冬施商品混凝土强度增长规律探索研究

张 岩 殷春云 黄善文

1 概述

随着建筑业整体施工水平和工业化程度的普遍提高,掺入粉煤灰的商品混凝土(以下简称商品混凝土)已成为基本城市建设不可缺少的建筑材料。工程实践表明不同于普通人工拌制混凝土,商品混凝土中粉煤灰的掺量多少对混凝土早期和最终强度影响很大,但现行大部分规范标准都是基于不掺粉煤灰的基准混凝土而制定的,因此与工地实际情况存在一定差别,而且在冬季施工阶段由于混凝土的配比、气候条件和养护条件等诸多不同情况,其强度增长规律也存在较大差异。因此对冬季施工混凝土强度增长规律进行探索研究是十分必要的。

本文通过模拟实验研究,最大程度模拟工程现场的实际情况,通过大量数据间的比对,探索以下规律:1)不同粉煤灰掺量对商品混凝土强度的影响;2)冬施条件下混凝土强度的增长规律;3)回弹法和钻芯法在同条件下检测数据的差异关系。

2 原材料和实验方案

2.1 实验原材料选择

1)水泥:采用P.O42.5盾石牌普通硅酸盐水泥;2)粉煤灰:采用Ⅱ级粉煤灰;3)砂:含水率为10%的中砂,表观密度为2 680 kg/m3;4)石:粒径为5 mm～25 mm的碎石;5)外加剂:采用恒基牌防冻剂,掺量为3.0%;采用恒基牌泵送剂,掺量为2.5%;6)水为普通饮用水。

2.2 实验方案

2.2.1 原材料配合比

为保证实验结果的可比性,计算水泥用量取402 kg,混凝土中掺用粉煤灰采用超量取代法,因粉煤灰等级为Ⅱ级,取超量系数1.3。即计算水泥用量=实际水泥用量+粉煤灰用量/超量系数,水灰比为0.46,防冻剂掺量为计算水泥用量的3%,泵送减水剂为计算水泥用量的2.5%。具体数据见表1。

表1 不同粉煤灰掺量混凝土配合比参数 kg

2.2.2 实验过程

为尽量创造符合北方冬季实际施工条件,本实验选择在2009年严冬阶段进行,试验墙体及试件成型日期是2009年12月24日,属于北京的严冬阶段。室外平均温度为-8.0℃,相对湿度为10%;操作间温度控制在18.0℃左右,相对湿度50%,标养试块养护符合标养环境条件(20±2)℃要求。粉煤灰混凝土基本力学性能:将水泥、粉煤灰、砂、石、外加剂、水按照设计的配合比均匀拌和在一起,在搅拌机中搅拌10 min后,做成 100 mm×100 mm×100 mm的试块,每种配合比按表3制作不同龄期试件。同时每种配合比各制作一面1 200 mm×600 mm×300 mm的混凝土墙,用棉被等进行保温,防止混凝土达到临界强度前被冻坏,5 d以后撤除保温,同时在相应龄期对三种不同配比的墙体进行回弹检测和钻芯取样检测,对数据进行纵横向对比分析,利用曲线确定规律。

3 实验数据及理论分析总结

3.1 实验数据

3.1.1 粉煤灰掺量15%

表2 商品混凝土(粉煤灰掺量为15%)强度试验结果 MPa

粉煤灰掺量为15%的商品混凝土强度试验结果见表2。

3.1.2 粉煤灰掺量30%

粉煤灰掺量为30%的商品混凝土强度试验结果见表3。

表3 商品混凝土(粉煤灰掺量为30%)强度试验结果 MPa

3.1.3 粉煤灰掺量45%

粉煤灰掺量为45%的商品混凝土强度试验结果见表4。

表4 商品混凝土(粉煤灰掺量为45%)强度试验结果 MPa

3.2 实验数据统计分析

1)为研究不同粉煤灰掺量对商品混凝土强度的影响,我们选择不同掺量的标养试块强度进行分析。根据试验数据画出的折线图见图1。a.由图1可以得出如下结论:在同一水胶比的条件下,粉煤灰的掺入量越大,混凝土早期强度值越低。粉煤灰掺量大于30%后或达到最大限量时,对混凝土早期强度影响特别大。随着龄期的增长,粉煤灰混凝土后期强度增长良好,45%掺量混凝土后期强度增长尤为明显。粉煤灰掺量小的混凝土早期强度增长最快,但成本偏高;粉煤灰掺量过高,对混凝土早期强度影响太大,影响工程进度和质量。粉煤灰最佳掺量约在15%～30%之间,既保证了混凝土早期强度要求,又最大程度上节约了成本。总体上讲养护60 d,不同粉煤灰掺量的混凝土最后强度基本相同,区别不大,标养条件下60 d后强度基本不再增长。b.根据以上结论,进行如下理论分析:粉煤灰混凝土早期强度直接取决于水泥的掺量,粉煤灰的加入延缓了水化速度,使其早期的水泥水化产物减少,从而影响了其早期强度的增长。由于加入了粉煤灰,后期生成了较多的C-S-H凝胶,增强了水泥与骨料的粘结力,使粉煤灰强度后期明显增强。掺合料掺量过大时,胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少,熟料水化生成的Ca(OH)2量较少,减少了掺合料水化反应生成C2S2H的比例,有些掺合料颗粒没有参与反应,难以有足够的生成物填充周围的空隙,所以掺合料掺量超过一定范围时,混凝土强度会随掺合料掺量的增大(水泥用量减少)呈明显下降趋势,试验结果与理论分析基本吻合,故单纯地用粉煤灰高比例取代水泥是不可行的。2)为分析冬施条件下掺入防冻剂混凝土强度的增长规律和回弹法及钻芯法在各种不同条件下检测数据的差异关系,我们选取掺量为30%同条件试块强度数据,同时结合回弹数据和钻芯取样强度进行比较分析。根据试验数据画出的折线图见图2。a.由图2可以得出如下结论:混凝土强度的增长受到温度影响巨大,同条件养护强度明显低于标养强度;同时同条件试块强度也明显低于回弹强度推定值和钻芯强度值(实体实际强度),用同条件试块强度推定实体强度有较大差距。完全在负温条件下(即实体养护完全在-8℃以下),冬施混凝土达到临界强度后,混凝土强度也呈一定增长趋势,而且28 d内增长幅度还较大,28 d以后增长趋缓。回弹强度和钻芯强度高于同条件养护强度,表面回弹强度低于钻芯强度。在28 d龄期前,表面回弹强度与钻芯强度的差距较大,后期差距稍小。b.根据以上结论,进行如下理论分析:由于冬季温度偏低以及冰冻、干燥、多风等环境影响,冬季同条件养护试件强度随龄期增长缓慢,且规律性不强。同条件试块由于体量小的特点,缺少自身水化热和湿度等养护条件,其抗压强度值低于混凝土实体的真实强度。冬季同条件养护试块即使在累积温度相同的情况下,仍低于标准养护强度,这是因为冬季户外环境恶劣的原因,特别是冬季气候干燥,湿度条件远远低于标养室环境。表面回弹强度低于钻芯强度的原因可能是混凝土中掺加了粉煤灰。

4 结语

1)使用粉煤灰混凝土不仅可以节约水泥,降低混凝土成本,具有一定的经济效益,而且还可以减少污染,改善环境。但粉煤灰掺量过高又会影响混凝土的早期强度增长,故粉煤灰掺量应该保持在一个最佳比例,本文推断最佳掺量宜为20%～30%。2)由于冬季气候变化难以预测,且变化不规律,因此反映结构实体强度的同条件养护试件不能完全反映混凝土实际强度,因此只能作为拆模和判定临界强度等参考使用。3)完全负温条件下混凝土强度仍有一定幅度的增长,到28 d后增长幅度减缓。4)冬季施工条件下,混凝土强度检验除制作28 d标养试件,还应制作60 d标养备用试件。因粉煤灰掺量较大的混凝土28 d后强度继续增长且增长幅度大,标养条件下60 d后强度基本不再增长。因此60 d强度比较接近混凝土的最终强度。5)冬施转常温后,对混凝土实体强度进行检测,在冬施地区务必考虑后期混凝土强度的增长空间,最好转常温后2个月再进行检测,以避免出现强度值不能反映最终强度的情况。6)通过对混凝土的现场检测,包括表面回弹试验和钻芯试验,发现表面回弹强度均低于钻芯强度,偏差较大,回弹强度推定值比钻芯取样强度值(即实际强度值)低15%～20%,故在今后对混凝土现场检测时,要充分结合表面回弹检测和钻芯法检测对混凝土强度进行评定。

[1] 陈 萌,张兴昌.商品混凝土早期强度随龄期增长规律的试验研究[J].建筑科学,2007,23(9):66-69.

[2] 杜玉民,徐 勇,余 钊.高温快硬水泥灌浆混凝土强度试验研究[J].山西建筑,2009,35(7):177-179.