不同养护方式对大体积粉煤灰混凝土性能的影响

2015-03-26 03:35朱卫明何长青
粉煤灰综合利用 2015年3期
关键词:表面温度龄期粉煤灰

朱卫明,陈 磊,何长青

(雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都610051)

根据DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》的规定[1],标准养护室的温度应控制在(20 ±3)℃,相对湿度95%以上;对于粉煤灰混凝土,由于胶凝材料产生的水化热,导致大体积粉煤灰混凝土实际内部养护温度不同于标准养护室的温度,在养护早期,混凝土的内部温度均远远超过标准养护温度,并且实际混凝土内部温度是一个变化的过程,存在一个最高温度。以桐子林水电站工程为例,成都勘测设计研究院根据浇筑块边长、混凝土的约束条件和施工季节,提出了大坝及厂房混凝土温控技术要求[2],强约束区混凝土容许的最高温度为32℃,闸墩混凝土的容许最高温度为36℃。针对粉煤灰混凝土的温度发展历程,设计者提出了混凝土的原材料、浇筑分层与间歇期、混凝土出机口温度、混凝土浇筑温度、通水冷却和表面保护和养护等具体要求,避免混凝土产生裂缝。

在混凝土中掺加粉煤灰,是降低水泥水化热和混凝土绝热温升的有效措施。在保证混凝土设计强度的条件下,在混凝土中掺加粉煤灰,对防止温度裂缝是有益的[3];温度对粉煤灰混凝土水化反应的影响显著[4],采用不同养护方式,粉煤灰混凝土的性能发展必然有所差异。本文采用桐子林水电站工程的混凝土原材料,研究了不同养护方式对大体积粉煤灰混凝土性能的影响。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

(1)水泥:采用云南省丽江水泥有限责任公司生产的“石林”牌P·MH42.5 中热硅酸盐水泥,水泥的各项性能指标均满足GB200-2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的各项性能指标要求,28d 抗压强度47.8MPa,90d 抗压强度为57.4MPa,180d 抗压强度为63.3MPa。

(2)粉煤灰:采用攀枝花利源粉煤灰制品厂生产的Ⅱ级粉煤灰,粉煤灰的各项性能指标满足DL/T5055-2007《水工混凝土混凝土掺用粉煤灰技术规范》中对Ⅱ级粉煤灰的要求,除需水量比为104%外,其余指标满足Ⅰ级粉煤灰的要求,28d 活性指数为83%,180d活性指数为91%。

(3)外加剂:采用北京冶建特种材料有限公司生产的JG-3 缓凝高效减水剂和KF-1 型引气剂,外加剂的各项性能指标满足DL/T5100-1999《水工混凝土外加剂技术规程》对减水剂和引气剂的要求。

(4)骨料:粗骨料和细骨料采用金龙沟砂石骨料生产系统生产的正长岩人工骨料,粗骨料最大粒径为80mm,分成D20(5mm~20mm)、D40(20mm~40mm)、D80(40mm~80mm)三级,级配比例为3:4:3,各项性能指标满足DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》的要求。

1.2 配合比

试验采用溢流坝段、厂房坝段三级配常态粉煤灰混凝土(简称“粉煤灰混凝土”),配合比见表1。混凝土塌落度控制在 50mm~70mm,含气量控制在(4 ±0.5)%。

表1 粉煤灰混凝土配合比 /(kg/m3)

2 养护方式

粉煤灰混凝土养护方式见表2,采取标准养护和温度匹配养护两种养护方式进行。标准养护是指混凝土试件在标准养护室进行的养护,温度控制在20℃±3℃,相对湿度控制在95%以上。温度匹配养护采用温度应力试验机(TSTM),研究在大坝内部温度过程线(简称“内部不利温度线”)、冬季施工表面典型过程线(简称“冬季施工表面温度线)及强约束条件下混凝土的抗裂性;温度匹配养护曲线见图1 和图2。

图1 内部不利温度线

图2 冬季施工表面温度线

采用温度匹配养护方式,前期温度变化较快时(一般14d)采用专门的可程式温度匹配养护箱养护试件。该试验箱的温度可按预先设定的温度曲线控制,控制精度±0.5℃,且相对湿度介于90%~98%。温度变化缓慢后,进入普通的恒温养护箱,人工每日或者每隔2 日调整一次试验箱温度,控制精度±0.5℃,相对湿度介于95%~100%。温度曲线按设计院提供的桐子林大坝混凝土温控计算的典型曲线设定。养护到预定龄期后,按照标准试验方法测试混凝土性能。

表2 粉煤灰混凝土养护方式

3 试验结果分析

根据表1 所列混凝土配合比,采用不同的养护方式对混凝土进行养护,依据DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》进行试验:在龄期达到3d、7d、28d、90d时,进行抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、轴心抗拉强度、轴拉弹模等试验;在龄期达到1d、3d、7d、14d、28d、56d、90d、180d 时进行自生体积变形试验。

3.1 抗压强度

粉煤灰混凝土的力学性能试验结果见表3。

表3 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土抗压强度 /MPa

从表3 可以看出,不同养护条件下C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土的抗压强度都随龄期的增长而增加;混凝土抗压强度的增长,总体呈现出内部不利温度线养护>标准养护>冬季表面温度线养护。在不同养护条件下,比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土90d 龄期的试验结果,当设计龄期从28d 调整为90d时,设计等级为C9025W8F100,在标准养护条件下,90d龄期抗压强度分别为32.2MPa 和31.1MPa,仅相差1.1MPa;在内部不利温度线养护条件下,90d 龄期抗压强度分别为38.0MPa 和37.1MPa,仅相差0.9MPa;在冬季表面温度线养护条件下,90d 龄期抗压强度分别为34.4MPa 和34.3MPa,仅相差0.1MPa。总体来说,比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土,当龄期从28d 调整为90d 时,在不同养护条件下,混凝土最终抗压强度几乎不受影响。

3.2 劈拉强度

粉煤灰混凝土劈拉强度试验结果见表4。

从表4 可以看出,不同养护条件下C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土的劈拉强度都随龄期的增长而增加;混凝土劈拉强度的增长,总体呈现出内部不利温度线养护>标准养护>冬季表面温度线养护。在不同养护条件下,比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土90d 龄期劈拉强度试验结果,当粉煤灰混凝土龄期从28d 调整到90d,设计等级从C25W8F100 调整为C9025W8F100;在标准养护条件下,90d 龄期的劈拉强度分别为2.45MPa 和2.15MPa,相差0.3MPa,在内部不利温度线养护条件下,90d 龄期劈拉强度分别为2.75MPa和2.40MPa,相差0.35MPa,在冬季表面温度线养护条件下,90d 龄期劈拉强度分别为2.42MPa 和2.46MPa,仅相差0.04MPa。总体来说,比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土试验结果,当龄期从28d 调整为90d 时,在标准养护条件下和内部不利温度线养护条件下,混凝土劈拉强度相差为0.3MPa和0.35MPa,在冬季表面温度线养护条件下,相差0.04MPa,没有明显变化。

表4 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土劈拉强度 /MPa

3.3 极限拉伸值

粉煤灰混凝土的极限拉伸值试验结果见表5。

从表5 可以看出,不同养护条件下C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土极限拉伸值随龄期的增加而增加,并且总体呈现出内部不利温度线养护>标准养护>冬季表面温度线养护。在不同养护条件下,比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土来极限拉伸值试验结果,当粉煤灰混凝土龄期从28d 调整为90d 时,设计等级从C25W8F100 调整为C9025W8F100;在标准养护条件下,90d 龄期极限拉伸值分别为122με 和106με,降低16με,在内部不利温度线养护条件下,90d龄期极限拉伸值分别为161με 和134με,极限拉伸值降低27με,在冬季表面温度线养护条件下,90d 龄期极限拉伸值分别为131με 和136με,极限拉伸值增加5με。总体来说,在不同养护条件下,调整龄期后,混凝土的极限拉伸值有所降低。

表5 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土极限拉伸值 /με

3.4 轴心抗拉强度

粉煤灰混凝土的轴心抗拉强度试验结果见表6。

表6 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土轴心抗拉强度 /MPa

从表6 可以看出,在不同养护条件下,C25W8F100和C9025W8F100 混凝土轴心抗拉强度随龄期的增加而增加,并且总体呈现出内部不利温度线养护>标准养护>冬季表面温度线养护。比较C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土试验结果,当龄期从28d 调整到90d,设计等级从C25W8F100 调整为C9025W8F100;在标准养护条件下,90d 龄期轴心抗拉强度分别为2.95MPa和2.47MPa,降低0.48MPa;在内部不利温度线养护条件下,90d 龄期轴心抗拉强度分别为3.45MPa和2.96MPa,降低0.49MPa;在冬季表面线养护条件下,90d 龄期轴心抗拉强度分别为3.21MPa 和2.87MPa,降低0.34MPa。总体来说,在不同养护条件下,调整龄期后,混凝土的轴心抗拉强度有所降低。

3.5 轴拉弹模

粉煤灰混凝土的轴心抗拉弹模试验结果见表7。

表7 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土轴拉弹模 /GPa

从表7 可以看出,不同养护条件下C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土轴拉弹模随龄期的增加而增加,并且总体呈现出内部不利温度线养护>标准养护>冬季表面温度线养护。比较 C25W8F100 和 C9025W8F100 混凝土试验结果,当龄期从28d 调整到90d,设计等级从C25W8F100 调整为C9025W8F100;在标准养护条件下,90d 龄期轴拉弹模分别为28.3GPa和30.0GPa,提高1.7GPa,在内部不利温度线养护条件下,90d 龄期轴拉弹模分别为24.4GPa和25.9GPa,提高1.5GPa,在冬季表面线养护条件下,90d 龄期轴拉弹模分别为28.2GPa 和25.7GPa,降低2.5GPa。这说明,在标准养护和内部不利温度线养护条件下,混凝土龄期从28d 调整为90d 时轴拉弹模有所提高,但是在冬季表面温度线养护条件下,90d 龄期轴拉弹模有所降低,这说明养护条件对轴拉弹模影响较大。

3.6 自生体积变形

粉煤灰混凝土自生体积变形试验结果见表8。从表8 可以看出,比较C25W8F100 混凝土和C9025W8F100混凝土自生体积变形试验结果,当龄期从28d 调整为90d 时,设计等级从C25W8F100 调整为C9025W8F100;在标准养护条件下,180d 龄期时混凝土自生体积变形分别为29με 和19με,混凝土自生体积变形降低10με,呈现微膨胀性,在内部不利温度线养护条件下,180d 龄期时混凝土自生体积变形分别为55με 和48με,降低7με,呈现微膨胀性,在冬季施工表面温度线养护条件下,180d 时混凝土自生体积变形分别为8με 和-9με,混凝土自生体积变形前者为微膨胀后者为微收缩。混凝土的自生体积变形呈现微膨胀性,有利于提高混凝土的抗裂性,因此坝体保温对混凝土自生体积变形的增长十分重要。

表8 C25W8F100 和C9025W8F100 混凝土自生体积变形 /με

3.7 温度匹配养护对C9025W8F100 混凝土性能的影响

以标准养护为基准,温度匹配养护对C9025W8F100混凝土性能的影响见图3。

图3 不同养护条件对C9025W8F100 混凝土性能的影响

从图3 可以看出,温度匹配养护对C9025W8F100混凝土性能有较大的影响。以标准养护为基准,在内部不利温度线养护条件下,混凝土抗压强度提高19%,劈拉强度提高10%,极限拉伸值提高26%,轴拉强度提高20%,轴拉弹模降低14%;在冬季表面温度线养护条件下,混凝土抗压强度提高10%,劈拉强度提高13%,极限拉伸值提高30%,轴拉强度提高16%,轴拉弹模降低14%。这说明温度匹配养护有利于提高混凝土的抗裂性能。

4 经济性

仅以C25W8F100 混凝土为例,当龄期从28d 调整到90d 后,水泥用量可以减少13 kg/m3,粉煤灰用量可以减少5 kg/m3,总胶凝材料用量可以减少18 kg/m3,按照施工经验可以减少温升1℃左右,以桐子林水电站为例,水泥进场单价为455 元/t,粉煤灰进场单价189 元/t,混凝土单价可以大约可以降低7 元/m3。对于大体积粉煤灰混凝土来说,如考虑降低胶凝材料用量对混凝土温控和施工方案优化的贡献,效益更加可观。

5 结 语

不同的养护方式对混凝土的各项性能有较大的影响,大体积混凝土由于水化放热,其温度整体高于标准养护条件,混凝土的强度发展会比标准养护快,用匹配养护得到的性能参数估算的抗裂性要好于用标准养护得到的性能参数的估算结果;而冬季施工的混凝土表面,温度主要受环境温度影响,28d 内的抗裂性与标准养护接近,抗裂性无明显差别,自生体积变形可能变为收缩。随着后期天气的转暖,其抗裂性比标准养护条件下有所提高。为提高混凝土抗裂性和降低混凝土造价,可以考虑将粉煤灰混凝土龄期从28d 调整到90d。

[1]水工混凝土试验规程[S],DL/T5150-2001:25.

[2]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川雅砻江桐子林水电站技施阶段大坝及厂房混凝土温控技术要求[R],2013.

[3]甄永严.粉煤灰在水工混凝土中的应用[M].北京:水利电力出版社,1992:92-94.

[4]钱文勋,张燕迟,蔡跃波等.考虑内部温度历史的大坝混凝土强度发展,水利水运工程学报[J],2008(4):50-54.

[5]中国水利水电第七工程句有限公司桐子林电站项目部,南京水利科学研究院,中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川雅砻江桐子林水电站大坝混凝土温控防裂试验研究及仿真分析研究总报告[R],2014.

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