摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度劣化試驗(yàn)研究

劉彥清, 馬亞利

(1.河北道橋工程檢測(cè)有限公司, 石家莊 050031; 2.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院, 石家莊 051133)

由于各種工程中均會(huì)用到混凝土,導(dǎo)致混凝土的需求量直線上升,進(jìn)而使得水泥的需求量也隨之提升,大量生產(chǎn)水泥,會(huì)加劇溫室效應(yīng)[1-3]。同時(shí),工業(yè)發(fā)展形成了很多工業(yè)廢渣,其中粉煤灰占據(jù)比例較高,為環(huán)境帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)[4]。為解決水泥高排放與高能耗問題,并減少工業(yè)廢渣,相關(guān)領(lǐng)域研究人員發(fā)現(xiàn)在某些工程中利用粉煤灰替換少量水泥,可節(jié)省水泥用量,節(jié)約生產(chǎn)成本,并消化掉粉煤灰。然而,粉煤灰摻量過(guò)多,會(huì)降低混凝土強(qiáng)度。因此,需要研究粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,為改善混凝土的強(qiáng)度與抗碳化能力提供科學(xué)依據(jù),提升工程質(zhì)量[5]。

中國(guó)一些學(xué)者對(duì)此展開了研究,如李永靖等[6]通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析混凝土抗壓強(qiáng)度劣化情況,試驗(yàn)環(huán)境為凍融-碳化,試驗(yàn)得知:先凍融后碳化的試件強(qiáng)度劣化程度高于先碳化后凍融,添加適量的水膠比,會(huì)減慢混凝土抗壓強(qiáng)度在凍融與碳化環(huán)境下的劣化速度,為寒冷地區(qū)制備摻粉煤灰混凝土提供參考。但該方法未考慮酸性水對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。趙小明等[7]通過(guò)建立凍融循環(huán)損傷模型,衡量混凝土的損傷程度,通過(guò)二次函數(shù)衰減模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合,研究?jī)鋈诃h(huán)境下,粉煤灰摻量對(duì)混凝土質(zhì)量損失的影響,分析混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律,試驗(yàn)得知:所構(gòu)建模型的擬合效果較佳,可得到凍融損傷程度,摻入適當(dāng)?shù)姆勖夯?可降低混凝土質(zhì)量損失,緩解強(qiáng)度劣化情況。但上述方法僅分析凍融環(huán)境下的強(qiáng)度劣化情況,混凝土不僅受凍融環(huán)境影響,還易受酸性水環(huán)境影響。馬映昌等[8]對(duì)低溫作用下沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響進(jìn)行分析,進(jìn)行單摻沙漠砂、單摻粉煤灰、雙摻沙漠砂和粉煤灰混凝土在室溫,-10、-20、-30 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析溫度、沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。該方法并未考慮碳化與酸性水對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

為了更全面地分析凍融、碳化與酸性水環(huán)境下,摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度影響情況,通過(guò)制備摻粉煤灰混凝土試件,進(jìn)行試件強(qiáng)度劣化試驗(yàn),為寒冷地區(qū)與雨水偏多地區(qū)的混凝土制備提供參考,提升工程質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

摻粉煤灰混凝土包含粉煤灰(H);細(xì)度模數(shù)是2.96,最大粒徑是6 mm的中砂(Z);粒徑4.86～9.61 mm的碎石(S)[8];水泥(N)與自來(lái)水,其中H的檢測(cè)報(bào)告如表1所示。水泥成分如表2所示。設(shè)計(jì)七種類型的摻粉煤灰混凝土試件,七種類型試件配合比如表3所示,速凝劑添加重量為水泥重量的5.1%。

表1 H的檢測(cè)報(bào)告Table 1 H test report

表2 水泥成分表Table 2 Cement composition table

表3 七種類型試件的配合比Table 3 Mix proportion of seven types of specimens

1.2 試件制作

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)制備160 mm×160 mm×160 mm的摻粉煤灰混凝土試件,摻粉煤灰混凝土制備過(guò)程中,在攪拌機(jī)內(nèi)添加碎石、水泥、粉煤灰、中砂,開始攪拌,加料時(shí)間需低于3 min,攪拌結(jié)束后[9-10]。在水中添進(jìn)減水劑,令其混合均勻,并緩慢添進(jìn)攪拌機(jī),所有水添加完成后,不斷攪拌3 min左右,隨后將混合物添至試模內(nèi),通過(guò)搗振臺(tái)壓實(shí),成形后,經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)1～4周。

1.3 試驗(yàn)方案

通過(guò)萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)施強(qiáng)度劣化試驗(yàn)[11],測(cè)試試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度,以試件側(cè)面為承壓面,放上鋼墊板后,施加荷載,速度是0.4～0.6 MPa/s,在試件近似破壞狀態(tài)情況下,該試件會(huì)馬上出現(xiàn)變形現(xiàn)象,此時(shí)需更改試驗(yàn)機(jī)加壓油門,以試件完全破壞為止,記錄試件的破壞載荷[12]。

依據(jù)破壞載荷求解試件的抗壓強(qiáng)度f(wàn)與劈拉強(qiáng)度f(wàn)′,公式為

(1)

式(1)中:A為試件承壓面積;A′為劈裂面積;F為萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)作用力。

摻粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf的計(jì)算公式為

(2)

摻粉煤灰混凝土的使用環(huán)境各式各樣,其強(qiáng)度劣化的環(huán)境因素較多,包含凍融環(huán)境、碳化環(huán)境、酸性水環(huán)境。

凍融試驗(yàn):將標(biāo)養(yǎng)4周的試件放入水中,浸泡1 d令其處于飽水狀態(tài),取出采用塑料薄膜密封試件[13],放進(jìn)凍融箱內(nèi),凍融循環(huán)100次,取出試件利用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)展開強(qiáng)度劣化試驗(yàn),測(cè)試試件的f與f′,單個(gè)循環(huán)過(guò)程是在15 ℃時(shí)保持2 h,隨后在2 h中將溫度降到-15 ℃,并保持7 h,再1 h中將溫度升到15 ℃,其中,溫度上升或下降時(shí)的速度需保持一致。

碳化試驗(yàn):利用干燥箱干燥試件,時(shí)間為24 h,在碳化箱中放入干燥后的試件[14-16],碳化箱的溫度是25 ℃、濕度是75%、CO2含量是25%,碳化時(shí)間是1～20 d,取出試件利用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)展開強(qiáng)度劣化試驗(yàn),測(cè)試試件的f與f′。

酸性腐蝕試驗(yàn)的具體步驟如下:

步驟1在試件養(yǎng)護(hù)完成前兩天,擦干其水分,進(jìn)行烘干處理,烘干時(shí)間為50 h,烘干溫度為84 ℃,烘干后將其冷卻到室溫的溫度,展開干濕循環(huán)試驗(yàn),干濕循環(huán)液體包含酸性水和H2SO4,pH為1。

步驟2將試件放進(jìn)干濕循環(huán)液體內(nèi),浸泡時(shí)間為16 h,取出并風(fēng)干1.5 h。

步驟3將試件溫度升至75 ℃并保持5 h,升溫時(shí)間控制在25 min以內(nèi)。

步驟4單個(gè)干濕循環(huán)時(shí)間是24 h,開始下一循環(huán),操作結(jié)束后,利用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度劣化試驗(yàn),測(cè)試試件f與f′。

2 試驗(yàn)分析

2.1 摻粉煤灰含量對(duì)混凝土強(qiáng)度劣化的影響

分析不同粉煤灰含量時(shí),摻粉煤灰混凝土在不同齡期時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度f(wàn)和劈拉強(qiáng)度f(wàn)′的劣化情況,結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

圖1 試件抗壓強(qiáng)度劣化情況Fig.1 Deterioration of compressive strength of specimens

圖2 試件劈拉強(qiáng)度劣化情況Fig.2 Deterioration of splitting tensile strength of specimens

由圖1可知,各試件的粉煤灰摻量均隨齡期的延長(zhǎng)而提升;相同齡期時(shí),粉煤灰摻量增加,試件的f均先上升后下降,當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí),各齡期時(shí)試件的f均達(dá)到峰值;說(shuō)明粉煤灰摻量較少時(shí),試件的f有所上升,原因是在混凝土內(nèi)添加粉煤灰后,降低了水泥濃度,當(dāng)粉煤灰摻量低于30%(包含30%)時(shí),水化反應(yīng)前期,水泥反應(yīng)較小,造成前期試件的f較低,此時(shí)粉煤灰具備二次水化反應(yīng)特點(diǎn),可吸納沒有反應(yīng)的Ca(OH)2,形成C-S-H凝膠,提升試件密實(shí)度,粉煤灰摻量增加,C-S-H凝膠越多,因此,粉煤灰摻量較少時(shí),試件的f,隨粉煤灰摻量的增加而提升;粉煤灰摻量過(guò)多時(shí),試件的f依舊會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象,原因是粉煤灰摻量較多時(shí),膠凝材料水化反應(yīng)有限,造成試件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松散情況,加快試件強(qiáng)度劣化速度。試驗(yàn)證明:粉煤灰摻量未超過(guò)30%(包含30%)時(shí),試件的f未出現(xiàn)劣化現(xiàn)象,粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí),粉煤灰摻量越多,試件的f劣化程度越大。

由圖2可知,各試件的劈拉強(qiáng)度f(wàn)′均隨齡期的延長(zhǎng)而提升;齡期為1～2周時(shí),在粉煤灰摻量未超過(guò)30%(包含30%)時(shí),試件的f′劣化幅度較小,當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí),試件的f′劣化速度加快;齡期為3～4周時(shí),各粉煤灰摻量下試件的f′劣化速度基本一致,劣化速度均較慢。試驗(yàn)證明:增加粉煤灰摻量,會(huì)加快試件的f′劣化程度,延長(zhǎng)齡期,會(huì)減緩試件的f′劣化速度。

2.2 水膠比對(duì)強(qiáng)度劣化的影響

分析不同水膠比時(shí),混凝土在不同齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度f(wàn)與劈拉強(qiáng)度f(wàn)′的劣化情況,結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of water-binder ratio on compressive strength

圖4 水膠比對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of water-binder ratio on splitting tensile strength

由圖3可知,水膠比一致時(shí),試件的f與齡期具有正相關(guān)關(guān)系,且f受齡期影響較大;齡期一致時(shí),增加水膠比含量,試件的f開始出現(xiàn)劣化,劣化程度較輕。試驗(yàn)證明:試件f劣化程度受齡期影響較大,增加水膠比含量,會(huì)提升試件f劣化程度。

由圖4可知,齡期延長(zhǎng),各水膠比情況下的試件f′均呈小幅度上升趨勢(shì),受齡期影響較小;齡期一致時(shí),試件f′劣化程度隨水膠比的提升而下降,下降幅度較大。試驗(yàn)證明:齡期對(duì)試件f′影響較小,增加水膠比含量,會(huì)大幅度提升試件的f′劣化程度。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)強(qiáng)度劣化的影響

以齡期4周為例,分析凍融循環(huán)下,試件抗壓、劈拉強(qiáng)度的劣化情況,分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 凍融循環(huán)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of freeze-thaw cycle on compressive strength of specimens

圖6 凍融循環(huán)對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw cycle on splitting tensile strength

由圖5可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件的f均出現(xiàn)不同程度的劣化情況,原因是凍融作用下,試件結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分會(huì)凝結(jié)成冰,開始膨脹,融化后開始收縮,試件反復(fù)經(jīng)歷冰凍與融化,導(dǎo)致其內(nèi)部縫隙變大,降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,加快f劣化速度;粉煤灰摻量為10%與20%時(shí),f在次數(shù)少于50次時(shí),試件f劣化速度較慢,當(dāng)次數(shù)超過(guò)50次時(shí),試件f劣化速度較快;粉煤灰摻量為30%時(shí),試件f最高,f呈緩慢線性趨勢(shì)劣化,原因粉煤灰具備二次水化作用,當(dāng)粉煤灰摻量適中時(shí),會(huì)縮小試件凝結(jié)時(shí)的孔隙率,減少試件內(nèi)部含水量,緩解試件在凍融循環(huán)作用下的縫隙擴(kuò)展程度,降低f劣化速度;粉煤灰摻量為40%與50%時(shí),前期試件f劣化速度較快,后期劣化速度較慢并趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明:凍融循環(huán)環(huán)境會(huì)加快不同摻量粉煤灰混凝土的f的劣化程度,粉煤灰摻量為30%時(shí)f劣化程度最輕。

由圖6可知,凍融環(huán)境下,各試件的f′均有所降低,粉煤灰摻量與f′存在正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)次數(shù)低于50次時(shí),各試件的f′劣化速度均較為緩慢,當(dāng)次數(shù)超過(guò)50次時(shí),各試件的f′劣化速度均較快;粉煤灰摻量為10%～30%時(shí),f′在凍融循環(huán)作用下的劣化程度基本一致,不同循環(huán)次數(shù)下的f′值相差較小;粉煤灰摻量為40%與50%時(shí),在循環(huán)次數(shù)低于50次時(shí),與前三個(gè)試件的f′值相差較小,當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)50次時(shí),f′值明顯低于前三個(gè)試件。試驗(yàn)表明:凍融環(huán)境下,試件的f′會(huì)出現(xiàn)劣化情況,凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí),對(duì)試件f′劣化速度影響較小,凍融循環(huán)次數(shù)較大時(shí),會(huì)加快試件f′劣化速度,H摻量超過(guò)30%時(shí),f′劣化速度更快。

2.4 凍融循環(huán)對(duì)試件強(qiáng)度劣化的影響

以A3類型試件、齡期4周為例,分析碳化作用下,試件抗壓強(qiáng)度f(wàn)與劈拉強(qiáng)度f(wàn)′的變化情況,結(jié)果如表4所示。

表4 碳化時(shí)試件抗壓、劈拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength and splitting tensile strength of specimens during carbonization

由表4可知,隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng),試件的f與f′均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)碳化時(shí)間為13 d時(shí),試件的f與f′均達(dá)到峰值;當(dāng)碳化時(shí)間超過(guò)13 d時(shí),試件的f與f′均出現(xiàn)劣化現(xiàn)象,當(dāng)碳化時(shí)間為20 d時(shí),試件的f與f′均超過(guò)未進(jìn)行碳化處理的試件,原因是碳化時(shí)間延長(zhǎng),會(huì)加強(qiáng)試件密實(shí)度,導(dǎo)致其f與f′提升,避免f與f′出現(xiàn)劣化情況。

2.5 酸性水環(huán)境對(duì)試件強(qiáng)度劣化的影響

以齡期4周為例,分析酸性水環(huán)境下,試件抗壓、劈拉強(qiáng)度的劣化情況,分析結(jié)果如表5所示。

表5 酸性水環(huán)境下試件抗壓、劈拉強(qiáng)度劣化程度Table 5 Deterioration degree of compressive strength and splitting tensile strength of specimens in acidic water environment

由表5可知,干濕循環(huán)下,各試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度均值與抗腐蝕系數(shù)均與干濕循環(huán)次數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;干濕循環(huán)次數(shù)一致時(shí),增加試件摻粉煤灰量,試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度與抗腐蝕系數(shù)的變化趨勢(shì)一致,均是先增長(zhǎng)后下降,其中三個(gè)指標(biāo)的峰值均出現(xiàn)在粉煤灰摻量為30%的混凝土,相比未展開干濕循環(huán)試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度,均有所降低,說(shuō)明干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致試件出現(xiàn)強(qiáng)度劣化情況。

3 結(jié)論

摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度易受凍融與酸性水環(huán)境等因素影響,為此利用碎石與粉煤灰等材料制備試件,利用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件在不同環(huán)境時(shí)的破壞載荷,依據(jù)破壞載荷計(jì)算試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度,分析試件強(qiáng)度劣化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:粉煤灰摻量為10%與20%時(shí),試件抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)次數(shù)少于50次時(shí),試件劣化速度較慢,循環(huán)次數(shù)超過(guò)50次時(shí),試件劣化速度較快;摻量為30%時(shí),試件抗壓強(qiáng)度最高,抗壓強(qiáng)度呈緩慢線性趨勢(shì)劣化,即凍融環(huán)境會(huì)加快試件抗壓強(qiáng)度的劣化程度,粉煤灰摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度劣化程度最輕;凍融環(huán)境下,試件的劈拉強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)劣化情況,循環(huán)次數(shù)較少時(shí),對(duì)試件劈拉強(qiáng)度劣化速度影響較小,循環(huán)次數(shù)較大時(shí),試件劈拉強(qiáng)度劣化速度較快,其中粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí),劈拉強(qiáng)度劣化速度更快;干濕循環(huán)次數(shù)越多,試件抗壓及劈拉強(qiáng)度與抗腐蝕系數(shù)越小,摻粉煤灰量為30%時(shí),試件抗壓及劈拉與抗腐蝕系數(shù)均較高,說(shuō)明酸性水環(huán)境下,試件會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度劣化情況。