhǎng)為100mm的立方體試件不同齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

在HCSA膨脹劑摻量6%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間0天和28天的120天齡期混凝土試件內(nèi)部取樣，在FEI Quanta250環(huán)境掃描電鏡下觀察混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和形貌特征。

其中，養(yǎng)護(hù)0天，為成型后直接置于自然環(huán)境中，7天拆模后繼續(xù)放置于自然環(huán)境中；養(yǎng)護(hù)x天，為成型后棉被覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)至7天拆模，繼續(xù)放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至x天后放置于自然環(huán)境中?；炷猎囼?yàn)配合比見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 HCSA膨脹劑摻量對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 HCSA膨脹劑摻量對(duì)粉煤灰摻量為50%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰摻量為50%時(shí)，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖1所示。由圖1可以看出，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，HCSA膨脹劑的摻量從6%增加到10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均高于未摻加HCSA膨脹劑的混凝土。HCSA膨脹劑摻量為6%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯提高，HCSA膨脹劑摻量為8%的混凝土次之，而膨脹劑摻量為10%的混凝土抗壓強(qiáng)度僅稍微有所提高。養(yǎng)護(hù)7天時(shí)，就70天齡期來(lái)看，HCSA膨脹劑摻量為6%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高66%；HCSA膨脹劑摻量為8%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高32%；HCSA膨脹劑摻量為10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高18%。

原因可能是粉煤灰在水化過(guò)程中會(huì)消耗掉水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2，從而使得早期混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的孔隙，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，而膨脹劑水化將會(huì)產(chǎn)生較多的膨脹產(chǎn)物和膨脹能，從而很好地填補(bǔ)了由于粉煤灰水化而產(chǎn)生的孔隙和空隙，使得混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得致密，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是，膨脹劑摻量不同會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹能。8%和10%摻量的HCSA膨脹劑混凝土，膨脹劑可能已經(jīng)過(guò)摻，從而產(chǎn)生了部分有害的膨脹能，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高無(wú)益。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比（kg/m 3）

圖1 粉煤灰摻量50%時(shí)，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線

2.1.2 HCSA膨脹劑摻量對(duì)粉煤灰摻量為60%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰摻量為60%時(shí)，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖2所示。由圖2可以看出，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，HCSA膨脹劑的適當(dāng)摻入可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。并且，HCSA膨脹劑摻量為6%時(shí)能顯著改善大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度，摻量為8%的有一定效果，而摻量為10%的效果不明顯，甚至一定齡期下有所降低。養(yǎng)護(hù)7天時(shí)，就70天齡期來(lái)看，HCSA膨脹劑摻量為6%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高23%；HCSA膨脹劑摻量為8%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高15%；HCSA膨脹劑摻量為10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低3%，說(shuō)明膨脹劑已經(jīng)過(guò)摻，反而影響了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

所以在HCSA膨脹劑的工程應(yīng)用中，為了更好的發(fā)揮膨脹劑的膨脹效果，膨脹劑的摻量應(yīng)有一定的限制，不可過(guò)摻。對(duì)于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，HCSA膨脹劑的摻量宜為6%。

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)摻加6%HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 粉煤灰摻量60%時(shí)，不同HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線

圖3 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，HCSA膨脹劑摻量為6%的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，HCSA膨脹劑摻量為6%的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖3所示。養(yǎng)護(hù)7天、14天、28天的混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度有一定提高。由圖3（a）可知，粉煤灰摻量為50%時(shí)，就70天齡期來(lái)看，養(yǎng)護(hù)7天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高13%，養(yǎng)護(hù)14天、28天，混凝土抗壓強(qiáng)度提高不明顯；由圖3（b）可知，粉煤灰摻量為60%時(shí)，就70天齡期來(lái)看，養(yǎng)護(hù)7天、14天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高12%，養(yǎng)護(hù)28天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高18%。

原因可能是，粉煤灰摻量為60%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28天保證了水泥、粉煤灰、膨脹劑水化所需的水分和溫度得到充分供給，混凝土較為致密，強(qiáng)度得到明顯提高；而粉煤灰摻量為50%時(shí)，混凝土內(nèi)部由于粉煤灰水化消耗Ca(OH)2產(chǎn)生的空隙和孔隙較粉煤灰摻量為60%時(shí)少，養(yǎng)護(hù)14天、28天，膨脹劑由于充足的水分和溫度加快了其膨脹作用，產(chǎn)生了過(guò)量的膨脹能，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高反而不利。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)意味著工程成本的增加，故需要在混凝土強(qiáng)度和工程成本之間尋找出一個(gè)平衡點(diǎn)。由分析結(jié)果可以看出，對(duì)于粉煤灰摻量50%、60%的混凝土，養(yǎng)護(hù)7天，均是最優(yōu)選擇。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的120d混凝土SEM圖

圖5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的120d混凝土SEM圖

在足夠試樣掃描電鏡充分選點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型掃描電鏡照片對(duì)整體微觀特征做出如下分析。圖4為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的120d混凝土SEM圖。由圖4可以看出，對(duì)于HCSA膨脹劑摻量為6%、粉煤灰摻量為50%的膨脹劑混凝土，不養(yǎng)護(hù)與養(yǎng)護(hù)28天的微觀結(jié)構(gòu)形貌和水化產(chǎn)物有著很大的差異。圖4（a）中針狀及細(xì)棒狀的鈣礬石很少；圖4（b）中存在針狀及細(xì)棒狀的鈣礬石，呈草叢狀，密集地填充與混凝土的孔隙和縫隙中，與周?chē)腃-S-H凝膠交融生長(zhǎng)。

圖5為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下HCSA摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的120d混凝土SEM圖。由圖5可知，對(duì)于HCSA膨脹劑摻量為6%、粉煤灰摻量為60%的膨脹劑混凝土，也可以發(fā)現(xiàn)前述現(xiàn)象，圖5（a）中基本全為C-S-H凝膠，只在縫隙中有少量的絲狀鈣礬石的生成，而圖5(b)中，針狀和細(xì)棒狀的鈣礬石密集地分布于混凝土的縫隙當(dāng)中，且與周?chē)腃-S-H凝膠融為一體。

由此可以得出，養(yǎng)護(hù)有利于HCSA膨脹劑膨脹效能的發(fā)揮，有利于鈣礬石的生成，從而便于形成致密的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。另外，養(yǎng)護(hù)也有利于水泥和粉煤灰的水化，有利于C-S-H凝膠與鈣礬石交融生成致密的水泥石結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

（1）適量的HCSA膨脹劑能顯著提高大摻量粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，HCSA膨脹劑的最佳摻量為6%。

（2）粉煤灰摻量為50%時(shí)，就70天齡期來(lái)看，養(yǎng)護(hù)7天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高13%，養(yǎng)護(hù)14天、28天，混凝土抗壓強(qiáng)度提高不明顯；粉煤灰摻量為60%時(shí)，就70天齡期來(lái)看，養(yǎng)護(hù)7天、14天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高12%，養(yǎng)護(hù)28天混凝土抗壓強(qiáng)度較不養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度提高18%。

（3）對(duì)于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，摻入6%的HCSA膨脹劑且棉被覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生針狀及細(xì)棒狀的鈣礬石，密集填充在混凝土縫隙中，且與周?chē)腃-S-H凝膠交融生成致密的水泥石結(jié)構(gòu)。

（4）對(duì)于粉煤灰摻量為50%、60%的混凝土，同時(shí)考慮抗壓強(qiáng)度及成本效益，摻入6%的HCSA膨脹劑，棉被覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)7天，效果最佳。

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