粉煤灰作用下高性能商品混凝土的力学行为研究

Study on Mechanical Behavior of High Performance Commodity Concrete

周茗如，文煜馨，王 腾，魏域虎

(兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃兰州730050)

随着国民经济的发展与社会的进步，混凝土作为整个土木行业的基石，正在逐步向着高性能化、商品化发展，高性能商品混凝土已经慢慢取代普通自拌混凝土。高性能商品混凝土是指:在普通混凝土原材料(水、水泥、砂和石)的基础上，掺加混合材料(粉煤灰、矿粉等)及外加剂(减水剂)，实现既可节能利废、减少水化热，又可增大混凝土的密实性、减小渗透性、增加施工时的和易性，经济技术效益显著[1]。当代一些建筑在结构上的超大、超高和超跨度化以及在使用环境上的超常化对建筑材料的力学行为提出了新的要求，促使水泥混凝土向高性能商品混凝土方向发展。

由于混凝土中各种混合材料、外加剂的掺入以及砂率的升高，使得当代混凝土与规范所示的普通混凝土力学行为产生了较大偏差。以混凝土回弹值为例，经过实测，混凝土实际强度比其按标准换算出的回弹值强度要高出3～4MPa。在混凝土实际工程中，除了主要以强度作为控制指标外，经常还需要规定混凝土的弹性模量值。在计算钢筋混土的变形、裂缝扩展及大体积混凝土的温度应力时，都必须知道对应混凝土的弹性模量。对于混凝土弹性模量来说，影响因素有很多，原材料的性能特征、水胶比、骨料性能、砂率、强度等级、养护条件和龄期等均会影响混凝土的弹性模量[2]。随着高性能商品混凝土的迅速发展，各种混合材料和外加剂的使用及配合比中砂率的升高必然会对混凝土产生了较大的影响。文献[3]研究表明在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可有效提高混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度，增强抵抗氯离子渗透的能力。文献[4]研究出遗传算法运用到粉煤灰高性能混凝土配合比优化设计中。本文将在一定水胶比、掺入等量外加剂以及砂率保持相同的前提下，对以粉煤灰作为混合材料掺入的高性能商品混凝土的力学行为进行研究。

1 试验概况

1.1 试验原材料

(1)水泥:平凉祁连山水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥;(2)砂:长庆桥河砂，细度模数MX=2.8，属于中砂，级配合格;(3)石:包含卵石和碎石，其中卵石符合5mm～31.5mm连续级配、碎石符合5mm～25mm连续级配;(4)外加剂:采用同庆混凝土外加剂厂生产的早强型高效减水剂TQ-N1;(5)粉煤灰:采用华茂粉煤灰有限责任公司生产的Ⅱ级粉煤灰;(6)水:实验室生活用水。

1.2 试验方法

本次试验采用塑模按照一定配合比制备混凝土试件，进行混凝土抗压强度试验和弹性模量试验。试件采用标准试模成型，机械振捣，24h拆模，标准养护分为7d、28d后进行试验。试件的制作和养护严格按照中华人民共和国标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中的要求执行。

加载设备采用《液压式万能试验机》，其工作原理是由油泵、工作油缸和测力油缸等组成的液压系统施加试验力，进行试验。该设备结构为油缸下置式高刚度主机结构，盘式电机带动涡轮付带动丝母沿丝杠上、下移动，调整试验空间，伺服油缸采用间隙密封，静压支撑油膜无摩擦导向技术。试验机专用插卡式全数字屏显试验机控制系统，手动加载试验力，微机屏幕显示处理试验结果，自动分析处理试验数据。

混凝土弹性模量测试的关键是混凝土试件左右两可分为以下3类:蝶式引伸仪法、应变片法、千分表侧变形量的测试。国内外常用的测量变形的方法中，蝶式引伸仪法安装复杂且操作比较困难，还存在人为视觉误差，应用较少。应变片法测试结果较准确，但贴片工序复杂，试验周期长，同时受贴片质量的影响较大，而且是一次性破坏试验，浪费较大。综上，故本实验选用千分表法。

2 粉煤灰对混凝土的影响

2.1 配合比设计

选用不同的水胶比0.5、0.44、0.38、0.31 共 4 个;保持相同的水胶比的情况下，逐步增加粉煤灰的掺量(0、20%、40%、50%)，考察混凝土强度及弹性模量随龄期(7d、28d)变化的趋势。试验总共设计了15个不同配合比的混凝土，具体配合比如表1。

表1 混凝土配合比

2.2 试验结果

本次试验按照表1所列的15种配合比制备混凝土立方体、棱柱体试件，分别进行不在同龄期下(7d、28d)混凝土立方体抗压强度试验和棱柱体弹性模量试验。

制作试件(100mm×100mm×100mm及100mm×100mm×300mm)，养护至一定龄期，将 100mm×100mm×100mm试块用来做轴心抗压强度试验，100mm×100mm×300mm试块用来做弹性模量试验。将试验数据代入公式(1)计算弹性模量E。

式中:E—混凝土抗压弹性模量，(MPa);Fa—终荷载，(N);F0—初荷载(0.5MPa时对应的荷载值)，(N);A—试件承压面积，(mm2);l—测量标距，(mm);n—最后一次加载时，试件两侧在Fa及F0作用下变形差平均值，(mm)。

由于混凝土力学行为受到多种因素的影响，包括混凝土搅拌水平、养护条件、混凝土龄期以及混凝土本身材料构成的复杂性和随机性，试验数据表现出一定的离散性，本文对不同龄期混凝土的弹性模量和抗压强度试验是按照同批次试件的试验结果取平均法结合数据合理性筛选的方法进行数据处理，不同配合比、各龄期的混凝土抗压强度、弹性模量试验数据平均值，如表2。

表2 各龄期混凝土抗压强度、弹性模量试验平均值

2.3 结果分析与讨论

根据试验测得，保持一定水胶比的情况下，粉煤灰掺量的变化后所测得的混凝土试块抗压强度与弹性模量的数值结果，将数值分别绘成柱形图、曲线图进行分析。

图1 不同的龄期混凝土抗压强度

由图1可知，随着水胶比的不同，粉煤灰掺入量的不同，混凝土的抗压强度的变化规律如下:

(1)对不同粉煤灰掺入量的混凝土，随着水胶比减小，各龄期的混凝土抗压强度增加，并且强度发展速率增加。(2)水胶比为0.5时，掺入粉煤灰的混凝土抗压强度比不掺粉煤灰的混凝土的抗压强度要低;而随着水胶比的减小，掺入粉煤灰的混凝土抗压强度则高于对比的不掺粉煤灰的混凝土，水胶比越小约明显。(3)在粉煤灰掺量达到40%时，混凝土的抗压强度出现急速下降。

由图3可知，随着水胶比的不同，粉煤灰掺入量的不同，混凝土的抗压强度的变化规律如下:(1)对于相同粉煤灰掺入量的混凝土，随着水胶比减小，混凝土的弹性模量增加。(2)当水胶比比较大时，掺入粉煤灰会降低混凝土的弹性模量，而当水胶比较小时，掺入适量的粉煤灰又将提高混凝土的弹性模量。

3 结论

(1)在一定粉煤灰掺量下，水胶比越大，混凝土抗压强度越小、弹性模量值越小;在一定水胶比下，粉煤灰掺量影响其抗压强度及弹性模量值。则要使高性能商品混凝土的强度等级得到提高，并且具有良好的弹性模量值，可以适量添加粉煤灰、并且降低其水胶比。

(2)在水胶比固定不变的前提下，粉煤灰掺入量的增加，使混凝土的早期抗压强度下降越多，但是粉煤灰会使后期混凝土的抗压强度提高速率加快。

(3)一定粉煤灰的掺入，可改善混凝土的弹性模量。维持的水胶比相同的条件下，粉煤灰掺量在20%左右的情况下，弹性模量比不掺粉煤灰的混凝土大;粉煤灰掺量在30%以后，弹性模量将随着粉煤灰掺量的增加逐步降低。

[1]黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土，2003，9(7):3-9.

[2]韩卫国，贾靖.对混凝土弹性模量影响因素的探讨[J].山东建材，2002，2(01):23-24.

[3]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999，9.

[4]刘翠兰，李高峰.基于遗传算法的粉煤灰高性能混凝土配合比优化设计[J].兰州理工大学学报，2006.(8).