粉煤灰對(duì)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度及抗凍性能影響試驗(yàn)研究

杜勇剛 孫帥

(1. 中國十七冶集團(tuán)有限公司中東分公司， 安徽 馬鞍山 243001；2. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 銀川 750021)

粉煤灰的綜合治理和資源化利用，是節(jié)約資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要研究課題。科研人員經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，將粉煤灰進(jìn)一步資源化，并成功地應(yīng)用于工程建設(shè)中[1]。有研究表明，混凝土抗碳化性能隨著粉煤灰摻量的增加而減弱，適量摻入粉煤灰可改善和提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能[2]。隨著粉煤灰摻量增多，混凝土抗碳化能力先升高后降低[3]。 粉煤灰和礦粉具有不同的活性，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律有所不同[4]。在摻入粉煤灰、沙漠砂進(jìn)行沙漠砂高強(qiáng)混凝土配置試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn),不同齡期中各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的作用效果都不相同[5]。隨著沙漠砂替代率和粉煤灰摻量增加，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì)[6-7]。目前，關(guān)于單摻粉煤灰對(duì)沙漠砂混凝土抗凍性能影響的研究較少。本次研究設(shè)計(jì)了單因素影響試驗(yàn)，在水膠比不變的條件下，觀察粉煤灰摻量對(duì)沙漠砂混凝土養(yǎng)護(hù)期7、28 d的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能影響規(guī)律，分析沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度最佳粉煤灰摻量值，利用各次凍融后質(zhì)量損失率和動(dòng)彈模量損失率評(píng)定沙漠砂混凝土抗凍性能。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

(1) 試驗(yàn)材料。水泥,賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)；粗骨料，寧夏鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)人工碎石，采用兩級(jí)配合比，大石與小石質(zhì)量比為7 ∶3，其中小石粒徑5～10 mm，大石粒徑10～25 mm；中砂，寧夏鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)的人工水洗砂；沙漠砂，寧夏鹽池縣境內(nèi)采集的毛烏素沙地特細(xì)砂；粉煤灰，寧夏大壩電廠生產(chǎn)I級(jí)粉煤灰，含水率為0.19%，活性指數(shù)可達(dá)到72.4%，燒失量達(dá)2.81%；減水劑，北京幕湖外加劑有限公司生產(chǎn)的粉末狀聚羧酸高性能減水劑，減水率達(dá)到25%～30%；水，攪拌用水和養(yǎng)護(hù)用水均為自來水。

(2) 試驗(yàn)方案。沙漠砂混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為C45，選定水膠比為0.34，控制水膠比不變，設(shè)計(jì)不同粉煤灰摻量配制沙漠砂混凝土,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與抗凍性能試驗(yàn)。表1所示為單因素試驗(yàn)方案及配合比?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗凍試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組按照表1中試驗(yàn)配合比分別制作6個(gè)試件，試件制作完成24 h后拆模，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗凍性能試驗(yàn)[8]。采用快凍法，將沙漠砂混凝土在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Na2SO4等鹽堿溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，若凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到 300 次，或相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到 60%以下，或質(zhì)量損失率超過5%時(shí)，則判定凍融循環(huán)試驗(yàn)停止[9]。

表1 單因素試驗(yàn)配合比

2 抗壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)得沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)，各組測(cè)量值相對(duì)于中間值的誤差均未超過15%。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小，穩(wěn)定性較好，測(cè)得數(shù)據(jù)真實(shí)有效。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線(見圖1)。可以看出，隨著粉煤灰摻量增多，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度呈先上升而后以不等速率下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，粉煤灰在內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生水化反應(yīng)，膠凝材料重新均勻地填充于各個(gè)縫隙中，沙漠砂混凝土密實(shí)度大幅增強(qiáng)，從而使得28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)粉煤灰過量替代水泥時(shí)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成黏聚物減少，混凝土強(qiáng)度有所下降。

表2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響曲線

3 抗凍試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 外觀分析

在鹽堿溶液中,對(duì)沙漠砂混凝土進(jìn)行了不同次數(shù)凍融循環(huán)。隨著凍融循環(huán)持續(xù)進(jìn)行，沙漠砂混凝土外表面層產(chǎn)生了不同程度的損傷。

沙漠砂混凝土在初始未凍前，其表面平整，棱角完整無損傷。隨著凍融循環(huán)持續(xù)進(jìn)行，混凝土表面砂漿層逐漸出現(xiàn)剝蝕，表面變得粗糙。同時(shí)，其表面膠凝材料剝蝕量增加，細(xì)骨料外露，混凝土棱角也開始脫落，表層細(xì)骨料疏松而失去黏結(jié)力，導(dǎo)致細(xì)骨料和粗骨料出現(xiàn)分層脫落，使混凝土大量粗骨料外露，最終試件被破壞。

3.2 質(zhì)量損失率分析

質(zhì)量損失率是評(píng)定沙漠砂混凝土抗凍性能的參考指標(biāo)。與普通混凝土相似，在鹽溶液和凍融循環(huán)作用下，沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多呈上升趨勢(shì)，前期各組累計(jì)質(zhì)量損失小于后期累計(jì)質(zhì)量損失。在凍融前期，沙漠砂混凝土具有致密結(jié)構(gòu)層，可阻止外界環(huán)境侵蝕，導(dǎo)致前期質(zhì)量損失較少；但在凍融后期，凍融循環(huán)引起沙漠砂混凝土外表面和內(nèi)部損傷不斷累積，使得混凝土表層酥脆、結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的微裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致沙漠砂混凝土質(zhì)量損失增多[12-13]。圖2 所示為沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。

圖2 沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

3.3 沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量分析

3.3.1 動(dòng)彈模量損失率

在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析沙漠砂混凝土處于鹽堿溶液中的凍融循環(huán)后動(dòng)彈模量及動(dòng)彈模量損失率。 據(jù)混凝土損傷理論與損傷力學(xué)原理[10]，得：

σ=E0ε(1-D)

(1)

由材料力學(xué)可得：

(2)

將式(1)、(2)聯(lián)立，可得：

(3)

式中：D—— 混凝土動(dòng)彈模量損失率；

E0—— 混凝土初始動(dòng)彈模量；

En—— 混凝土各次凍融后的動(dòng)彈模量(殘余動(dòng)彈模量)。

動(dòng)彈模量是評(píng)價(jià)混凝土抗凍性能的重要指標(biāo)，動(dòng)彈模量越大，表明混凝土抗凍性越強(qiáng)。本次試驗(yàn)中，選取較大動(dòng)彈模量作為沙漠砂混凝土抗凍性最優(yōu)參數(shù)[11]，測(cè)得各次凍融循環(huán)下的動(dòng)彈模量(見表3)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

表3 各次凍融循環(huán)下的動(dòng)彈模量 GPa

注：“—”表示試件已凍壞。

3.3.2 動(dòng)彈模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖3所示為沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量損失率呈遞增趨勢(shì)。

圖3 沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

當(dāng)保持粉煤灰摻量為0不變時(shí)，沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而呈減小趨勢(shì)。以凍融循環(huán)100次為分界線進(jìn)行分析：凍融循環(huán)0次至100次，動(dòng)彈模量損失率較?。粌鋈谘h(huán)100次至200次，動(dòng)彈模量損失率較大。

當(dāng)保持粉煤灰摻量10%不變時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量呈減小趨勢(shì)。以凍融循環(huán)125次為分界線進(jìn)行分析：凍融循環(huán)0次至125次，動(dòng)彈模量損失率較小；凍融循環(huán)125次至225次，動(dòng)彈模量損失率較大。

當(dāng)保持粉煤灰摻量20%不變時(shí)，沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢(shì)。以凍融循環(huán)100次為分界線進(jìn)行分析：凍融循環(huán)0次至100次，動(dòng)彈模量損失率較?。粌鋈谘h(huán)100次至200次，動(dòng)彈模量損失率較大。

在凍融前期，動(dòng)彈模量損失率略微上升。這表明沙漠砂混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微裂紋和孔洞處于閉合狀態(tài)，處于混凝土結(jié)構(gòu)損傷較為弱化階段。在凍融后期，動(dòng)彈模量損失率加速上升。這表明沙漠砂混凝土在凍融循環(huán)作用下，前期損傷穩(wěn)步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致動(dòng)彈模量迅速降低[15]。

3.3.3 粉煤灰摻量對(duì)動(dòng)彈模量的影響

圖4所示為粉煤灰摻量對(duì)沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量影響曲線?？梢钥闯?，沙漠砂混凝土各次凍融后動(dòng)彈模量隨著粉煤灰摻量增多呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，凍融后各次動(dòng)彈模量達(dá)到最大值。這是由于適量摻入粉煤灰活性礦物，改善混凝土界面結(jié)構(gòu)和細(xì)化水泥漿體中孔徑分布，提高混凝土致密性，致使混凝土中可凍自由水遷移困難，且滲透壓不能有效釋放，從而可提高混凝土抗凍性能[16]。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量影響曲線

3.3.4 動(dòng)彈模量函數(shù)衰變模型

依據(jù)現(xiàn)有研究成果[16-19]，對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，建立沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量一次函數(shù)型凍融衰變模型：E=aN+b。表4所示為擬合各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線函數(shù)。模型中，各組試件擬合度均大于0.900 0。模型的擬合度越高，沙漠砂混凝土使用壽命預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確。

表4 各組試件函數(shù)衰變模型及擬合度

注：模型中N為凍融循環(huán)次數(shù)。

4 結(jié) 語

本次研究采用了單摻法，在保持水膠比不變的條件下，通過試驗(yàn)觀察不同粉煤灰摻量下沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能試驗(yàn)，分析其影響規(guī)律，并建立了沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量衰變模型。研究表明，沙漠砂混凝土7、28 d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量增多而呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率和動(dòng)彈模量損失率均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。沙漠砂混凝土各次凍融后動(dòng)彈模量隨著粉煤灰摻量增多而呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量10%時(shí)，凍融后各次動(dòng)彈模量達(dá)到最大值。沙漠砂混凝土動(dòng)彈模量衰變模型為一次函數(shù)型，可通過該模型對(duì)沙漠砂混凝土抗凍性能進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)與分析。