多種因素對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響

邸云菲, 袁楓斌, 劉江

(1.滁州學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院, 安徽滁州239000；2.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司, 北京100195; 3.中交第四航務(wù)工程局有限公司總承包分公司, 廣州510290)

引言

粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，在混凝土中合理使用不僅可以實現(xiàn)其資源利用，而且由于取代了大量水泥，還可以節(jié)約資源和能源消耗、減輕環(huán)境負(fù)荷。目前大摻量粉煤灰混凝土已經(jīng)應(yīng)用于道路工程、大體積混凝土工程及橋梁下部結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。研究表明，大摻量粉煤灰混凝土將是綠色高性能混凝土的重要發(fā)展方向[1]。然而，多項研究成果及工程實例表明，大摻量粉煤灰混凝土由于取代了大部分水泥，導(dǎo)致粉煤灰的活性激發(fā)不完全，從而使得其早期性能偏低[2-5]。在實際運用中，施工單位會越來越重視混凝土材料的早期性能，而大摻量粉煤灰混凝土由于自身的缺陷限制了其在工程中的推廣應(yīng)用。

如果不能解決大摻量粉煤灰混凝土早期性能發(fā)展緩慢的問題，其推廣應(yīng)用將會受阻。已有研究表明，養(yǎng)護(hù)溫度的升高可以使粉煤灰的活性提前發(fā)揮出來。Payá等人[6]的研究表明，采用較高的溫度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時會提高粉煤灰的水化反應(yīng)程度，對粉煤灰混凝土的強(qiáng)度起到正面的影響。劉麗娜等人[7]的研究表明較高的養(yǎng)護(hù)溫度對大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展是有利的。除了通過提高養(yǎng)護(hù)溫度來提高材料的早期性能外，有研究表明，石灰石粉作為一種輔助性膠凝材料，不僅可與水泥中的礦物組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而且能促進(jìn)水泥的水化[8-9]。楊夢卉[8]利用水化熱法分析了不同摻量的石灰石粉與粉煤灰混合膠凝體系的水化過程，發(fā)現(xiàn)石灰石粉可以補償粉煤灰早期活性低的缺陷，起到了加速水化的作用；此外，還發(fā)現(xiàn)在粉煤灰混凝土中添加高效減水劑，可以明顯提高粉煤灰混凝土的工作性能，降低水膠比，提高粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度。Tkaczewska[10]研究了高效減水劑類型對復(fù)合膠凝體系凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明摻入不同高效減水劑都使得初凝時間明顯延長，但抗壓強(qiáng)度值的增長卻不明顯。Jang等人[11]研究了摻高效減水劑的堿活化粉煤灰/礦渣水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明當(dāng)聚羧酸系高效減水劑含量超過2%時，對混凝土前7天的強(qiáng)度有影響。Sharma等人[12]在水泥漿體系中混摻不同種類的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)加入高效減水劑可以提高漿體的強(qiáng)度。張旭賢[13]研究了高效減水劑與粉煤灰耦合使用對混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明當(dāng)粉煤灰摻量為25%且高效減水劑摻量為1.0%時，混凝土強(qiáng)度最大。

以上研究主要是針對粉煤灰混凝土，卻沒有對大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行相關(guān)的研究，同時各個影響因素之間相互耦合對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響也很缺乏研究。鑒于此，本文通過添加高效減水劑、石灰石粉以及提高養(yǎng)護(hù)溫度來改善大摻量粉煤灰混凝土的早期抗壓強(qiáng)度及初凝、終凝時間，為確定高性能大摻量粉煤灰混凝土的配方比打下基礎(chǔ)，為提出適合大摻量粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)方案做出貢獻(xiàn)。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

水泥采用的是江南小野田水泥廠生產(chǎn)的PII52.5型硅酸鹽水泥；粉煤灰是電廠生產(chǎn)的二級粉煤灰；石灰石粉是電廠使用的脫硫粉，技術(shù)指標(biāo)滿足《石灰石粉混凝土》(GB-T 30190-2013)中的規(guī)定；減水劑采用的是減水率為25%～40%的聚羧酸系高效減水劑；砂子是天然河砂，為中砂；石子由石灰?guī)r破碎而成，粒徑為5 mm～25 mm。水泥及粉煤灰的化學(xué)組成見表1。

表1 原材料的化學(xué)組成

1.2 試驗方案

確定了四種影響大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能和凝結(jié)時間的因素，即粉煤灰摻量、高效減水劑摻量、石灰石粉摻量和養(yǎng)護(hù)溫度，考察這些因素的變化對大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響。粉煤灰摻量分別設(shè)為30%、50%及70%；高效減水劑摻量分別設(shè)為1%、1.2%及1.5%；石灰石粉摻量分別設(shè)為0%、6%及8%；養(yǎng)護(hù)溫度分別設(shè)為室溫、40 ℃及60 ℃。按照正交試驗的原理，混凝土試驗配方見表2。

按混凝土的配方制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，測試大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間和不同齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

抗壓強(qiáng)度試驗采用的是150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件，分別測試其在3 d、7 d、14 d及28 d的抗壓強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表3；測試混凝土拌合物的初凝、終凝時間，凝結(jié)時間的判定嚴(yán)格按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)中的規(guī)定，試驗結(jié)果如圖1 所示。

表2 混凝土試驗配方

表3 不同配方下大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度

圖1 不同配方下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間

2.1 粉煤灰摻量對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響

不同粉煤灰摻量下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖2 所示。

圖2 不同粉煤灰摻量下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

從圖2 中可知，粉煤灰摻量為30%、50%及70%時，其第28天抗壓強(qiáng)度分別為42.5 MPa、37.6 MPa及12.8 MPa，摻量為50%和70%時比摻量為30%的抗壓強(qiáng)度分別下降了4.9 MPa和29.7 MPa。以上結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度在下降，這主要是由于粉煤灰在前期活性較低，基本不參與水化，水化產(chǎn)物較少。當(dāng)粉煤灰的摻量超過50%時，大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度下降明顯。

不同粉煤灰摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間如圖3 所示。

圖3 不同粉煤灰摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間

從圖3 中可知，粉煤灰摻量的增加導(dǎo)致混凝土的凝結(jié)時間延長，這主要是由于粉煤灰前期活性較低，按比例取代水泥后使得試樣的實際水灰比增大，這會減慢水泥的水化速率，同時形成空間搭接網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的速度也減慢，最終導(dǎo)致混凝土的凝結(jié)硬化過程變慢。前人的研究也發(fā)現(xiàn)粉煤灰取代比例越大，水化速率越慢，凝結(jié)硬化時間也延長更多

[14]

。

2.2 減水劑對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響

不同減水劑摻量下大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度變化如圖4 所示。

圖4 不同減水劑摻量下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖4 可知當(dāng)減水劑摻量為1.2%時，大摻量粉煤灰混凝土前28天的強(qiáng)度增長是最快的，減水劑摻量為1%時次之，減水劑摻量為1.5%時前28天的強(qiáng)度增長最慢。

不同減水劑摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間如圖5 所示。

圖5 不同減水劑摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間

從圖5 可知，當(dāng)減水劑摻量為1%、1.2%及1.5%時，大摻量粉煤灰混凝土初凝時間分別為95 min、120 min及150 min，終凝時間分別為745 min、840 min及945 min。以上結(jié)果表明，隨著減水劑的增多，大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)硬化過程變慢，其原因在于減水劑的分散作用阻礙了絮凝結(jié)構(gòu)的生成，高效減水劑摻量越多，分散作用越強(qiáng)，導(dǎo)致凝結(jié)硬化更慢。

2.3 石灰石粉摻量對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響

不同石灰石粉摻量下大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度變化如圖6 所示。

圖6 不同石灰石粉摻量下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖6 可知，在第3天齡期時，石灰石粉摻量為0%、6%及8%時，混凝土抗壓強(qiáng)度分別為20 MPa、6 MPa、及5.6 MPa，石灰石粉的摻入使得混凝土前3天的抗壓強(qiáng)度下降明顯，這主要由于石灰石粉取代了一部分水泥，使水化產(chǎn)物少，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降明顯[15]。在3天齡期以后，摻入石灰石粉的大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增長變快，到達(dá)28天齡期時，三種摻量的大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度分別為37.6 MPa、30.9 MPa、及29.3 MPa，結(jié)果表明當(dāng)石灰石粉取代水泥越多時，大摻量粉煤灰混凝土在第28天的強(qiáng)度下降就越多。

不同石灰石粉摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間如圖7 所示。

圖7 不同石灰石粉摻量下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間

從圖7 可知，石灰石粉摻量為0%、6%及8%時，大摻量粉煤灰混凝土初凝時間分別為120 min、165 min及170 min，終凝時間分別為840 min、830 min及825 min，這表明石灰石粉的摻入推遲了大摻量粉煤灰混凝土的初凝時間，但縮短了其終凝時間。

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能及凝結(jié)時間的影響

不同養(yǎng)護(hù)溫度下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖8 所示。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)溫度下大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

從圖8 可知，14天以前，大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而升高，說明提高養(yǎng)護(hù)溫度可以使粉煤灰更快發(fā)揮活性，提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度；到達(dá)14天齡期時，在室溫、40 ℃及60 ℃的養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為34.9 MPa、39.9 MPa和41.9 MPa，40 ℃及60 ℃比室溫的抗壓強(qiáng)度分別增長了14.3%和20.1%；達(dá)到28天齡期時，室溫及40 ℃養(yǎng)護(hù)下的混凝土抗壓強(qiáng)度仍有增加，而60 ℃下混凝土抗壓強(qiáng)度卻急劇下降，僅為33.4 MPa，且凝土的表面存在細(xì)微裂縫，說明60 ℃養(yǎng)護(hù)下大摻量粉煤灰混凝土由于其內(nèi)部毛細(xì)孔中的水蒸發(fā)過快，使其表面因毛細(xì)吸附力的增大而產(chǎn)生細(xì)微裂縫，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降明顯。

不同養(yǎng)護(hù)溫度下大摻量粉煤灰混凝土的凝結(jié)時間如圖9 所示。

圖9 不同養(yǎng)護(hù)溫度下大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間

從圖9 可知，提高養(yǎng)護(hù)溫度可以減小大摻量粉煤灰混凝土的初凝及終凝時間；混凝土試樣的凝結(jié)時間在40 ℃及60 ℃養(yǎng)護(hù)時比室溫養(yǎng)護(hù)分別降低了42.9%和57.1%，表明養(yǎng)護(hù)溫度對大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間的影響是十分顯著的，這主要是因為，前期養(yǎng)護(hù)溫度較高的話，膠凝材料水化速率較快，形成空間網(wǎng)狀體系更加迅速，從而導(dǎo)致混凝土初凝及終凝時間縮短。

3 結(jié)論

(1)伴隨粉煤灰摻量的增加，大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度不斷下降，當(dāng)粉煤灰摻量超過50%后，混凝土3天齡期時的抗壓強(qiáng)度下降明顯，同時，粉煤灰摻量的增加使得混凝土的凝結(jié)硬化過程變得更緩慢。

(2)當(dāng)減水劑摻量為1.2%時，大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度增長最快，摻量為1%時次之，摻量為1.5%最慢；并且，減水劑的分散作用延緩了大摻量粉煤灰混凝土的凝結(jié)硬化過程。

(3)3天齡期以前，當(dāng)石灰石粉按比例取代水泥用量時，水化產(chǎn)物少，大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度下降明顯；3天齡期以后，摻入石灰石粉的大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度的增長率比不摻石灰石粉的要快；石灰石粉取代水泥用量越多，混凝土在28天齡期的強(qiáng)度下降也越多；石灰石粉的加入縮短了大摻量粉煤灰混凝土的終凝時間。

(4)養(yǎng)護(hù)溫度的提高，加快了水泥水化，使得大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)硬化過程變短；14天齡期以前，養(yǎng)護(hù)溫度的提高使得大摻量粉煤灰混凝土提前發(fā)生二次水化，其早期抗壓強(qiáng)度得到較快提高；14天齡期以后，60 ℃養(yǎng)護(hù)時，大摻量粉煤灰混凝土由于內(nèi)部毛細(xì)孔水分蒸發(fā)過快使得其表面產(chǎn)生細(xì)微裂縫，強(qiáng)度下降明顯。

本文旨在研究多種因素對大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時間的影響，而多種影響因素耦合作用下大摻量粉煤灰混凝土早期抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時間的變化將是下一步重點研究的方向。