劉國良
(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511455)
眾所周知,混凝土結(jié)構(gòu)工程是保障國家經(jīng)濟(jì)增長和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的生命線工程。2017 年,我國預(yù)拌混凝土年使用量已超 17 億立方米。大量的混凝土用于工業(yè)以及民用建筑。因此加強(qiáng)和完善對這些混凝土構(gòu)建物的檢測是保障混凝土構(gòu)建物結(jié)構(gòu)安全的重要手段。檢測混凝土構(gòu)建物質(zhì)量的方法有很多,比如有損檢測和無損檢測,其中由于有損檢測會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu),因此一般利用無損的方法檢測混凝土構(gòu)建物的質(zhì)量[1-3]?;貜椃ㄓ捎诰哂袃x器攜帶方便、操作方法簡單、成本較低、不破壞混凝土構(gòu)建物結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)成為混凝土質(zhì)量檢測常用的方法[4-6]。另一方面,在生產(chǎn)水泥過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳,大量水泥的生產(chǎn)及使用導(dǎo)致了大量二氧化碳的排放,造成了全球的溫室效應(yīng)。粉煤灰由于具有微集料效應(yīng)和活性效應(yīng),用粉煤灰代替等質(zhì)量水泥,不但能夠減少水泥用量,間接減少二氧化碳的排放,而且能夠有效利用粉煤灰,避免資源的浪費(fèi)。目前混凝土結(jié)構(gòu)工程中一般都摻加大量的粉煤灰,然而,摻加粉煤灰后混凝土的結(jié)構(gòu)組成等發(fā)生了改變,原有的國家回彈測強(qiáng)曲線已不適用于粉煤灰混凝土的質(zhì)量檢測,因此建立粉煤灰混凝土的回彈測強(qiáng)曲線對準(zhǔn)確評(píng)價(jià)粉煤灰混凝土質(zhì)量安全、防范工程事故具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。
水泥采用海螺 P·Ⅱ52.5 級(jí)水泥;粗骨料采用石灰?guī)r碎石,粒徑范圍 10~20mm;細(xì)骨料采用普通河砂,細(xì)度模數(shù)為 2.70。水泥及粉煤灰的化學(xué)成分見表 1,混凝土的配比見表 2。
按照配合比成型混凝土,成型尺寸為 150mm×150mm×150mm(用于抗壓強(qiáng)度及回彈值測量試驗(yàn))和 100mm×100mm×300mm(用于測量混凝土碳化深度試驗(yàn)),試樣脫模成型后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù) 28d,之后將混凝土試塊放在室外擺成品字形進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。
表 1 水泥熟料的化學(xué)組成
表 2 混凝土配合比 kg/m3
1.2.1 回彈測試與計(jì)算
根據(jù) JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的回彈值。
1.2.2 抗壓強(qiáng)度
按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的抗壓強(qiáng)度。
1.2.3 碳化深度測定
測量 100mm×100mm×300mm 的試塊在 28d、60d、120d 及 180d 時(shí)的碳化深度。首先將混凝土切開一個(gè)橫截面,然后用事先配置好的酚酞酒精溶液噴灑在混凝土橫截面上,到一定的時(shí)間后在混凝土紅色與非紅色交界處用碳化深度測量儀測量,精確到 0.5mm。
試驗(yàn)結(jié)果見表 3。
圖 1 不同水灰比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
圖 1 表示不同水灰比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小,混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。從圖中還能看出同一水灰比下隨著齡期的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。圖 2 表示不同水灰比對混凝土回彈值的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小,混凝土的回彈值增大。究其原因,由回彈儀的原理可知,測試時(shí),當(dāng)回彈儀的彈擊錘彈擊混凝土表面時(shí),有一部分能量會(huì)被混凝土吸收,另外一部分能量會(huì)反彈回彈擊錘,反彈回彈擊錘的能量越大,混凝土的回彈值就越大。當(dāng)混凝土的水灰比增加時(shí),混凝土的水化產(chǎn)物減小,導(dǎo)致混凝土的孔隙率增大、密實(shí)度減小,從而當(dāng)彈擊錘彈擊混凝土表面時(shí)被混凝土吸收的能量增加,反彈回彈擊錘的能量減小,故混凝土的回彈值減小。圖 3~5 表示混凝土的抗壓強(qiáng)度與回彈值在不同齡期下的比較。從圖中均能看到同一齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度大于混凝土的回彈值。
圖 2 不同水灰比對混凝土回彈值的影響
表 3 混凝土試驗(yàn)結(jié)果
圖 3 0.60 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較
圖 4 0.50 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較
圖 5 0.40 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較
圖 6 表示粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中能夠看出在養(yǎng)護(hù) 28d 時(shí),不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最大,且隨著粉煤灰摻量的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度減??;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最大,不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度次之,摻加 45% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最小。究其原因,一方面由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)和活性效應(yīng),其可以填充在混凝土的孔隙中又可以與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物填充在混凝土的孔隙中,這會(huì)導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度增加,從而會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度增大,這體現(xiàn)為粉煤灰對混凝土的“正效應(yīng)”;另一方面,由于粉煤灰取代了等質(zhì)量的水泥,導(dǎo)致水泥水化生成的水化產(chǎn)物減小,從而增大了混凝土的孔隙,降低了混凝土的密實(shí)度,這體現(xiàn)為粉煤灰對混凝土的“負(fù)效應(yīng)”。粉煤灰對混凝土的實(shí)際影響由以上“正負(fù)效應(yīng)”共同決定,當(dāng)粉煤灰摻量為 15%時(shí),粉煤灰對混凝土的影響是“正效應(yīng)”大于“負(fù)效應(yīng)”;當(dāng)粉煤灰摻量為 30% 及大于 30% 時(shí),粉煤灰對混凝土的影響是“負(fù)效應(yīng)”大于“正效應(yīng)”。
圖7表示粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響。從圖中能看出當(dāng)粉煤灰摻量為 15% 時(shí),當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于 60d 時(shí)混凝土的回彈值最大,不摻加粉煤灰混凝土的回彈值略小。從圖中還能看出,當(dāng)粉煤灰摻量大于 30%時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的回彈值降低。這是因?yàn)橐环矫娣勖夯业拿芏纫∮谒嗟拿芏龋诨炷脸尚蜁r(shí),粉煤灰會(huì)富集在混凝土的表面,導(dǎo)致混凝土表面的粉煤灰含量相對較高,導(dǎo)致回彈值降低;另一方面,由于摻加大量的粉煤灰導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增大,從而反彈回彈擊錘的能力減小,導(dǎo)致混凝土的回彈值減小。另外,從表 3 可以看出,任一齡期下粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于其回彈值。
圖 6 粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
圖 7 粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響
圖 8 表示不同水灰比對混凝土碳化深度的影響,從圖中能夠看出 0.60 水灰比下混凝土的碳化深度最大,在養(yǎng)護(hù) 180d 后碳化深度已達(dá) 2.0mm,而此齡期下的0.50、0.40 水灰比下的混凝土的碳化深度分別為 1.5mm和 1.0mm。這是因?yàn)殡S著水灰比的減小,混凝土的孔隙率減小,密實(shí)度增大,導(dǎo)致二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的傳輸速率減慢,從而碳化深度減小。
圖 8 不同水灰比對混凝土碳化深度的影響
圖 9 表示粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響。從圖中能夠看出摻加 15% 粉煤灰混凝土的碳化深度最小,不摻加粉煤灰混凝土的碳化深度次之,隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的碳化深度增大。當(dāng)摻加 45%粉煤灰時(shí),混凝土在 180d 的碳化深度為 5.0mm。這表明摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗碳化能力最強(qiáng),且隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的抗碳化能力減弱。
圖 9 粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響
通過測量粉煤灰不同摻量混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度、回彈值以及碳化深度,建立了大摻量粉煤灰混凝土的回彈測強(qiáng)方程[7-8]。
其中:f——混凝土抗壓強(qiáng)度換算值,精確到0.01MPa;
Rm——測區(qū)平均回彈值,精確到 0.1MPa;
Dm——測區(qū)平均碳化深度值,mm;
《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》規(guī)定地區(qū)測強(qiáng)曲線的平均相對誤差不應(yīng)大于±14%,相對標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)大于 17%。因此采取通過計(jì)算曲線的平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)判擬合曲線的精度。其中平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算規(guī)定如下:
其中:
fcu,i——測得的第 i 個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度值,MPa;
n——試件個(gè)數(shù)。
根據(jù)公式 (2) 和 (3) 計(jì)算大摻量粉煤灰混凝土回彈曲線的平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差,δ=±7.8%<±14%,σ=9.7%<17%,r=0.876,(r 為相關(guān)性系數(shù)),這兩個(gè)指標(biāo)明顯低于地區(qū)測強(qiáng)曲線的誤差要求,可知該曲線擬合效果較好。
(1)摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度和回彈值最大,隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度和回彈值減小。
(2)建立了粉煤灰混凝土回彈測強(qiáng)曲線:f=0.0748R.689310-0.0263Dm。平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差均滿足 JGJ/T 23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》的要求。