和文超，薛 靜，王 偉

（1.長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，山西長治 046000；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024；3.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

混凝土和水泥一直是建筑行業(yè)中主要的建筑材料，但是水泥和混凝土的生產(chǎn)和使用消耗了大量的自然資源，對可持續(xù)發(fā)展十分不利。為了實現(xiàn)綠色發(fā)展的目標，十分有必要尋找替代材料。粉煤灰是煤炭燃燒后的廢棄物，由于富含二氧化硅和氧化鋁相，具有替代水泥作為膠凝材料的潛力［1］。但是不同類型的粉煤灰具有不同的礦物成分，如空心微珠、殘?zhí)?、氧化鋁和稀有金屬元素等，在進行工程應(yīng)用時需要進行分離和提?。?］。這其中，粉煤灰微珠富含二氧化硅和金屬氧化物，具有粒徑小、活性高的特點［3］。

許多學(xué)者對粉煤灰微珠作為替代膠凝材料的可行性及性能進行了研究。例如王杰等［4］和郭峻驛等［5］分別利用粉煤灰微珠制備低密度的水泥和泡沫混凝土，通過實驗證明合理地添加粉煤灰微珠能夠改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)［4］，可以大量摻入以降低材料的生產(chǎn)成本［5］。王雪蓮［6］、黃偉等［7］和李宇容等［8］分別對粉煤灰微珠改性混凝土的強度、收縮性能、流動性和保溫性能進行了研究，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)姆勖夯椅⒅閾搅亢退z質(zhì)量比（簡稱水膠比）可以提高混凝土的強度和體積穩(wěn)定性［6］，適量的粉煤灰微珠也可以改善混凝土的保溫性能［7］和流動性能［8］。同時，劉應(yīng)強等［9］和LI等［10］對含粉煤灰膠凝材料的強度和微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，證明粉煤灰微珠能夠改善膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)［10］，提高膠凝材料的力學(xué)性能［9］。此外，也有學(xué)者對粉煤灰微珠應(yīng)用在聚合物中的可行性［11］以及養(yǎng)護條件［12］對粉煤灰微珠混凝土性能的影響規(guī)律進行了研究，并獲得了建設(shè)性的結(jié)論。

由以上內(nèi)容可知，粉煤灰微珠作為替代膠凝材料制備混凝土?xí)r可以獲得良好的強度、保溫和工作性能。但是在實際工程環(huán)境下，混凝土?xí)茌d而發(fā)生徐變，而目前對粉煤灰微珠混凝土強度發(fā)展與受載徐變相關(guān)性方面的研究較少。為此，本文利用粉煤灰微珠按照0%、10%、20%和30%（質(zhì)量分數(shù)）替代水泥作為膠凝材料制備了4種不同的混凝土試樣，通過力學(xué)測試、徐變實驗和壓汞實驗對不同粉煤灰微珠摻量下混凝土試樣的強度發(fā)展、徐變變形規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進行研究，并從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)對粉煤灰微珠對混凝土宏觀特性的影響進行了解釋。

1 實驗材料和方法

1.1 原材料

實驗采用的水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥，水泥的初凝時間和終凝時間分別為130 min和195 min，水泥的密度和比表面積分別為3 010 kg/m3和2 250 m2/kg，化學(xué)成分如表1所示。采用的粉煤灰微珠為西卡公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)粉煤灰微珠，該微珠的密度為2 440 kg/m3，化學(xué)成分如表1所示。微珠和水泥的粒徑分布曲線如圖1所示，圖中C代表水泥，F(xiàn)MB代表粉煤灰微珠，下同。由表1和圖1可知，粉煤灰微珠中的二氧化硅和三氧化二鋁的含量較高；粉煤灰微珠的粒徑相比于水泥更小。

表1 水泥和粉煤灰微珠的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of cement and fly ash microbeads %

圖1 粉煤灰微珠和水泥的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of fly ash microbeads and cement

1.2 試樣分組及實驗方法

為了研究不同粉煤灰微珠含量的試樣的徐變特征，分別用粉煤灰微珠按0%、10%、20%和30%（質(zhì)量分數(shù)）替代水泥作為膠凝材料。細骨料是最大粒徑為4.75 mm的河砂；粗骨料是粒徑為4.75～22 mm的碎石；水膠比為0.4；同時按照3.5 kg/m3的比例添加了萘系高效減水劑。不同試樣的分組和單位體積試樣的材料質(zhì)量配比如表2所示。

表2 試樣分組及單位體積試樣的配比Table 2 Sample grouping and ratio of samples per unit volume

根據(jù)實驗內(nèi)容和目標，每種試樣均制備3種不同規(guī)格的試件。其中，抗壓實驗采用的是尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件；彈性模量測試采用的為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱形試樣；徐變實驗則采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱試件。參照表2和實驗?zāi)繕诉M行試樣的配比、攪拌、澆筑和養(yǎng)護；標準養(yǎng)護（溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度為95%以上）到設(shè)計齡期后進行性能實驗；強度和彈性模量實驗步驟參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》；徐變實驗步驟參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，在徐變實驗中試樣的豎向荷載分別為4種試樣7 d抗壓強度的25%；分別在完成7、14、28、45、60、90、120、150、180 d的標準養(yǎng)護后進行徐變實驗。

2 實驗結(jié)果

2.1 抗壓強度

不同粉煤灰微珠試樣的抗壓強度如圖2所示。由圖2可知，隨著齡期的增加，試樣的抗壓強度均逐漸增加，且在齡期≤28 d時，對照組試樣的抗壓強度高于摻入粉煤灰微珠試樣的抗壓強度；其中，C、FMB10、FMB20和FMB30試樣在28 d的抗壓強度分別為59.1、55.3、52.4、44.3 MPa。但是與不含粉煤灰微珠試樣的對照組相比，摻入粉煤灰微珠后試樣的抗壓強度長期增長率明顯增強；當(dāng)齡期達到90 d時C、FMB10、FMB20和FMB30試樣的抗壓強度分別為64.5、66.5、68.7、57.7 MPa；同樣的，當(dāng)齡期達到180 d時，F(xiàn)MB10和FMB20試樣的強度仍然高于對照組試樣C的抗壓強度。由此可知，摻入適量的粉煤灰微珠對混凝土的長期強度有利，而且粉煤灰微珠摻量為20%對試樣90～180 d的抗壓強度最有利。

圖2 不同齡期試樣的抗壓強度Fig.2 Compressive strength at different ages

為了進一步反映粉煤灰微珠對混凝土強度增加的影響規(guī)律，分別對7～28 d、28～90 d和90～180 d的抗壓強度增長率進行了計算，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，試樣在7～28 d的強度增長率在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時分別為24.1%、27.3%、30.9%和30.2%。但是在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時，試樣在28～90 d的抗壓強度增長率分別為9.1%、20.2%、31.3%和30.3%，在90～180 d的抗壓強度增長率分別為4.84%、4.58%、4.71%和7.19%。由此可以看出粉煤灰微珠對混凝土早期強度的增長作用較弱；但是對混凝土28～90 d時強度的增長作用明顯，尤其是在摻量≥20%時；在養(yǎng)護時間大于90 d時，試樣的抗壓強度增長率均顯著下降且隨著粉煤灰微珠摻量的增加變化較弱。

圖3 不同齡期試樣抗壓強度增長率Fig.3 Growth rate of compressive strength

2.2 彈性模量

不同粉煤灰微珠摻量下混凝土的彈性模量變化規(guī)律與抗壓強度的增長規(guī)律類似，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著齡期的增長，彈性模量均逐漸增加，且在齡期≤28 d時，對照組的彈性模量最大；當(dāng)齡期≥90 d時，F(xiàn)MB20試樣的彈性模量最大。這也能說明粉煤灰微珠對混凝土的長期力學(xué)性能增長有利。

圖4 不同試樣的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of different samples

但是彈性模量的增長率隨著粉煤灰微珠摻量的變化規(guī)律與抗壓強度隨粉煤灰微珠的變化規(guī)律稍有不同，結(jié)果見圖5。由圖5可知，混凝土7～28 d和28～90 d的彈性模量增長率隨著粉煤灰微珠摻量的增加先增加后降低，且都在粉煤灰微珠摻量為20%時最大。雖然當(dāng)粉煤灰微珠摻量≥20%時，28～90 d的彈性模量增長率大于7～28 d的彈性模量增長率，但是早期和后期的彈性模量增長率差異較小。當(dāng)養(yǎng)護齡期達到90～180 d時，試樣的彈性模量增長率明顯降低；在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時的彈性模量增長率分別為2.44%、2.37%、3.43%、2.77%；相比之下，摻量為20%時的彈性模量仍然最大。

圖5 不同試樣的彈性模量增長率Fig.5 Growth rate of elastic modulus

2.3 徐變特性

試樣的徐變特征如圖6所示。由圖6可知，隨著受載時間的增加，試樣的徐變變形逐漸增加，整體呈先快后慢的趨勢，在60 d后逐漸趨于穩(wěn)定。相比之下，對照組的徐變變形最大，F(xiàn)MB10次之，而FMB20試樣的徐變變形值最小。表明摻入20%的粉煤灰微珠可以有效降低混凝土的徐變變形。

圖6 試樣的徐變增長規(guī)律Fig.6 Law of creep growth

同時從圖6還可以看出，徐變變形在28 d內(nèi)發(fā)展最快，幾乎占到180 d總徐變變形量的65%。而在28 d內(nèi)，粉煤灰微珠對混凝土強度增長效應(yīng)較弱，此時對照組的抗壓強度和彈性模量均最大；但是對照組的徐變變形也大于其他試樣。由于徐變變形量不僅與試樣的力學(xué)特征有關(guān)，也和試樣所承受的豎向載荷有關(guān)，為了更加清晰地反應(yīng)出4種試樣的徐變特性，在此利用徐變應(yīng)變除以所采用的豎向荷載獲得單位豎向應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變以便于比較。此應(yīng)變在此定義為比應(yīng)變，利用式（1）計算：

式中：εc和σc分別為徐變應(yīng)變和荷載（σc為7 d抗壓強度的25%）。

根據(jù)式（1）計算得出4種試樣的比徐變，如圖7所示。從圖7可知，隨著受載時間的增加，試樣的比徐變也逐漸增加，且前30 d的比徐變增加最快，60 d后的比徐變趨于穩(wěn)定。但是與徐變變形規(guī)律不同，F(xiàn)MB30試樣的比徐變值最大，對照組C的比徐變次之，F(xiàn)MB20試樣的比徐變最小。由圖3和圖4可知，雖然FMB30長期強度發(fā)展最好，但是在28 d內(nèi)的強度和彈性模量最小，因此在單位應(yīng)力下的徐變量最大；而粉煤灰微珠摻量為20%時，試樣的強度和彈性模量以及其增長率均較好，所以在單位應(yīng)力下的徐變變形最小。這說明單位應(yīng)力下的徐變變形是力學(xué)性能和強度發(fā)展綜合作用的結(jié)果。

圖7 不同試樣的比徐變增長規(guī)律Fig.7 Law of specific creep growth of different samples

由以上內(nèi)容可知，粉煤灰微珠的加入改變了混凝土的力學(xué)和徐變特性。根據(jù)已有的研究［6，13］，粉煤灰微珠的加入主要有兩方面的作用：第一，粉煤灰微珠的粒徑?。ū疚牟捎玫姆勖夯椅⒅橛?0%的粒徑小于5 μm），可以對水泥水化產(chǎn)生的微小孔隙進行填充，產(chǎn)生微集料效應(yīng)；第二，粉煤灰微珠含有活性SiO2，能夠與水泥水化產(chǎn)生的Mg（OH）2和Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠，從而提高試樣的力學(xué)特性。因此，隨著粉煤灰微珠摻量的增加，試樣的強度逐漸增加，徐變變形逐漸降低；但是粉煤灰微珠的活性較水泥低，當(dāng)摻量超過20%時會對試樣的整體水化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，使得試樣的力學(xué)特性出現(xiàn)退化，徐變變形也增大。

2.4 孔隙特征分析

混凝土的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)有緊密聯(lián)系，且試樣孔隙特征是粉煤灰微珠的微集料效應(yīng)和水化反應(yīng)的綜合效果。為了分析粉煤灰微珠對混凝土微觀孔隙特征的影響規(guī)律，利用壓汞實驗對4種混凝土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)進了研究，不同試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖8所示。從圖8可知，F(xiàn)MB30試樣的孔徑分布曲線最高，C次之，而FMB10和FMB20則相對較小。不同孔徑的體積和總體積如表3所示。結(jié)合圖8和表3可知，F(xiàn)MB30試樣的各個孔徑的孔隙體積和總體積均是最高的，對照組C的大孔隙體積（＞100 nm）較高，總的孔隙體積僅次于FMB30。FMB20試樣的小孔隙（＜50 nm）體積多于FMB10，二者的大孔隙（＞100 nm）體積卻非常接近；但是FMB20的中孔隙（50～100 nm）明顯少于FMB10。結(jié)合徐變和孔隙結(jié)構(gòu)分析可知總孔隙率越高試樣的強度越低，徐變變形越大，且中孔隙和大孔隙對混凝土強度和徐變的影響較大。

圖8 不同試樣的孔隙特征Fig.8 Pore characteristics of different samples

表3 試樣不同孔徑的孔隙體積Table 3 Pore volume of different pore sizes mL/g

3 結(jié)論

本文通過實驗研究了粉煤灰微珠部分替代水泥對混凝土抗壓強度、彈性模量和徐變的影響規(guī)律，獲得了以下結(jié)論：1）粉煤灰微珠部分替代水泥會降低試樣的早期抗壓強度和彈性模量，但是粉煤灰微珠對混凝土長期強度增長率和彈性模量增長率有明顯的積極作用，且最佳的粉煤灰微珠摻量為20%；2）混凝土的徐變變形在30 d內(nèi)最大，60 d后基本趨于穩(wěn)定，摻入20%的粉煤灰微珠可以降低混凝土的比徐變，但是過多的粉煤灰微珠會明顯降低早期強度，反而會增加混凝土的徐變變形；3）混凝土的孔隙率越高，混凝土力學(xué)特性越弱，加入20%粉煤灰微珠會降低混凝土的中孔隙、大孔隙和總孔隙體積，從而改善混凝土的強度和徐變特性。