武 強(qiáng)，安亞強(qiáng)

?

粉煤灰摻量對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的影響

武 強(qiáng)，安亞強(qiáng)

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

為了探究粉煤灰摻量對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的強(qiáng)度和限制膨脹率的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)摻有不同粉煤灰摻量的補(bǔ)償收縮混凝土與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了能使補(bǔ)償收縮混凝土達(dá)到最大膨脹率的粉煤灰的最優(yōu)摻量為30%，并得到粉煤灰摻量與補(bǔ)償收縮混凝土的強(qiáng)度和限制膨脹率的基本規(guī)律并對(duì)此作了一定的理論分析。

粉煤灰; 補(bǔ)償收縮混凝土; 限制膨脹率; 強(qiáng)度

近年來(lái)，隨著對(duì)混凝土的研究和施工技術(shù)的進(jìn)步，渠道、涵洞、池塘以及圍堰等蓄水和泄水建筑物的建設(shè)，尤其是水工建筑物建設(shè)的不斷涌現(xiàn)，其對(duì)混凝土的耐久性及混凝土在有水環(huán)境下的工作性能提出了更高要求。利用復(fù)合膨脹劑配置成的補(bǔ)償收縮混凝土具有較好的耐久性和在有水環(huán)境下的工作性能。

補(bǔ)償收縮混凝土是混凝土學(xué)的一個(gè)重要分支，其工程應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)50年［1］，作為一種特殊混凝土，其具有較好的自防水效果，而且還可以縮短工期、節(jié)約成本。但是混凝土的裂滲問(wèn)題還是不可避免，針對(duì)裂滲問(wèn)題發(fā)生的特種原因，本文通過(guò)將不同劑量的粉煤灰參入混凝土中形成補(bǔ)償收縮混凝土，改善其力學(xué)性能，降低水化熱，提高混凝土的耐久性，達(dá)到減緩裂滲問(wèn)題的目的。

1 作用機(jī)理

粉煤灰作為一種礦物摻和料具有良好的活性并能起到減水作用。由于粉煤灰具有玻璃微珠的顆粒特征［2］，在混凝土的攪拌過(guò)程中起到“滾珠軸承”作用，改善了混凝土的和易性，減少了用水量；其潛在的化學(xué)活性只有在較長(zhǎng)的齡期才能提高混凝土的強(qiáng)度，還可降低水化熱，抑制堿-骨料反應(yīng)、提高抗?jié)B、抗化學(xué)腐蝕等耐久性能；粉煤灰還可與水泥水化產(chǎn)物或其他化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生具有凝膠作用的硅酸鈣凝膠（C-S-H水化產(chǎn)物），進(jìn)一步提高混凝土強(qiáng)度。粉煤灰的水化反應(yīng)很慢［3］，而且會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間以固體顆粒的心態(tài)存在于混凝土內(nèi)部，能起到一定的骨料填充作用和混功能圖的密實(shí)度［4］，因而顯著提高了混凝土的強(qiáng)度和抗化學(xué)侵蝕能力。

鈣礬石（AFt）是水化反應(yīng)生成的一種晶體膨脹相，具有高溫穩(wěn)定性，在80 ℃的濕熱環(huán)境中才可能脫水分解成單硫型硫鋁酸鈣（AFm），對(duì)于大體積補(bǔ)償收縮混凝土澆諸后2～3 d內(nèi)部水化溫度達(dá)到60～80 ℃時(shí)，可能部分分解但維持時(shí)間極短并在降溫后馬上恢復(fù)AFt，而分解生成的AFm則在CaSO4和H2O同時(shí)存在條件下會(huì)再生成延遲鈣礬石。對(duì)于大體積的補(bǔ)償收縮混凝土不存在長(zhǎng)期保持在80℃溫度和CaSO4遷移釋放的水環(huán)境，因此不可能存在延遲鈣礬石生成的可能性。鈣礬石的溶解度還會(huì)隨著溫度的升高而升高，隨著CaO濃度的提高而降低。當(dāng)有可溶性碳酸鹽或鎂鹽時(shí)，AFt不穩(wěn)定會(huì)分解，不能抵抗碳化。對(duì)于本文研究的補(bǔ)償收縮混凝土，堿度高，水化過(guò)程中生成大量的C-S-H凝膠能夠包裹住鈣礬石免受碳化和分解，其膨脹量和強(qiáng)度穩(wěn)定并繼續(xù)發(fā)展［5］。

本文研究的摻有粉煤灰的補(bǔ)償收縮混凝土先發(fā)生水泥的水化反應(yīng)，同時(shí)伴有膨脹劑的水化反應(yīng)，產(chǎn)生鈣礬石、石膏、C-S-H凝膠和Ca(OH)2，最后粉煤灰與前期的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，有利于提高混凝土的強(qiáng)度。如果粉煤灰摻量較小，無(wú)法消耗完前期產(chǎn)生的Ca(OH)2，則Ca(OH)2以晶體析出，體積膨脹，如若不斷增加粉煤灰摻量，隨著Ca(OH)2的消耗殆盡，膨脹量增長(zhǎng)緩慢（主要是鈣礬石吸水腫脹），硅酸鈣凝膠（C-S-H膠體）增多，混凝土后期強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料

UEA-S：咸陽(yáng)市建筑材料有限公司五代UEA-S，性能指標(biāo)見(jiàn)表1；

表1 UEA-S的技術(shù)指標(biāo)

粉煤灰：咸陽(yáng)市渭河電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，其具體的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；

表2 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

減水劑：咸陽(yáng)市建筑材料有限公司生產(chǎn)的GJ-1高效減水劑，減水率為12%～25%；

水 泥：陜西陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的PC32.5水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3；

表3 水泥的技術(shù)指標(biāo)

骨 料：粗骨料采用卵石，細(xì)骨料采用中砂，骨料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4；

拌合水：采用陜西省咸陽(yáng)地區(qū)自來(lái)水［6］。

表4 骨料的技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用的補(bǔ)償收縮混凝土是摻加了10%的UEA-S膨脹劑的混凝土，此外，根據(jù)有關(guān)研究并試拌，還摻加了0.3%的減水劑以改善混凝土的工作性，單位用水量為145 kg，砂率為30%，粉煤灰摻量分別取20%、25%、30%、35%、40%的膠凝材料，采用假定表觀密度法得到初步配合比，再經(jīng)過(guò)試拌調(diào)整得到試驗(yàn)配合比如下表5。

表5 試驗(yàn)配合比

根據(jù)上表的試驗(yàn)配合比，共分為6組進(jìn)行試驗(yàn)，每組試樣均測(cè)定其限制膨脹率、抗壓強(qiáng)度（28 d）、劈拉強(qiáng)度（28 d）。

結(jié)果見(jiàn)表6，本試驗(yàn)中的補(bǔ)償收縮混凝土的養(yǎng)護(hù)采用前14 d水中養(yǎng)護(hù)［7］，14 d水養(yǎng)后轉(zhuǎn)為自然養(yǎng)護(hù)至28 d。

表6 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)所用儀器和過(guò)程見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 混凝土收縮膨脹測(cè)定儀

Fig.1 The concrete contraction and expansion tester

圖2 縱向限制器

Fig.2 The longitudinal limiter

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 補(bǔ)償收縮混凝土強(qiáng)度力學(xué)性能

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，得到圖3、圖4的關(guān)系曲線。

本試驗(yàn)混凝土土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，由上述試驗(yàn)結(jié)果可得，隨粉煤灰摻量增加補(bǔ)償收縮混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度減小，當(dāng)摻量為40%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度有所回升；當(dāng)粉煤灰摻量不超過(guò)30%時(shí)，28 d的補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度基本均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，超過(guò)30%時(shí)，補(bǔ)償收縮混凝土的抗壓強(qiáng)度至少能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的87.5%；粉煤灰對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的劈拉強(qiáng)度影響不大，當(dāng)粉煤灰摻量在20%～35%之間時(shí)，劈拉強(qiáng)度有所降低。

表7 養(yǎng)護(hù)28天強(qiáng)度結(jié)果

圖3 不同粉煤灰摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

Fig.3 The concrete compressive strength curve of different fly ash content

圖4 不同粉煤灰摻量下的混凝土劈拉強(qiáng)度曲線

Fig.4 The concrete splitting tensile strength curve of different fly ash content

本試驗(yàn)補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加而降低的原因主要在于，28 d混凝土內(nèi)部水化及其他反應(yīng)基本穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)各因素對(duì)強(qiáng)度的影響也不會(huì)有較大的增長(zhǎng)或減小基本趨于穩(wěn)定，當(dāng)粉煤灰摻量較小時(shí)，水泥用量減少造成的強(qiáng)度降低值大于粉煤灰促進(jìn)水泥水化作用造成的強(qiáng)度增加值和膨脹劑水化反應(yīng)造成的強(qiáng)度的增加值之和，從而強(qiáng)度降低；當(dāng)粉煤灰摻量增加到一定值時(shí)，大摻量粉煤灰能夠繼續(xù)吸收部分水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成大量硅酸鈣凝膠，Ca(OH)2的消耗勢(shì)必也促進(jìn)了水泥的水化作用［6］，從而強(qiáng)度稍微有所增加，也有可能水泥用量減少造成的強(qiáng)度降低值小于或等于粉煤灰促進(jìn)水泥水化作用造成的強(qiáng)度增加值和膨脹劑水化反應(yīng)造成的強(qiáng)度的增加值之和。

本試驗(yàn)中摻有粉煤灰的補(bǔ)償收縮混凝土的強(qiáng)度比空白組的強(qiáng)度要低，主要原因在于水泥用量的減少導(dǎo)致水灰比的增大，從而降低了混凝土的強(qiáng)度，符合混凝強(qiáng)度影響的規(guī)律。雖然本試驗(yàn)中加入了一定的粉煤灰和減水劑，但是水灰比降低混凝土后期強(qiáng)度比較大，最終導(dǎo)致?lián)接蟹勖夯业难a(bǔ)償收縮混凝土的強(qiáng)度有所降低。

3.2 補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹性能

根據(jù)圖5，可以看出：摻有30%粉煤灰的補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償收縮效果最好；隨著粉煤灰摻量由20%到40%依次增大，補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率先增大再減小最后有所回升，粉煤灰在35%摻量時(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的收縮量最大；與對(duì)照組相比發(fā)現(xiàn)，水養(yǎng)的補(bǔ)償收縮混凝土出現(xiàn)不同程度的膨脹，轉(zhuǎn)為自然養(yǎng)護(hù)時(shí)，補(bǔ)償收縮混凝土出現(xiàn)了不同程度的收縮［6］，隨著齡期的延長(zhǎng)收縮趨于穩(wěn)定。

水養(yǎng)膨脹干養(yǎng)收縮的原因在于水養(yǎng)環(huán)境為UEA-S水化形成鈣礬石提供充足的水環(huán)境，干養(yǎng)環(huán)境由于缺水鈣礬石不會(huì)吸水膨脹而且其晶體容易失水分解導(dǎo)致膨脹率下降甚至成為負(fù)值；隨著干養(yǎng)齡期延長(zhǎng)，水的供給不足及缺乏，水泥、膨脹劑和粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)趨于停止，混凝土的膨脹率不再出現(xiàn)較大變化。

圖5 不同粉煤灰摻量下的補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率曲線

Fig.5 The limit expansion curve of shrinkage-compensating concrete in different fly ash contents

此外，在養(yǎng)護(hù)60 d后，從限制膨脹試體中取出的限制器中的鋼筋與其裸露在外的端板相比均無(wú)明顯的銹蝕現(xiàn)象，這也表明粉煤灰的摻入大大減少了補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，在一定程度上驗(yàn)證了粉煤灰的抗化學(xué)侵蝕能力。

4 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）隨著粉煤灰摻量增加，28 d補(bǔ)償收縮混凝土強(qiáng)度先減小后有所回升，滿足抗壓強(qiáng)度要求的粉煤灰摻量為不大于30%，在水膠比一定條件下粉煤灰過(guò)多必然導(dǎo)致水泥用量減少，混凝土強(qiáng)度久降不升或者回升達(dá)不到要求；

（2）隨粉煤灰摻量增加，補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率先增大后減小最后有所回升，在摻量為30%時(shí)，補(bǔ)償效果最好，膨脹量最大，此粉煤灰摻量的補(bǔ)償收縮混凝土可用于渠道伸縮縫的填充［7］；

（3）試驗(yàn)過(guò)程還發(fā)現(xiàn)摻有粉煤灰的補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部的鋼筋基本沒(méi)有受到腐蝕生銹，說(shuō)明粉煤灰能使補(bǔ)償收縮混凝土具有良好的耐久性；

（4）粉煤灰作為工業(yè)廢料，用在混凝土中既可以減小水泥用量又可以增加混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

但是，不同的粉煤灰參量，不同的養(yǎng)護(hù)方式、不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)這種特殊混凝土的應(yīng)用性能都會(huì)產(chǎn)生不同的影響，在具體工程中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需求做進(jìn)一步的探索研究。

［1］張巨松.混凝土學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011-01.

［2］宓永寧，婁宗科.建筑材料[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006-08.

［3］馬清潔.混凝土外加劑及建筑防水材料應(yīng)用指南[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1998.

［4］李鵬，苗苗，苗芳，姜洪偉，馬曉杰.補(bǔ)償收縮混凝土變形性能的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)， 2016(1):193-198.

［5］朱顯鴿，安亞強(qiáng)，婁宗科.聚丙烯纖維對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土力學(xué)性能的影響[J].人民黃河，2015(2): 130~135.

［6］ 朱長(zhǎng)華，李享濤，王保江，謝永江.內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土的抗裂性能[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2015(3):1034-1038.

［7］宋春香. 補(bǔ)償收縮混凝土在渠道防滲工程中的應(yīng)用研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2007.

The Impact of Fly Ash Dosage to the Shrinkage-Compensating Concrete

,

(College of Civil Engineering Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi Xianyang 712000，China)

In order to explore the influence rule of the dosage of flyash on the strength and restrictive expansion rate of the shrinkage-compensating concrete, the shrinkage compensating concrete which was mixed with different dosages of fly ash was compared with the normal concrete. The test results show that, the optimal dosage of fly ash is 30% which is aimed to maximize the expansion and contraction rate of shrinkage-compensating concrete. Besides , the basic laws between the dosage of fly ash and the strength, the restrictive expansion rate of shrinkage compensating concrete are summarized, and some theoretical analyses were carried out.

Fly ash;Shrinkage-compensating concrete;Restrictive expansion rate;Strength

TQ 178

A

1671-0460（2017）08-1571-04

2016-12-20

武強(qiáng)（1982-），男，陜西省寶雞市人，講師，碩士，2010年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：從事建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)工作。E-mail：wqang08@163.com。