粉煤灰摻量對高水膠比混凝土抗裂能力的影響

高 鵬，胡 筱，辛建達(dá)，汪 娟

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

大體積混凝土由于膠凝材料的水化進(jìn)程會產(chǎn)生可觀的水化熱[1]。隨著混凝土溫度的升高，混凝土壓應(yīng)力出現(xiàn)并在接近溫峰時(shí)達(dá)到最大值；隨后，混凝土壓應(yīng)力由于應(yīng)力松弛和溫度下降逐漸減小，并逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。由于混凝土后期彈模的增長和徐變的減弱，拉應(yīng)力增幅明顯，一旦混凝土拉應(yīng)力超過同齡期混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土便會發(fā)生開裂。

為了降低大體積混凝土溫度開裂的風(fēng)險(xiǎn)，科研人員采取了多種有效的方式[1]。降低早齡期混凝土溫升就是一種有效的措施，目前多采用粉煤灰替代水泥的方式。粉煤灰由于自身的火山灰反應(yīng)，延緩了混凝土澆筑后的水化溫升速率，有效削弱混凝土的溫升幅值。對于粉煤灰替代率達(dá)50%以上的混凝土，通常稱為高摻量粉煤灰混凝土(HVFA)[2]。Zhang[2]研究了不同粉煤灰替代率混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、裂縫擴(kuò)展以及強(qiáng)度變化規(guī)律，分析了粉煤灰提高混凝土長期強(qiáng)度的機(jī)理；孫玉齊[3]研究了大壩用高摻量粉煤灰碾壓混凝土的強(qiáng)度規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰替代率為80%時(shí)，長期強(qiáng)度最好；周玲珠等[4]研究了粉煤灰替代率與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰替代率的增加，混凝土7～56 d齡期抗壓強(qiáng)度下降，粉煤灰替代率與抗壓強(qiáng)度基本呈線性關(guān)系；Ji[5]研究了粉煤灰替代率對高強(qiáng)混凝土(基準(zhǔn)組混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度為78 MPa)開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰替代率為60%時(shí)，混凝土的抗裂能力最優(yōu)。

通過查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前高摻量粉煤灰主要應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土，其對高水膠比普通混凝土的性能，特別是抵抗溫度開裂的影響尚無研究。雖然摻加粉煤灰可以降低混凝土溫升，進(jìn)而降低混凝土的約束應(yīng)力，但水化進(jìn)程的延緩也會同時(shí)降低混凝土強(qiáng)度的增速。混凝土的開裂是應(yīng)力和抗力交織的結(jié)果，粉煤灰替代率對高水膠比混凝土開裂行為的“凈”作用需要進(jìn)一步分析。

本文的主要研究內(nèi)容是考查不同粉煤灰替代率(0、20%、50%和80%)對高水膠比混凝土(本文混凝土材料的水膠比為0.45)材料參數(shù)和開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，采用混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)(Temperature stress testing machine)測量不同粉煤灰替代率混凝土的溫度應(yīng)力歷程并評價(jià)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，為大體積混凝土工程合理利用粉煤灰提供科研數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)項(xiàng)目

1.1 原材料

表1給出了混凝土的配合比。所有混凝土的水膠比(w/b)均為0.45?；炷涟韬筒捎闷胀ü杷猁}水泥，礦物成分(以質(zhì)量計(jì))為58.4% C3S、21.3% C2S、8.5% C4AF和7.4% C3A。粉煤灰表觀密度為2.34 g/cm3，化學(xué)成分(以質(zhì)量計(jì))為51.86% SiO2、25.98% Al2O3、8.02% Fe2O3、3.44% CaO、1.16% MgO、0.60% SO3、1.20% K2O、0.46% Na2O和1.25% R2O。細(xì)骨料和粗骨料最大粒徑分別為4 mm和20 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和步驟

1.2.1 材料參數(shù)測試

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]的相關(guān)要求，測量3、7 d和28 d齡期混凝土的彈性模量、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 溫度應(yīng)力測試

混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)原理如圖1所示。當(dāng)位移傳感器(LVDT)監(jiān)測的混凝土試件因溫變產(chǎn)生的變形到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的電機(jī)便會啟動，對試件施加荷載將試件壓/拉回原長，使試件處于近似100%約束狀態(tài)，每次循環(huán)產(chǎn)生一個應(yīng)力增量，隨著循環(huán)次數(shù)的累加，混凝土的溫度應(yīng)力不斷增長，當(dāng)混凝土拉應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)齡期抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土發(fā)生開裂，監(jiān)測的應(yīng)力曲線的突降表示裂縫的產(chǎn)生。

圖1 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)原理示意[7]

溫度應(yīng)力試驗(yàn)步驟如下：

(1)采用試驗(yàn)機(jī)溫度模板對試件進(jìn)行溫度控制，本文條件下，混凝土試件在前2 d齡期近似絕熱；隨后，混凝土開始緩慢溫降，模擬大體積混凝土溫降階段的溫度歷程。

(2)設(shè)定混凝土的約束度，本文條件下，約束度取1.0，保證混凝土處于完全約束狀態(tài)。

(3)試驗(yàn)機(jī)模板內(nèi)部刷油，鋪設(shè)一層塑料薄膜，保證試件處于密封狀態(tài)，阻止水分蒸發(fā)，同時(shí)防止由于模板接觸部分不夠緊密發(fā)生漏漿。

(4)混凝土各原材料按比例拌和后，用溫度計(jì)測量攪拌好的混凝土溫度，保證各試件具有相同的入模溫度，本文條件下，入模溫度統(tǒng)一取20 ℃。

(5)將拌和好的混凝土澆入模板內(nèi)部，分兩層澆筑，采用振搗棒振搗密實(shí)，抹平試件表面，覆蓋薄膜；將空心銅管埋于試件中點(diǎn)處，插入溫度傳感器。

(6)終凝前，將位移傳感器固定于試件中部，所有傳感器數(shù)據(jù)清零，啟動電機(jī)開始試驗(yàn)，直至試件破壞。

典型的混凝土溫度應(yīng)力變化歷程如圖2所示。

圖2 典型混凝土溫度應(yīng)力試件變形和累積應(yīng)力歷程曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 材料參數(shù)

表2給出了不同配合比混凝土的彈性模量、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。從表2可以看出，隨著粉煤灰替代率的增加，混凝土的力學(xué)性能逐漸減弱，變形性能逐漸增強(qiáng)。例如，F(xiàn)A0、FA20、FA50和FA80在28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為43.8、33.3、21.0 MPa和10.9 MPa，隨著粉煤灰替代率由0提高至20%、50%、80%，混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別下降了24%、52.1%、75.1%。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是混凝土內(nèi)部較弱的氫氧化鈣環(huán)境，使得粉煤灰的火山灰反應(yīng)導(dǎo)致C-S-H凝膠推遲產(chǎn)生[8]。

表2 混凝土彈性模量、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

混凝土相對彈性模量、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化曲線如圖3～5所示。隨著粉煤灰替代率的增加，混凝土性能前期增速放緩，后期增速提高。以彈性模量發(fā)展為例，由圖3可以看出，F(xiàn)A0、FA20、FA50和FA80在7 d齡期的彈性模量分別達(dá)到了28 d齡期彈性模量的77%、73%、65.8%和50%。

圖3 混凝土相對彈性模量歷程曲線

圖4 混凝土相對抗壓強(qiáng)度歷程曲線

圖5 混凝土相對劈拉強(qiáng)度歷程曲線

2.2 溫度應(yīng)力

采用混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)獲取的混凝土溫度應(yīng)力發(fā)展歷程曲線如圖6所示。

圖6 混凝土溫度應(yīng)力歷程曲線

溫度方面，混凝土的溫升ΔT采用式(1)計(jì)算

ΔT=Tmax-T0

(1)

式中，Tmax為混凝土的最高溫度；T0為混凝土的澆筑溫度。

FA0、FA20、FA50、FA80混凝土的溫升分別為31.4、22.9、14.7、8.6°C。隨著粉煤灰替代率由0提高至20%、50%和80%，混凝土的溫升分別降低了7.1%、53.6%和72.6%。與預(yù)期一致，粉煤灰替代率的提高降低了混凝土早期水化熱，有效削弱了早期溫升。

應(yīng)力方面，隨著混凝土溫度的逐漸升高，混凝土壓應(yīng)力隨之增大，F(xiàn)A0、FA20、FA50、FA80的最大壓應(yīng)力分別為-2.05、-1.31、-0.57、-0.11 MPa；隨著粉煤灰替代率的增加，最大壓應(yīng)力分別降低了36.1%、72.2%、94.6%；溫峰過后，混凝土壓應(yīng)力隨著溫度的下降和松弛作用逐漸減小，并在第二零應(yīng)力點(diǎn)時(shí)刻[9]完全消散，隨后開始產(chǎn)生拉應(yīng)力，應(yīng)力曲線的突降標(biāo)志混凝土發(fā)生了開裂，應(yīng)力釋放。FA0、FA20、FA50、FA80開裂時(shí)刻的應(yīng)力分別為1.78、1.63、0.95、0.33 MPa，混凝土開裂時(shí)刻的應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)件獲取的劈拉強(qiáng)度的比值分別為0.62、0.75、0.74、0.64，平均值為0.69。

2.3 開裂風(fēng)險(xiǎn)

對于由溫度作用導(dǎo)致的混凝土開裂，通常采用開裂時(shí)刻的溫度(Tc)評價(jià)開裂風(fēng)險(xiǎn)[9]。一般而言，開裂時(shí)刻的溫度越低，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)越小。圖7給出了FA0、FA20、FA50、FA80的開裂溫度和粉煤灰替代率的關(guān)系。從圖7可以看出，F(xiàn)A0、FA20、FA50、FA80的開裂溫度分別為36.9、30.6、21.8、21.6 ℃。隨著粉煤灰替代率的增加，混凝土的溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)逐漸減小，但當(dāng)粉煤灰替代率增到80%時(shí)，溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)較FA50沒有明顯改觀。

圖7 混凝土開裂溫度與粉煤灰替代率關(guān)系曲線

混凝土的開裂與約束應(yīng)力和抗力的幅值密切相關(guān)。盡管FA80的最高溫度最低，但FA80的抗拉強(qiáng)度降低更為明顯(見表2)，使得最高溫度下降帶來的約束應(yīng)力下降的優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)。因此，從防止溫度開裂的角度，對于高水膠比混凝土，粉煤灰替代率在50%是合理的，這一結(jié)果與Ji[5]對高強(qiáng)混凝土的研究結(jié)果接近(高強(qiáng)混凝土的粉煤灰最優(yōu)替代率為60%)。

圖8給出了混凝土第二零應(yīng)力點(diǎn)溫度與最高溫度的比值關(guān)系。從圖8可以看出，該比值維持在88%～93%，并隨粉煤灰替代率的增加輕微增長。該值也與Schindler等人[10]的研究成果(92%～94%)接近。混凝土的約束應(yīng)力受溫度歷程、彈模以及徐變等多種因素共同作用，當(dāng)監(jiān)測的混凝土溫度低于第二零應(yīng)力點(diǎn)溫度后，混凝土開始產(chǎn)生拉應(yīng)力，工程技術(shù)人員可根據(jù)該系數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測溫度，簡單評估混凝土的應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 混凝土第二零應(yīng)力點(diǎn)溫度與最高溫度比值

3 結(jié) 論

(1)隨著粉煤灰替代率由0增至80%，混凝土28 d齡期的彈性模量、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降低了49.4%、68.4%和75.1%。

(2)隨著粉煤灰替代率由0增至20%、50%和80%，混凝土開裂時(shí)刻的應(yīng)力與劈拉強(qiáng)度的比值分別為0.62、0.75、0.74和0.64，平均值約為0.69。

(3)溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土第二零應(yīng)力點(diǎn)溫度與最高溫度的比值約為0.88～0.93。隨粉煤灰替代率增加略有提高，該比值可作為工程技術(shù)人員現(xiàn)場評估混凝土壓/拉應(yīng)力狀態(tài)指標(biāo)。

高水膠比混凝土的開裂溫度(開裂風(fēng)險(xiǎn))隨粉煤灰替代率由0增至50%逐漸減小，繼續(xù)提高粉煤灰替代率至80%對混凝土開裂溫度(開裂風(fēng)險(xiǎn))影響不大?；诒疚脑囼?yàn)結(jié)果，高水膠比混凝土粉煤灰替代率不宜超過50%。