粉煤灰摻量對(duì)C45自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的影響

魏江濤，謝幫華，李秋香，趙江倩，宋廣春，章 攀

(南昌工程學(xué)院 1.土木與建筑工程學(xué)院；2.瑤湖學(xué)院，江西 南昌 330099)

自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性和自密實(shí)性，粉煤灰的摻入可以改善混凝土的和易性，降低水化熱，直接影響混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，粉煤灰在自密實(shí)混凝土中的應(yīng)用尤為重要。

韓宏偉[1]等人研究低水膠比的自密實(shí)混凝土發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以有效減少混凝土由于塑性收縮而產(chǎn)生的裂縫改善強(qiáng)度。周玲珠[2]等人研究粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土性能影響發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，而隨著齡期增加，由于粉煤灰化學(xué)反應(yīng)緩慢，提高了混凝土后期強(qiáng)度。膠凝材料硬化產(chǎn)生的水化熱會(huì)使混凝土內(nèi)外溫差增大，粉煤灰的摻入可以有效降低混凝土水化熱，在14d齡期，混凝土水化熱較純水泥混凝土減少30%左右，28d齡期時(shí)減少10%左右[3]。黃維蓉[4]等人在研究粉煤灰對(duì)C30自密實(shí)混凝土的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的摻入可以提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)粉煤灰可以提高自密實(shí)混凝土強(qiáng)度，而普通混凝土中摻入粉煤灰則會(huì)使強(qiáng)度降低。蔡升宇[5]等研究30%～60%摻量的粉煤灰發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰的微集料效應(yīng)，隨著粉煤灰摻入量的增加，混凝土總開裂面積有效降低。焦庭林[6]等發(fā)現(xiàn)在自密實(shí)混凝土中摻入20kg，40kg，60kg(33%)粉煤灰時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度依然隨養(yǎng)護(hù)齡期增加逐漸增強(qiáng)。李十泉[7]等通過電鏡掃描解釋了隨著粉煤灰摻入量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度下降的主要原因，即大量摻入粉煤灰會(huì)削弱MKP晶體之間的聯(lián)系。史星祥[8]等通過摻入10%～50%粉煤灰，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量小于40%時(shí)，混凝土流動(dòng)性隨著粉煤灰摻量的增加而增加，當(dāng)粉煤灰會(huì)摻量超過40%時(shí)，混凝土黏聚性增加。李國(guó)榮[9]等研究表明粉煤灰摻量在25%以上時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，混凝土的抗凍性能也隨粉煤灰的摻量發(fā)生改變，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)要求合理控制粉煤灰的摻入量。曹健[10-11]等研究了高摻粉煤灰時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化情況，強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于平緩，彈性模量的變化也較平緩，摻入0%，15%，30%的粉煤灰時(shí)，混凝土徐變隨著粉煤灰摻量的增加而減小。

采用粉煤灰改善混凝土強(qiáng)度的研究還有很多，而自密實(shí)混凝土方面的報(bào)道較少，特別是粉煤灰摻量較高時(shí)，研究較少。本文在控制C45混凝土強(qiáng)度基礎(chǔ)上，研究粉煤灰摻入量在0%～40%時(shí)，C45自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，從而得出C45自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)的粉煤灰摻量。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用江西南昌海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用江西新余Ⅱ級(jí)粉煤灰；粗骨料采用江西南昌本地碎石，細(xì)石粒徑在4.75～9.5mm之間，級(jí)配合格；砂為江西南昌本地河砂，經(jīng)測(cè)試細(xì)度模數(shù)為2.1；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率26%；試驗(yàn)用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

C45自密實(shí)混凝土的配合比按照J(rèn)GJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配置，水灰比為0.35，聚羧酸減水劑用量為1%，如表1所示。自密實(shí)混凝土強(qiáng)度測(cè)定采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，共制備9組試樣。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，評(píng)判混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)應(yīng)以邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件的強(qiáng)度為依據(jù)，故在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，自密實(shí)混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度需乘以系數(shù)0.95。依據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，如圖1所示。分別測(cè)定自密實(shí)混凝土齡期為3d，7d，14d，28d，60d時(shí)的抗壓強(qiáng)度，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 混凝土抗壓破壞試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)實(shí)況

表1 自密實(shí)混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

粉煤灰具備球狀顆粒特性，表面光滑，在普通混凝土中應(yīng)用廣泛。自密實(shí)混凝土中摻入粉煤灰，可以有效地提高混凝土的流動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)表明，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性隨著粉煤灰摻入量的增加，流動(dòng)性增大。普通C45混凝土28d抗壓強(qiáng)度為45MPa，養(yǎng)護(hù)齡期3d，7d，14d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為14.8MPa，26.3MPa和35.6MPa。摻粉煤灰C45自密實(shí)混凝土3d，7d，14d的抗壓強(qiáng)度最大值分別達(dá)到38.7MPa，44.7MPa和44.9MPa，相較于普通混凝土分別增長(zhǎng)161.5%，70%和22.1%。按照150mm×150mm×150mm標(biāo)注試塊折算，C45自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，如表2所示。

表2 C45自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

2.1 不同齡期，粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

眾所周知，混凝土的孔隙率直接影響到混凝土的強(qiáng)度，粉煤灰摻入自密實(shí)混凝土，可以降低自密實(shí)混凝土的孔隙率，使水泥基體更密實(shí)。如圖2所示，粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土各齡期的強(qiáng)度影響比較明顯，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，摻入20%的粉煤灰時(shí)，自密實(shí)混凝土7d強(qiáng)度達(dá)到44.7MPa，達(dá)到了C45混凝土28d強(qiáng)度的99.3%；60d強(qiáng)度高達(dá)60MPa。

圖2 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化

圖2(a)中表明養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低，主要因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土3 d的水化產(chǎn)物數(shù)量隨著粉煤灰取代水泥的量不斷增加而減少，二次水化作用不明顯。自密實(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和14 d時(shí)，如圖2(b)～(c)，粉煤灰摻量小于20%時(shí)，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的影響較小；粉煤灰摻量大于20%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量增加而呈下降趨勢(shì)。自密實(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，摻入20%粉煤灰自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，相較于不摻粉煤灰，其抗壓強(qiáng)度增加14.8%，且粉煤灰摻量α=10%～30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度相較于不摻入粉煤灰時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)2.5%，10.1%，13.8%和7.3%，均達(dá)到45MPa。粉煤灰摻入為35%，40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低1.8%，11.3%。主要因?yàn)榇罅繐饺敕勖夯?，降低了水泥含量，膠凝材料減少較大，且粉煤灰活性較低，水化反應(yīng)較緩慢。如圖2(d)所示，粉煤灰摻量為20%～25%時(shí)，C45自密實(shí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度較大，粉煤灰摻量最優(yōu)。隨著粉煤灰充分發(fā)生二次水化反應(yīng)，自密實(shí)混凝土60d強(qiáng)度，摻入量α=5%～35%時(shí)，相比未摻粉煤灰自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)15.7%，23.6%，28%，31%，32.7%，31.1%，22.0%，如圖2(e)；在粉煤灰摻入為40%時(shí)，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到45.5MPa，其抗壓強(qiáng)度基本和未摻粉煤灰時(shí)的試塊強(qiáng)度一致。考慮自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，C45自密實(shí)混凝土粉煤灰的摻入可以選擇40%。

2.2 不同粉煤灰摻量，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

如圖3所示，自密實(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)3d～7d之間強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，28d～60d之間強(qiáng)度增長(zhǎng)較小。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，粉煤灰的微集料效應(yīng)以及粉煤灰與水泥、水等進(jìn)行反應(yīng)，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度增加，在粉煤灰摻量為25%時(shí)，其60d強(qiáng)度達(dá)到最佳；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度在14d到60d時(shí)增長(zhǎng)較明顯，因?yàn)榛炷林袣溲醺x子隨著水泥水化逐漸增加，粉煤灰得到充分反應(yīng)，同時(shí)粉煤灰顆粒在混凝土內(nèi)進(jìn)行填充，進(jìn)而在化學(xué)和物理性能上增強(qiáng)了混凝土后期強(qiáng)度。

圖3 不同粉煤灰摻量，混凝土抗壓強(qiáng)度—齡期變化折線圖 圖4 摻粉煤灰C45自密實(shí)混凝土齡期強(qiáng)度模型

眾所周知，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷升高，且普通混凝土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[12]：

(1)

其中n為養(yǎng)護(hù)齡期；fcc，n為普通混凝土養(yǎng)護(hù)nd時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度；fcc，28為混凝土養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度；lgn，lg 28分別表示以10為底的對(duì)數(shù)。

如圖4所示，摻粉煤灰的C45自密實(shí)混凝土隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其強(qiáng)度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)明顯。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，擬合度為0.99，摻入粉煤灰C45自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度模型可表示為

(2)

其中n為養(yǎng)護(hù)齡期fcc，n為混凝土養(yǎng)護(hù)nd時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度；fcc，3為混凝土養(yǎng)護(hù)3d時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度；lgn，lg 28分別表示以10為底的對(duì)數(shù)。由式(2)可知，測(cè)定摻粉煤灰C45自密實(shí)混凝土3 d的強(qiáng)度值，可以有效地預(yù)測(cè)其它齡期的強(qiáng)度值。

從混凝土齡期與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著齡期增加，混凝土抗壓強(qiáng)度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)自密實(shí)混凝土未摻入粉煤灰時(shí)，隨著齡期增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度緩慢，主要由于水泥作為膠凝材料提供混凝土抗壓強(qiáng)度，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯；如圖3，當(dāng)粉煤灰摻入5%～40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而逐漸增加；在摻入25%粉煤灰時(shí)，養(yǎng)護(hù)3 d，混凝土抗壓強(qiáng)度相較于不摻入粉煤灰的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)-13.3%，隨著齡期繼續(xù)增加，在7d，14d，28d，60d時(shí)，相較于不摻入粉煤灰時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)-2.3%，2.2%，13.8%和32.7%，主要由于粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)度較強(qiáng)的C-S-H凝膠，同時(shí)粉煤灰粒徑小，含有大量玻璃微珠，可以減少混凝土的用水量，提高混凝土的致密性，并且粉煤灰的摻入可以有效提高自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性，改善混凝土的結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土后期強(qiáng)度，則摻入粉煤灰時(shí)，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期增加，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3 結(jié)論

當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，粉煤灰能較好地改善自密實(shí)混凝土強(qiáng)度，各齡期強(qiáng)度變化明顯，且能有效地降低自密實(shí)混凝土的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。C45自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)摻入20%的粉煤灰，C45自密實(shí)混凝土7 d強(qiáng)度達(dá)到44.7 MPa，60 d強(qiáng)度高達(dá)60 MPa；摻入量為25%時(shí)，60 d抗壓強(qiáng)度最高，為61.8 MPa。

(2)粉煤灰摻量為25%時(shí)，粉煤灰取代水泥的效果最佳；結(jié)合自密實(shí)混凝土的力學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，粉煤灰經(jīng)濟(jì)摻入量為40%。

(3)摻入粉煤灰時(shí)，C45自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度模型可用式(2)表示。