趙劍　莊金平　馬永超　吳敏

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)　福建福州　3501082. 福州大學(xué)　福建福州　350108)

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粉煤灰摻量及水膠比對(duì)混凝土早齡期性能影響試驗(yàn)研究

趙劍1,2莊金平1馬永超1,2吳敏1

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)福建福州3501082. 福州大學(xué)福建福州350108)

采用正交試驗(yàn)方法，分析了粉煤灰摻量及水膠比對(duì)混凝土早齡期強(qiáng)度以及早期靜力受壓彈性模量的發(fā)展規(guī)律的影響。試驗(yàn)表明，混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大，且在0～4d，彈模有較快的增長，4d以后增長放緩。采用回歸分析方法，給出粉煤灰摻量分別為15%、25%和35%的C45混凝土早齡期彈性模量預(yù)測(cè)公式。

混凝土；早齡期強(qiáng)度；早齡期彈模；試驗(yàn)

根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定，在普通鋼筋混凝土中，粉煤灰最大摻量不宜超過35%，本文通過試驗(yàn)，主要研究了粉煤灰摻量在15%～35%的C35、C40、C45的混凝土分別在2d、4d、7d、14d和90d的立方體抗壓強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量的發(fā)展規(guī)律，并通過統(tǒng)計(jì)和回歸分析方法，得到預(yù)測(cè)其早期彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式，以供工程應(yīng)用及研究參考。

1　試驗(yàn)原材料

水泥：海螺425普通硅酸鹽水泥。實(shí)測(cè)強(qiáng)度fce=46MPa。

砂：閩江清水河砂，表觀密度2640kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6，屬于細(xì)砂，級(jí)配符合要求。

石：碎石，表觀密度2712kg/m3，骨料公稱粒徑5～16mm，連續(xù)級(jí)配。

粉煤灰：長樂江陰電廠二級(jí)粉煤灰。

2　實(shí)驗(yàn)方案

參考《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)正交對(duì)比方法設(shè)計(jì)對(duì)比組，實(shí)驗(yàn)變量為水膠比和粉煤灰摻量，分組情況如表1所示。試驗(yàn)齡期分為2、4、7、12d和90d。每一齡期各組試塊各準(zhǔn)備6個(gè)，其中3個(gè)立方體試塊(150×150×150mm)，用于測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度，3個(gè)棱柱體試塊(150×150×300mm)，用于測(cè)彈性模量。試塊采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。測(cè)試儀器采用彈性模量測(cè)定儀，彈性模量測(cè)定儀的上下環(huán)標(biāo)距150mm，上下環(huán)和棱柱體混凝土試塊的上下斷面距離75mm。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]規(guī)定，在測(cè)量彈性模量前先進(jìn)行相應(yīng)的立方體試塊的抗壓強(qiáng)度。彈性模量計(jì)算公式如式1所示。各齡期實(shí)測(cè)彈性模量及立方體抗壓強(qiáng)度如表2所示。

(1)

其中，Ec為彈性模量，P2為40%的極限破壞荷載，P1為應(yīng)力0.5MPa時(shí)的荷載，A為試件截面面積，L為上下環(huán)標(biāo)距，ΔL為應(yīng)力從0.5MPa增加到40%極限破壞應(yīng)力時(shí)的試件變形。

表1　各組對(duì)比參數(shù)

表2　各齡期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及彈性模量

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1早齡期立方體抗壓強(qiáng)度

從圖1中可以看出，總體上混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展受水膠比影響較大，對(duì)于越低的水膠比，其立方體抗壓強(qiáng)度增長越快。而且從強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律來看，對(duì)于粉煤灰摻量同為25%的組G1、G2和G3，其強(qiáng)度在0～4d內(nèi)有一個(gè)較快的發(fā)展，且水灰比越小強(qiáng)度增長越快。對(duì)于4d之后各組強(qiáng)度增長均逐步趨于平緩，而且從圖1中還可以看出，7～14d的強(qiáng)度增長速率G3>G2>G1，也即水灰比越大增長速率越快。

另外，圖2中不同粉煤灰摻量組G3、G4和G5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的發(fā)展有一定影響。對(duì)于低粉煤灰摻量組G4，其前期強(qiáng)度發(fā)展比G3和G5發(fā)展得快。這是由于混凝土強(qiáng)度主要受到水化作用影響，在混凝土早期硬化階段，主要發(fā)生的是水泥熟料礦物的水化反應(yīng)。另外，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，7d后，粉煤灰摻量較高的組強(qiáng)度增長速度相對(duì)會(huì)快一些，但總體上G3和G4的強(qiáng)度仍然略高于G5組。這是由于在這一階段水泥熟料礦物的水化反應(yīng)開始逐步減少，強(qiáng)度增長速率開始變緩。但是，從表2中水膠比相同的組G3、G4和G5的90天立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)比可以看出，由于后期粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)使得粉煤灰摻量高的組有相對(duì)較強(qiáng)的后期強(qiáng)度增長，各組的后期強(qiáng)度基本比較接近。

圖1水膠比對(duì)早期強(qiáng)度的影響

圖2粉煤灰摻量對(duì)早期強(qiáng)度的影響

3.2早齡期彈性模量

彈性模量也是混凝土的重要參數(shù)。從圖3中可以看出，在0～7d，水膠比對(duì)混凝土早期彈性模量有比較顯著的影響，水膠比越大，彈性模量越小，增長速度也較小，對(duì)于7～14d則影響不大。而且從表2可以看到，對(duì)于最終的90d彈性模量，水膠比越大，彈性模量越小。

圖3水膠比對(duì)早期彈模的影響

圖4粉煤灰摻量對(duì)早期彈模的影響

a.粉煤灰摻量15%擬合 b.粉煤灰摻量25%擬合 c.粉煤灰摻量35%擬合圖5　不同粉煤灰摻量下的公式擬合結(jié)果

另外，從圖4中可以看到，混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大?？傮w上，在0～7d，粉煤灰摻量少的組其彈模增長速度較快，但7～14d，粉煤灰摻量不同的組G3、G4和G5的彈模增長速率趨同，而且從表2可以看到，同水膠比的組最終彈模比較接近。這主要是由于混凝土的彈模發(fā)展主要受到水化作用的影響，因此，和粉煤灰摻量對(duì)早期強(qiáng)度的影響情況類似，早期的硬化速率主要受到水泥的熟料礦物的水化反應(yīng)程度的影響，粉煤灰摻量越高，其早期的水化反應(yīng)速率越低，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，參與水化的材料逐漸減少，水化速率逐漸降低，因此彈模增長速率放緩，但是后期由于粉煤灰的二次水化反應(yīng)，生成的C-S-H凝膠填充到各孔隙中，使結(jié)構(gòu)變得更加致密，最終使得不同粉煤灰摻量的三個(gè)組的最終彈模基本相近。同時(shí)，對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量對(duì)早期彈模的影響要高于水膠比的影響。

基于上述觀察，構(gòu)造一個(gè)指數(shù)函數(shù)和線性增長函數(shù)的組合函數(shù)來對(duì)彈性模量的增長情況進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。對(duì)于C45混凝土，通過回歸分析方法分別給出了當(dāng)粉煤灰摻量為15%、25%和35%時(shí)的早期彈模計(jì)算公式，分別如式2、式3和式4所示：

Ec=14.58×(1-e-0.666t)+0.208t

(2)

Ec=15.69×(1-e-0.866t)+0.173t

(3)

Ec=13.61×(1-e-0.559t)+0.23t

(4)

其中Ec為混凝土抗壓彈性模量，t為齡期。公式擬合效果如圖5所示。

上述回歸公式均能較好地吻合早齡期混凝土彈模增長規(guī)律，且按照公式計(jì)算得到的90d彈模也均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，偏差均不超過5%，可以作為相關(guān)研究以及工程應(yīng)用參考。

4　結(jié)論

(1)粉煤灰摻量為15%～35%的C35、C40和C45混凝土在0～4d立方體抗壓強(qiáng)度有較快的增長，4d以后增長較緩。

(2)粉煤灰摻量對(duì)混凝土早期立方體抗壓強(qiáng)度的發(fā)展有一定影響，越高的粉煤灰摻量其早期強(qiáng)度增長越緩，但對(duì)最終的強(qiáng)度影響不大。

(3)在0～7d，水膠比對(duì)早期彈性模量有一定影響，但在7～14d則影響不大。

(4)混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大，且在0～4d，彈模有較快的增長，4d以后增長放緩。

(5)本文提出的當(dāng)粉煤灰摻量為15%、25%和35%的C45混凝土早期彈模計(jì)算公式可以作為相關(guān)工程及研究參考借鑒。

[1]GB/T 50146-2014 粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014.

[2]JGJ55-2011 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]GB/T 50081-2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Experimental study on the effect of fly ash content and water cement ratio to the early age performance of concrete

ZHAO Jian1,2ZHUANG Jinping1MA Yongchao1,2WU Min1

(1. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering(Fujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108;2.Fuzhou University， Fuzhou 350108)

In this paper，the influence of fly ash content and water cement ratio on the early age strength and elastic modulus is studied by means of orthogonal testing method. The experiment result shows that，the fly ash content has great impact on the early age elastic modulus，and the elastic modulus develops rather fast at the beginning 4days，and after that grows slowly. And the predicting formulas of early elastic modulus of C45 concrete with fly ash content 15%，25% and 35% are given by the method of regression analysis，which can provide with some references for engineering application and research.

concrete；early age strength;early age elastic modulus；experiment

福建工程學(xué)院本科試驗(yàn)教學(xué)教改項(xiàng)目(SJ2013014)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510388027)

趙劍(1988-)，男，助理實(shí)驗(yàn)師。

E-mail: zhaojian@fjut.edu.cn

2016-04-14

TU5

A

1004-6135(2016)05-0095-03