粉煤灰摻量對(duì)混凝土收縮性能影響的試驗(yàn)研究

王新杰，徐 巍，封金財(cái)，吳明明

(常州大學(xué)土木工程系，江蘇常州213164)

收縮是混凝土本身固有的一種重要特性［1］，它主要是由于混凝土內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和溫度降低以及水分發(fā)生變化等因素引起的。收縮不僅能發(fā)生在混凝土表面，而且在混凝土內(nèi)部也會(huì)發(fā)生，大量研究表明超過(guò)80%的混凝土非荷載裂縫是由收縮引起的，而混凝土裂縫會(huì)直接影響到建筑物的美觀甚至有些還會(huì)影響到建筑物的安全使用。隨著現(xiàn)代混凝土向高強(qiáng)、高性能方向發(fā)展，單位體積的混凝土中水泥的含量越來(lái)越多，非荷載裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的所占的比例也逐漸增加。為了減小混凝土的收縮，大量的預(yù)拌混凝土中已經(jīng)摻入粉煤灰等摻合料，現(xiàn)在粉煤灰已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土的第四組成成分。

目前，關(guān)于粉煤灰的摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能研究的較多，對(duì)混凝土收縮性能研究的較少，有些研究還出現(xiàn)截然相反的結(jié)論，因此，很有必要研究粉煤灰的摻量對(duì)混凝土收縮性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與配比

粉煤灰:常州火力發(fā)電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其主要化學(xué)成分和物理性能見表1和表2。水泥:南京龍?zhí)吨袊?guó)水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)海螺水泥;減水劑:由常州建科院提供;石:石子粒徑范圍5mm～20mm，其物理性能參數(shù)如表3;砂:采用細(xì)度模數(shù)為2.3的普通河沙，物理性能如表4。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成 /%

表2 粉煤灰的物理性能 /%

表3 碎石的物理性能

表4 砂的物理性能

本次試驗(yàn)保持混凝土的骨料含量、砂率、膠凝材料的總量不變，通過(guò)改變粉煤灰摻量研究粉煤灰對(duì)混凝土在28d齡期內(nèi)的收縮影響。試驗(yàn)取0、10%、20%、30%、50%五種不同粉煤灰摻量。具體的配合比見表5。

表5 不同粉煤灰摻量混凝土的配合比

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法和收縮值的測(cè)定均參照GB/T 5008-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的接觸性方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粉煤灰摻量混凝土的收縮

粉煤灰作為礦物摻合料取代水泥，節(jié)約成本的同時(shí)對(duì)混凝土的耐久性能也能起到一定的改善作用，不同粉煤灰摻量混凝土在早期28d內(nèi)的自收縮和總收縮如圖1和圖2。由圖1、2可看出不同粉煤灰摻量的混凝土在齡期3d內(nèi)自收縮和總收縮都發(fā)展較快，之后趨勢(shì)逐漸趨于平緩;此外混凝土的自收縮和總收縮都隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小?？梢园l(fā)現(xiàn)粉煤灰無(wú)論是對(duì)混凝土的自收縮還是總收縮都可以起到一定的抑制作用。

圖1 不同粉煤灰摻量混凝土的自收縮

圖2 不同粉煤灰摻量混凝土的總收縮

不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土自收縮占總收縮比例的影響如圖3，由圖3可看出粉煤灰含量的增加，自收縮占總收縮的比例也越來(lái)越大，粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、50%的混凝土在齡期3d時(shí)自收縮占總收縮的比例分別為46.63%、46.89%、52.2%、56.02%、63.35%。同時(shí)還可以看出齡期對(duì)不同粉煤灰混凝土自收縮占總收縮比例的影響不大。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)自收縮占總收縮比例的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的干燥收縮如圖4，由圖4可看出隨著齡期的增加，混凝土的干燥收縮隨粉煤灰摻量的增大而逐漸減小。粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、50%的混凝土在齡期7d時(shí)的干燥收縮分別為235×10-6mm、186×10-6mm、152×10-6mm、93×10-6mm、63×10-6mm，可以發(fā)現(xiàn)在同齡期摻粉煤灰的混凝土與不摻的相比收縮性能得到改善。

圖4 不同粉煤灰摻量混凝土的干燥收縮

2.2 機(jī)理分析

混凝土發(fā)生自收縮主要是因?yàn)樵诮^濕狀態(tài)下，膠凝材料水化吸收混凝土毛細(xì)管中的水分，毛細(xì)管在失水后處于真空狀態(tài)，繼而管壁周圍的混凝土受到拉應(yīng)力，最終產(chǎn)生收縮變形。粉煤灰是具有一定微集料效應(yīng)的活性較低的礦物摻合料，在混凝土中摻入一定量的粉煤灰，硬化初期未水化的粉煤灰起到了微集料填充作用并且增大了混凝土中的實(shí)際水灰比可以有效的降低水泥礦物引起的自收縮［2、3］。干燥收縮主要是由混凝土中的自由水、毛細(xì)孔水和凝膠水蒸發(fā)引起的，摻入粉煤灰的混凝土和基準(zhǔn)混凝土相比其水化產(chǎn)物大大減少，并且活性較低的粉煤灰細(xì)化了混凝土中水泥水化產(chǎn)生的孔隙，甚至其有些微細(xì)顆粒還能對(duì)水分流動(dòng)形成障礙，減少水分蒸發(fā)［4、5］。

粉煤灰的火山灰效應(yīng)對(duì)抑制混凝土的收縮也能起到一定的作用，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，其與水泥反應(yīng)會(huì)生成Ca(OH)2，之后Ca(OH)2與粉煤灰顆粒發(fā)生火山灰效應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣能阻塞水泥石中的孔道，細(xì)化孔徑，降低孔隙率，在混凝土增強(qiáng)強(qiáng)度的同時(shí)也增強(qiáng)了混凝土對(duì)收縮變形的抵抗能力［6、7］。

3 結(jié)論

在混凝土中摻入一定量的粉煤灰能有效的改善混凝土的耐久性，對(duì)混凝土的自收縮、總收縮和干燥收縮都有一定的抑制作用，粉煤灰的火山灰效應(yīng)在增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的同時(shí)也能增加混凝土抵抗收縮變形的能力。但摻入過(guò)多的粉煤灰會(huì)降低混凝土的早期強(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)加大混凝土早期自收縮占總收縮的比例，所以對(duì)粉煤灰的利用要選取一個(gè)合適的取代量。

［1］ 黃國(guó)興，惠榮炎，王秀君.混凝土的徐變與收縮［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

［2］ 張小偉，肖瑞敏等.粉煤灰摻量對(duì)混凝土收縮的影響及作用機(jī)理分析［J］.混凝土與水泥制品，2005，144(4):14-17.

［3］ 汪瀟，王宇斌，楊留栓，朱新鋒.高性能大摻量粉煤灰混凝土研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2013，32(3):523-527，532.

［4］ Zheng J J，Du X L，Yan W M，et al.Experiment Study on Capillary Absorption of Fly Ash Concrete at Different Curing Ages［J］.Advances in Materials Research，2012，450-451:78-81.

［5］ Atis C D.High-volume fly ash concrete with high strength and low drying shrinkage ［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15(2):153-156.

［6］ 魯麗華，潘桂生，陳四利，張?jiān)?不同摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(1):107-111.

［7］ 王能，吳愷.粉煤灰的摻量對(duì)混凝土耐久性能的影響［J］.中國(guó)水運(yùn)，2013，13(12):340-342.