Ⅱ級粉煤灰摻量對混凝土放熱性能和抗壓強度影響的試驗研究

劉曉龍，羅翥，田波，侯子義

(1.交通運輸部公路科學研究院道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，北京100088;2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津300401)

Ⅱ級粉煤灰摻量對混凝土放熱性能和抗壓強度影響的試驗研究

劉曉龍1，2，羅翥1，田波1，侯子義2

(1.交通運輸部公路科學研究院道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，北京100088;2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津300401)

通過室內(nèi)試驗研究C30和C60兩種混凝土的熱峰時間、溫峰時間、熱峰值和最大溫升隨Ⅱ級粉煤灰摻量的變化規(guī)律。結(jié)果表明:兩種混凝土的溫峰時間均隨粉煤灰摻量增加而呈延遲趨勢，最大溫升均隨粉煤灰摻量增加而呈降低趨勢，粉煤灰對C30混凝土的溫升降低效應(yīng)要強于C60;粉煤灰摻量對混凝土的抗壓強度尤其是早期強度有較大影響，在粉煤灰摻量＜40%時，混凝土的后期強度降低較小。此外，從理論上探討了Ⅱ級粉煤灰對混凝土放熱性能及強度的影響機理。

Ⅱ級粉煤灰 水泥混凝土 放熱性能 抗壓強度

對大體積混凝土而言，混凝土的水化放熱性能一直備受重視。近年來，考慮到環(huán)境保護、控制成本、提高耐久性以及降低混凝土溫升，混凝土生產(chǎn)中加入了各種礦物摻合料，其中以粉煤灰應(yīng)用最為廣泛，而Ⅱ級粉煤灰的使用量又是最大的。在國內(nèi)外均已出現(xiàn)粉煤灰摻量達到膠凝材料總量50%的大體積混凝土工程實例［1］，粉煤灰已成為控溫大體積混凝土不可或缺的原材料。

Ⅱ級粉煤灰的摻加對混凝土水化放熱能力的影響可以通過混凝土水化放熱溫升儀進行測量。本文通過試驗測試了Ⅱ級粉煤灰摻量對C30和C60混凝土的水化放熱及中心溫升的影響，測定了粉煤灰在不同摻量下7，28，56 d的抗壓強度，并從理論上探討了Ⅱ級粉煤灰對混凝土放熱性能及強度的影響機理。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為北京金隅P.O42.5水泥;粉煤灰為內(nèi)蒙古某發(fā)電廠Ⅱ級粉煤灰;減水劑為天津SiKa萘系高效減水劑，減水率25%;砂為北京西田陽砂場中砂，細度模數(shù)2.7;碎石為北京門頭溝5～31.5 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石。

水泥和粉煤灰的化學組成見表1。

表1 水泥和粉煤灰化學組成%

1.2 試驗配合比

混凝土配合比見表2。其中，減水劑的摻量保證各組混凝土坍落度控制在60～100 mm，括號內(nèi)數(shù)字為粉煤灰等質(zhì)量取代水泥的百分率。

表2 混凝土配合比kg/m3

1.3試驗儀器

ToniCAL7336型混凝土水化放熱溫升儀(圖1)為德制電腦控制熱流計量器，可測量混凝土試件的水化放熱量，并可通過插入混凝土內(nèi)部的PT100型溫度傳感器測量試件中心的溫升?？蓽y得的數(shù)據(jù)有放熱速率峰值出現(xiàn)時間(以下簡稱熱峰時間)，溫度峰值出現(xiàn)時間(以下簡稱溫峰時間)、放熱速率峰值(以下簡稱熱峰值)以及溫度上升的最大值(以下簡稱最大溫升)。其試驗桶為直徑150 mm高300 mm的特制鋼桶，試驗時將試驗桶放入上層試驗箱內(nèi)。結(jié)合工程實際及規(guī)范要求，本次試驗選擇25℃。

圖1 ToniCAL7336型混凝土水化放熱溫升儀

1.4 試驗方法

將控制好溫度的混凝土拌合好后裝入試驗桶安放在試驗儀器中，設(shè)置好溫度傳感器，開始試驗。混凝土放熱量及中心溫升等數(shù)據(jù)實時顯示在電腦終端。試驗持續(xù)時間為24 h。拌合測量溫升試件的同時成型3組100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，24 h后拆模放入標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護，測試其7，28，56 d抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 C30混凝土

2.1.1 熱峰時間、溫峰時間、熱峰值、最大溫升

由圖2可以看出:①在粉煤灰摻量為0～40%時，熱峰時間和溫峰時間均隨摻量增加而延遲出現(xiàn)。其中摻量為0～10%時，熱峰時間和溫峰時間延遲幅度較小，摻量在10%～20%時熱峰時間和溫峰時間延遲幅度較大。②在摻量為0～50%時，熱峰值和最大溫升均隨著粉煤灰摻量的增加而呈降低的趨勢。

2.1.2 不同摻量粉煤灰混凝土各齡期的抗壓強度

由表3可以看出，粉煤灰的加入會降低C30混凝土的抗壓強度。當粉煤灰的摻量在40%以內(nèi)時，混凝土的中后期(28，56 d)強度降低較小，早期強度(7 d)降低較明顯;而粉煤灰的摻量在40%以上時，混凝土的中后期強度降低也較大，但是比早期降低得小。

圖2 C30混凝土水化放熱性能隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律

表3 C30混凝土各齡期抗壓強度MPa

2.2 C60混凝土

2.2.1 熱峰時間、溫峰時間、熱峰值、最大溫升

由圖3可以看出:①在0～50%的摻量范圍內(nèi)，熱峰時間和溫峰時間均隨粉煤灰摻量的增加而增大，即呈現(xiàn)延遲趨勢。②粉煤灰摻量為0～50%時，熱峰值和最大溫升均隨粉煤灰摻量的增加而降低。粉煤灰摻量為50%時，熱峰值和最大溫升相對于粉煤灰摻量為40%時改變不明顯。粉煤灰摻量為0～20%時熱峰值和最大溫升降速較快。

2.2.2 不同摻量粉煤灰混凝土各齡期的抗壓強度

由表4可以看出，粉煤灰的加入會降低C60混凝土的抗壓強度。當粉煤灰的摻量在40%以內(nèi)時，混凝土的中后期強度降低較小(當粉煤灰摻量為30%時，混凝土的56 d強度甚至超過了基準組混凝土強度)，早期強度降低較明顯;當粉煤灰的摻量在40%以上時，混凝土的中后期強度降低較大，但是降低幅度比早期小。

圖3 C60混凝土水化放熱性能隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律

表4 C60混凝土各齡期抗壓強度MPa

2.3 溫升降低率

溫升降低率(TR)可反映粉煤灰對混凝土放熱的溫升降低效應(yīng)。其計算公式為

式中:TRi為粉煤灰摻量為i時的溫升降低率;T0為基準混凝土的最大溫升;Ti為粉煤灰摻量為i時混凝土的最大溫升。

C30和C60兩種混凝土的溫升降低率見圖4。由圖可見:在0～50%的摻量范圍內(nèi)，兩種混凝土的溫升降低率均隨粉煤灰摻量的增加而增大;C30混凝土的溫升降低率大于C60混凝土，表明粉煤灰對C30混凝土的溫升降低效應(yīng)要強于C60混凝土。

圖4 兩種混凝土的溫升降低率

2.4 機理分析

2.4.1 放熱性能分析

無論是C30混凝土還是C60混凝土，隨著粉煤灰摻量的增加，熱峰時間和溫峰時間均呈滯后的趨勢，熱峰值和最大溫升均呈降低的趨勢，這表明粉煤灰對混凝土的放熱性能總體上呈現(xiàn)延緩和降低的趨勢。研究表明，粉煤灰對水泥和粉煤灰組成的膠凝體系的水化反應(yīng)具有促進和延緩的雙重作用，但是總體上表現(xiàn)為延緩作用。粉煤灰對膠凝體系的延緩作用主要是由于兩個原因:①因物理作用細小的粉煤灰顆粒黏附在水泥顆粒表面，而粉煤灰中的玻璃微珠性能穩(wěn)定，在水化初期反應(yīng)緩慢［2］;②粉煤灰延遲了鈣礬石的分解，過多的鈣礬石覆蓋在水泥顆粒表面，阻礙了其水化反應(yīng)的進行。這兩種因素都會導致水泥的水化熱降低，體現(xiàn)在混凝土上就是對其放熱性能產(chǎn)生延緩和降低的作用［3］。

粉煤灰對C30混凝土的溫升降低效應(yīng)強于C60混凝土的原因是:在水泥用量大和水灰比低的情況下，C60混凝土比C30混凝土有更大的溫升［4］，而且粉煤灰比水泥有更強的溫度敏感性，溫度升高時其水化進程明顯加快［5］，從而放出更多的熱量使得C60組的溫升降低比C30組的小。

2.4.2 強度分析

粉煤灰對混凝土強度的影響主要是其微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。當粉煤灰的摻量在40%以內(nèi)時，粉煤灰的微集料效應(yīng)對混凝土強度影響較大。主要體現(xiàn)在三個方面:①粉煤灰中的玻璃微珠成分本身就具有很高的強度［6］;②微集料效應(yīng)明顯增強了硬化漿體結(jié)構(gòu)的強度;③粉煤灰微粒在水泥漿體中分散良好，改善了漿體的均勻性，很好地填充了硬化漿體中的孔隙。這就使得粉煤灰摻量在40%以內(nèi)時，混凝土的強度，特別是中后期強度和基準混凝土相差不大。而當粉煤灰的摻量＞40%時，粉煤灰的火山灰效應(yīng)對混凝土強度的影響起主要作用，而火山灰反應(yīng)緩慢，造成了混凝土早期強度的大幅度降低［7］。

3 結(jié)論

1)無論是C30混凝土還是C60混凝土，粉煤灰的摻入均會延遲其熱峰時間和溫峰時間，降低其熱峰值和最大溫升。總體來說，粉煤灰對C30混凝土的溫升降低效應(yīng)要強于C60混凝土。

2)無論是C30混凝土還是C60混凝土，粉煤灰的摻入均會降低其早期抗壓強度。在摻量＜40%時，混凝土的后期強度降低較小。

3)粉煤灰對水泥混凝土的放熱性能產(chǎn)生延緩和降低的作用，同時因其自身的溫度敏感性會導致粉煤灰對C30混凝土的溫升降低效應(yīng)強于C60混凝土。粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)是影響粉煤灰混凝土強度的根本原因。

［1］徐剛.大體積混凝土基礎(chǔ)施工裂縫控制研究［D］.天津:天津大學，2007.

［2］馬保國.Ⅱ級粉煤灰對混凝土早期抗裂性能影響的試驗研究［J］.新型建筑材料，2007(12):1-4.

［3］王沖.粉煤灰與礦渣的早期火山灰反應(yīng)放熱行為及其機理［J］.硅酸鹽學報，2012，40(7):1050-1058.

［4］韓建國，張閏，郝衛(wèi)增.水膠比和粉煤灰對混凝土絕熱溫升的影響［J］.混凝土，2009(10):10-12.

［5］汪冬冬.粉煤灰和礦渣粉的溫度敏感性研究［J］.粉煤灰，2008(3):14-17.

［6］王強，閻培渝.變溫條件下粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響［J］.混凝土，2008(3):1-3.

［7］吳建華.高強高性能大摻量粉煤灰混凝土研究［D］.重慶:重慶大學，2004.

Experimental study on influence of gradeⅡfly ash amount on heat-releasing performance and compression strength of concrete

LIU Xiaolong1，2，LUO Zhu1，TIAN Bo1，Hou Ziyi2
(1.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Key Laboratory of Road Structure and Material，Ministry of Communications，Beijing 100088，China;2.Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

T he paper looks into two types of concrete-C30 and C60，and carries out indoor experimental study on gradeⅡfly ash amount and its influence on the thermal spike，its corresponding time，maximum temperature surge and the temperature spike time of both specimens.T he results indicate that the increase of gradeⅡfly ash amount tends to put off the corresponding time for the occurrence of temperature spike，and at the same time lowers the maximum temperature surge.It needs to be mentioned that C30 specimen is more sensitive to ash's influence on temperature surge.In regard to compressive strength，gradeⅡfly ash amount stands as an influential factor at the beginning of the experiment，which as it reaches 40%tends to decline afterwards.T he paper explores the influence of gradeⅡfly ash amount to the heat-releasing performance and compressive strength of concrete in theory and discusses the mechanism behind.

GradeⅡfly ash;Cement concrete;Heat-releasing performance;Compressive strength

TU528.45

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.42

1003-1995(2015)05-0166-04

(責任審編葛全紅)

2014-10-20;

2015-03-13

交通運輸部建設(shè)科技項目(201231879210)

劉曉龍(1988—)，男，河北正定人，碩士。