含粉煤灰微珠混凝土的強(qiáng)度和徐變特性研究

和文超，薛 靜，王 偉

（1.長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，山西長(zhǎng)治 046000；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024；3.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

混凝土和水泥一直是建筑行業(yè)中主要的建筑材料，但是水泥和混凝土的生產(chǎn)和使用消耗了大量的自然資源，對(duì)可持續(xù)發(fā)展十分不利。為了實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的目標(biāo)，十分有必要尋找替代材料。粉煤灰是煤炭燃燒后的廢棄物，由于富含二氧化硅和氧化鋁相，具有替代水泥作為膠凝材料的潛力［1］。但是不同類型的粉煤灰具有不同的礦物成分，如空心微珠、殘?zhí)?、氧化鋁和稀有金屬元素等，在進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行分離和提?。?］。這其中，粉煤灰微珠富含二氧化硅和金屬氧化物，具有粒徑小、活性高的特點(diǎn)［3］。

許多學(xué)者對(duì)粉煤灰微珠作為替代膠凝材料的可行性及性能進(jìn)行了研究。例如王杰等［4］和郭峻驛等［5］分別利用粉煤灰微珠制備低密度的水泥和泡沫混凝土，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明合理地添加粉煤灰微珠能夠改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)［4］，可以大量摻入以降低材料的生產(chǎn)成本［5］。王雪蓮［6］、黃偉等［7］和李宇容等［8］分別對(duì)粉煤灰微珠改性混凝土的強(qiáng)度、收縮性能、流動(dòng)性和保溫性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)姆勖夯椅⒅閾搅亢退z質(zhì)量比（簡(jiǎn)稱水膠比）可以提高混凝土的強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性［6］，適量的粉煤灰微珠也可以改善混凝土的保溫性能［7］和流動(dòng)性能［8］。同時(shí)，劉應(yīng)強(qiáng)等［9］和LI等［10］對(duì)含粉煤灰膠凝材料的強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，證明粉煤灰微珠能夠改善膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)［10］，提高膠凝材料的力學(xué)性能［9］。此外，也有學(xué)者對(duì)粉煤灰微珠應(yīng)用在聚合物中的可行性［11］以及養(yǎng)護(hù)條件［12］對(duì)粉煤灰微珠混凝土性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，并獲得了建設(shè)性的結(jié)論。

由以上內(nèi)容可知，粉煤灰微珠作為替代膠凝材料制備混凝土?xí)r可以獲得良好的強(qiáng)度、保溫和工作性能。但是在實(shí)際工程環(huán)境下，混凝土?xí)茌d而發(fā)生徐變，而目前對(duì)粉煤灰微珠混凝土強(qiáng)度發(fā)展與受載徐變相關(guān)性方面的研究較少。為此，本文利用粉煤灰微珠按照0%、10%、20%和30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）替代水泥作為膠凝材料制備了4種不同的混凝土試樣，通過(guò)力學(xué)測(cè)試、徐變實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)不同粉煤灰微珠摻量下混凝土試樣的強(qiáng)度發(fā)展、徐變變形規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行研究，并從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)粉煤灰微珠對(duì)混凝土宏觀特性的影響進(jìn)行了解釋。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用的水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為130 min和195 min，水泥的密度和比表面積分別為3 010 kg/m3和2 250 m2/kg，化學(xué)成分如表1所示。采用的粉煤灰微珠為西卡公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)粉煤灰微珠，該微珠的密度為2 440 kg/m3，化學(xué)成分如表1所示。微珠和水泥的粒徑分布曲線如圖1所示，圖中C代表水泥，F(xiàn)MB代表粉煤灰微珠，下同。由表1和圖1可知，粉煤灰微珠中的二氧化硅和三氧化二鋁的含量較高；粉煤灰微珠的粒徑相比于水泥更小。

表1 水泥和粉煤灰微珠的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of cement and fly ash microbeads %

圖1 粉煤灰微珠和水泥的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of fly ash microbeads and cement

1.2 試樣分組及實(shí)驗(yàn)方法

為了研究不同粉煤灰微珠含量的試樣的徐變特征，分別用粉煤灰微珠按0%、10%、20%和30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）替代水泥作為膠凝材料。細(xì)骨料是最大粒徑為4.75 mm的河砂；粗骨料是粒徑為4.75～22 mm的碎石；水膠比為0.4；同時(shí)按照3.5 kg/m3的比例添加了萘系高效減水劑。不同試樣的分組和單位體積試樣的材料質(zhì)量配比如表2所示。

表2 試樣分組及單位體積試樣的配比Table 2 Sample grouping and ratio of samples per unit volume

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目標(biāo)，每種試樣均制備3種不同規(guī)格的試件。其中，抗壓實(shí)驗(yàn)采用的是尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件；彈性模量測(cè)試采用的為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱形試樣；徐變實(shí)驗(yàn)則采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱試件。參照表2和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行試樣的配比、攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為95%以上）到設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)；強(qiáng)度和彈性模量實(shí)驗(yàn)步驟參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》；徐變實(shí)驗(yàn)步驟參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在徐變實(shí)驗(yàn)中試樣的豎向荷載分別為4種試樣7 d抗壓強(qiáng)度的25%；分別在完成7、14、28、45、60、90、120、150、180 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行徐變實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同粉煤灰微珠試樣的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知，隨著齡期的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度均逐漸增加，且在齡期≤28 d時(shí)，對(duì)照組試樣的抗壓強(qiáng)度高于摻入粉煤灰微珠試樣的抗壓強(qiáng)度；其中，C、FMB10、FMB20和FMB30試樣在28 d的抗壓強(qiáng)度分別為59.1、55.3、52.4、44.3 MPa。但是與不含粉煤灰微珠試樣的對(duì)照組相比，摻入粉煤灰微珠后試樣的抗壓強(qiáng)度長(zhǎng)期增長(zhǎng)率明顯增強(qiáng)；當(dāng)齡期達(dá)到90 d時(shí)C、FMB10、FMB20和FMB30試樣的抗壓強(qiáng)度分別為64.5、66.5、68.7、57.7 MPa；同樣的，當(dāng)齡期達(dá)到180 d時(shí)，F(xiàn)MB10和FMB20試樣的強(qiáng)度仍然高于對(duì)照組試樣C的抗壓強(qiáng)度。由此可知，摻入適量的粉煤灰微珠對(duì)混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度有利，而且粉煤灰微珠摻量為20%對(duì)試樣90～180 d的抗壓強(qiáng)度最有利。

圖2 不同齡期試樣的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength at different ages

為了進(jìn)一步反映粉煤灰微珠對(duì)混凝土強(qiáng)度增加的影響規(guī)律，分別對(duì)7～28 d、28～90 d和90～180 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，試樣在7～28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)分別為24.1%、27.3%、30.9%和30.2%。但是在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)，試樣在28～90 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為9.1%、20.2%、31.3%和30.3%，在90～180 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為4.84%、4.58%、4.71%和7.19%。由此可以看出粉煤灰微珠對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用較弱；但是對(duì)混凝土28～90 d時(shí)強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用明顯，尤其是在摻量≥20%時(shí)；在養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于90 d時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均顯著下降且隨著粉煤灰微珠摻量的增加變化較弱。

圖3 不同齡期試樣抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Fig.3 Growth rate of compressive strength

2.2 彈性模量

不同粉煤灰微珠摻量下混凝土的彈性模量變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律類似，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，彈性模量均逐漸增加，且在齡期≤28 d時(shí)，對(duì)照組的彈性模量最大；當(dāng)齡期≥90 d時(shí)，F(xiàn)MB20試樣的彈性模量最大。這也能說(shuō)明粉煤灰微珠對(duì)混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性能增長(zhǎng)有利。

圖4 不同試樣的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of different samples

但是彈性模量的增長(zhǎng)率隨著粉煤灰微珠摻量的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰微珠的變化規(guī)律稍有不同，結(jié)果見圖5。由圖5可知，混凝土7～28 d和28～90 d的彈性模量增長(zhǎng)率隨著粉煤灰微珠摻量的增加先增加后降低，且都在粉煤灰微珠摻量為20%時(shí)最大。雖然當(dāng)粉煤灰微珠摻量≥20%時(shí)，28～90 d的彈性模量增長(zhǎng)率大于7～28 d的彈性模量增長(zhǎng)率，但是早期和后期的彈性模量增長(zhǎng)率差異較小。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90～180 d時(shí)，試樣的彈性模量增長(zhǎng)率明顯降低；在粉煤灰微珠摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)的彈性模量增長(zhǎng)率分別為2.44%、2.37%、3.43%、2.77%；相比之下，摻量為20%時(shí)的彈性模量仍然最大。

圖5 不同試樣的彈性模量增長(zhǎng)率Fig.5 Growth rate of elastic modulus

2.3 徐變特性

試樣的徐變特征如圖6所示。由圖6可知，隨著受載時(shí)間的增加，試樣的徐變變形逐漸增加，整體呈先快后慢的趨勢(shì)，在60 d后逐漸趨于穩(wěn)定。相比之下，對(duì)照組的徐變變形最大，F(xiàn)MB10次之，而FMB20試樣的徐變變形值最小。表明摻入20%的粉煤灰微珠可以有效降低混凝土的徐變變形。

圖6 試樣的徐變?cè)鲩L(zhǎng)規(guī)律Fig.6 Law of creep growth

同時(shí)從圖6還可以看出，徐變變形在28 d內(nèi)發(fā)展最快，幾乎占到180 d總徐變變形量的65%。而在28 d內(nèi)，粉煤灰微珠對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)效應(yīng)較弱，此時(shí)對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均最大；但是對(duì)照組的徐變變形也大于其他試樣。由于徐變變形量不僅與試樣的力學(xué)特征有關(guān)，也和試樣所承受的豎向載荷有關(guān)，為了更加清晰地反應(yīng)出4種試樣的徐變特性，在此利用徐變應(yīng)變除以所采用的豎向荷載獲得單位豎向應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變以便于比較。此應(yīng)變?cè)诖硕x為比應(yīng)變，利用式（1）計(jì)算：

式中：εc和σc分別為徐變應(yīng)變和荷載（σc為7 d抗壓強(qiáng)度的25%）。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出4種試樣的比徐變，如圖7所示。從圖7可知，隨著受載時(shí)間的增加，試樣的比徐變也逐漸增加，且前30 d的比徐變?cè)黾幼羁欤?0 d后的比徐變趨于穩(wěn)定。但是與徐變變形規(guī)律不同，F(xiàn)MB30試樣的比徐變值最大，對(duì)照組C的比徐變次之，F(xiàn)MB20試樣的比徐變最小。由圖3和圖4可知，雖然FMB30長(zhǎng)期強(qiáng)度發(fā)展最好，但是在28 d內(nèi)的強(qiáng)度和彈性模量最小，因此在單位應(yīng)力下的徐變量最大；而粉煤灰微珠摻量為20%時(shí)，試樣的強(qiáng)度和彈性模量以及其增長(zhǎng)率均較好，所以在單位應(yīng)力下的徐變變形最小。這說(shuō)明單位應(yīng)力下的徐變變形是力學(xué)性能和強(qiáng)度發(fā)展綜合作用的結(jié)果。

圖7 不同試樣的比徐變?cè)鲩L(zhǎng)規(guī)律Fig.7 Law of specific creep growth of different samples

由以上內(nèi)容可知，粉煤灰微珠的加入改變了混凝土的力學(xué)和徐變特性。根據(jù)已有的研究［6，13］，粉煤灰微珠的加入主要有兩方面的作用：第一，粉煤灰微珠的粒徑小（本文采用的粉煤灰微珠有80%的粒徑小于5 μm），可以對(duì)水泥水化產(chǎn)生的微小孔隙進(jìn)行填充，產(chǎn)生微集料效應(yīng)；第二，粉煤灰微珠含有活性SiO2，能夠與水泥水化產(chǎn)生的Mg（OH）2和Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠，從而提高試樣的力學(xué)特性。因此，隨著粉煤灰微珠摻量的增加，試樣的強(qiáng)度逐漸增加，徐變變形逐漸降低；但是粉煤灰微珠的活性較水泥低，當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)會(huì)對(duì)試樣的整體水化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，使得試樣的力學(xué)特性出現(xiàn)退化，徐變變形也增大。

2.4 孔隙特征分析

混凝土的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)有緊密聯(lián)系，且試樣孔隙特征是粉煤灰微珠的微集料效應(yīng)和水化反應(yīng)的綜合效果。為了分析粉煤灰微珠對(duì)混凝土微觀孔隙特征的影響規(guī)律，利用壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)4種混凝土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)了研究，不同試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖8所示。從圖8可知，F(xiàn)MB30試樣的孔徑分布曲線最高，C次之，而FMB10和FMB20則相對(duì)較小。不同孔徑的體積和總體積如表3所示。結(jié)合圖8和表3可知，F(xiàn)MB30試樣的各個(gè)孔徑的孔隙體積和總體積均是最高的，對(duì)照組C的大孔隙體積（＞100 nm）較高，總的孔隙體積僅次于FMB30。FMB20試樣的小孔隙（＜50 nm）體積多于FMB10，二者的大孔隙（＞100 nm）體積卻非常接近；但是FMB20的中孔隙（50～100 nm）明顯少于FMB10。結(jié)合徐變和孔隙結(jié)構(gòu)分析可知總孔隙率越高試樣的強(qiáng)度越低，徐變變形越大，且中孔隙和大孔隙對(duì)混凝土強(qiáng)度和徐變的影響較大。

圖8 不同試樣的孔隙特征Fig.8 Pore characteristics of different samples

表3 試樣不同孔徑的孔隙體積Table 3 Pore volume of different pore sizes mL/g

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了粉煤灰微珠部分替代水泥對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和徐變的影響規(guī)律，獲得了以下結(jié)論：1）粉煤灰微珠部分替代水泥會(huì)降低試樣的早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量，但是粉煤灰微珠對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)率和彈性模量增長(zhǎng)率有明顯的積極作用，且最佳的粉煤灰微珠摻量為20%；2）混凝土的徐變變形在30 d內(nèi)最大，60 d后基本趨于穩(wěn)定，摻入20%的粉煤灰微珠可以降低混凝土的比徐變，但是過(guò)多的粉煤灰微珠會(huì)明顯降低早期強(qiáng)度，反而會(huì)增加混凝土的徐變變形；3）混凝土的孔隙率越高，混凝土力學(xué)特性越弱，加入20%粉煤灰微珠會(huì)降低混凝土的中孔隙、大孔隙和總孔隙體積，從而改善混凝土的強(qiáng)度和徐變特性。