粉煤灰对高强混凝土早龄期力学性能与自收缩的影响

刘东京，杨　杨,2，倪彤元,3，魏洪刚

(1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 3100014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江 杭州 310014；4.浙江华威建材集团，浙江 杭州 310018)



粉煤灰对高强混凝土早龄期力学性能与自收缩的影响

刘东京1，杨杨1,2，倪彤元1,3，魏洪刚4

(1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 3100014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江 杭州 310014；4.浙江华威建材集团，浙江 杭州 310018)

摘要：以0.3水胶比的高强混凝土为对象，通过对不同粉煤灰掺量(0%、10%，20%、30%)混凝土实验，考察了粉煤灰掺量对高强混凝土早龄期力学性能和自收缩特性的影响。结果表明：与普通混凝土相比，粉煤灰高强混凝土的强度会在更早的龄期得到弥补；粉煤灰高强混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、拉伸弹模的发展速率随龄期的变化规律基本相同，粉煤灰掺量的影响不明显；粉煤灰对混凝土自收缩，尤其是早龄期自收缩有明显的抑制作用，并且掺量越大，抑制作用越明显。

关键词：高强混凝土；粉煤灰；早龄期；力学性能；自收缩

随着混凝土技术的发展和建筑业发展的需求，高强混凝土得到越来越广泛的应用。由于高强混凝土的制备通常以降低水胶比或掺入外加剂、矿物掺合料等方式获取[1]，使得其内部结构与普通混凝土不同。主要表现在，高强混凝土的早期水化较普通混凝土更为剧烈，早龄期的力学性能的发展及自收缩特性与普通混凝土差异明显。

另一方面，粉煤灰作为矿物掺合料在混凝土的发展过程中起着越来越重要的作用，普通混凝土中掺加粉煤灰已成为常规技术。通常认为粉煤灰会降低普通混凝土的早期强度和发展速度[2]，但粉煤灰及其掺量对高强混凝土早龄期力学性能和自收缩的影响还未得到深入研究。

本文以0.3水胶比的高强混凝土为研究对象，通过对不同粉煤灰掺量(0%、10%、20%、30%)的高强混凝土的试验研究，考察粉煤灰掺量对高强混凝土早龄期力学性能(抗压强度、劈裂抗拉强度、拉伸弹模)和自收缩特性的影响并分析其规律。

1实验材料及方法

1.1原材料及混凝土配合比

研究中所用的实验材料均由浙江华威建材集团提供，原材料的物理性质见表1，粗细骨料均以饱和面干状态计算。混凝土配合比见表2，表中同时给出了混凝土拌合特性。混凝土水胶比为0.3，粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%；为了达到良好的工作性，配制过程中加入聚羧酸高效减水剂[3]，以控制其坍落扩展度在(550±20)mm。

表1　原材料基本物理性质

表2　混凝土配合比

注：B=FA+C；A=S+G，它们代表的意思见表1。

1.2实验方法

混凝土强度试件采用尺寸100 mm×100 mm×100 mm，自收缩试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。混凝土入模后，即转移至温度为(20±1)℃、相对湿度(RH)为(60±5)%的养护室中，并同时覆盖塑料薄膜以及潮湿无纺布来阻止水分逸散。试件养护至混凝土龄期为1 d左右拆模，拆模后立即依次用塑料膜、铝箔胶带密封，至预设测量龄期。自收缩通过高精度位移传感器以及数据采集仪进行测量，起测龄期为12 h，测定时间间隔为1 h。

2实验结果分析

2.1粉煤灰对高强混凝土早龄期基本力学性能的影响

2.1.1粉煤灰对高强混凝土早龄期强度的影响

因本研究采用100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件为非标准试件，故实验所测强度值需相应修正，修正后的强度试验结果见图1、图2。

图1　各掺量粉煤灰混凝土抗压强度经时发展及速率比较

图2　各掺量粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度经时发展及速率比较

由图1a)及图2a)可见，无论是抗压强度还是劈裂抗拉强度，由于粉煤灰的掺入，与不掺者相比均表现为强度的降低，并且随粉煤灰掺量的增大强度降低明显，尤其是劈裂抗拉强度。但是，如图1b)及图2b)可见，就强度的发展速率而言，在本研究的高强混凝土粉煤灰掺量30%的范围内，粉煤灰掺量的影响并不明显，强度发展速率与龄期关系基本相同，几乎处于同一曲线。由图中可知，混凝土强度发展都是在3 d之前完成绝大部分，随着龄期的发展，增长速率越来越小；并且从强度发展速率图中也可以看出，高掺量粉煤灰混凝土14 d左右的强度发展速率呈现出高于低掺量粉煤灰混凝土，甚至高于不掺粉煤灰的混凝土。因此，可以认为，尽管粉煤灰会限制高强混凝土早龄期的强度发展，但是强度比普通强度的粉煤灰混凝土会在更早(龄期14 d前后)得到弥补。其原因可能和粉煤灰引起的二次水化[4]以及微集料作用有关。

2.1.2粉煤灰对高强混凝土早龄期拉伸弹性模量的影响

混凝土的拉伸弹性模量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，在本研究团队自行设计的拉伸徐变装置上进行直接拉伸获得[5]，结果见图3。

图3　各掺量粉煤灰混凝土拉伸弹性模量经时发展及速率比较

由图3a)可知，粉煤灰掺量不超过20%时，粉煤灰对拉伸弹性模量的影响相比于抗压强度和劈裂抗拉强度而言都要小，并且在龄期为7 d时已与不掺粉煤灰的混凝土基本相同。但掺量30%时影响较大。如图3b)所示，从拉伸弹性模量速率发展曲线上也可以看出与抗压强度及劈裂抗拉强度相似的规律。

2.2粉煤灰掺量对HPC自收缩特性影响分析

混凝土自收缩是指在恒温绝热条件下由于胶凝材料的继续水化引起自干燥而造成的混凝土宏观体积的减少[6]。随着混凝土的发展，各种高性能混凝土相继出现，水灰比降低、外加剂的使用、矿物掺合料的普及都对混凝土自收缩尤其是早期的自收缩产生了很大的影响，使得混凝土自收缩成为影响其裂缝发展的很重要的一个因素[7]。粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%的高强混凝土自收缩实验结果见图4。

图4　不同粉煤灰掺量混凝土自收缩经时变化

自收缩的测量起始点为0.5 d龄期，持续至28 d。由图4可明显看出，粉煤灰对混凝土的自收缩起到抑制作用，并且随着粉煤灰的掺量增加，对自收缩的抑制也就更为明显。这种作用不仅表现在28 d的总收缩值，掺粉煤灰0%、10%、20%在28 d的收缩值分别为426、345、325με，依次减小；在自收缩变化最为迅速的早龄期起到的抑制作用更为明显，如1 d时，掺粉煤灰0%、10%、20%的混凝土自收缩值分别为163、60、35με，其中掺入粉煤灰10%的混凝土1 d收缩值较基准混凝土减少了63%；20%粉煤灰混凝土减少了78%，这对高强混凝土早期开裂控制有很大的帮助。

3结语

在本研究粉煤灰掺量的范围内可得出如下结论：

1)粉煤灰高强混凝土的早期强度尽管由于粉煤灰的掺入会受到影响，但强度发展都是在3 d之前完成绝大部分，而且与普通混凝土相比，掺粉煤灰的高强混凝土的强度会在更早的龄期得到弥补。

2)粉煤灰高强混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、拉伸弹模的发展速率随龄期的变化规律基本相同，粉煤灰掺量的影响不明显。

3)粉煤灰对混凝土的自收缩，尤其是早龄期自收缩变形有明显的抑制作用，并且粉煤灰掺量越大，抑制作用越明显。

参 考 文 献

[1]朱春银,张云升,高建明.超高性能混凝土的制备与物理力学性能研究[J].混凝土与水泥制品,2010(1):13-15.

[2]匡楚胜,李涛,谢桂,等.混凝土掺粉煤灰若干问题探讨[J].混凝土,2004(7):40-41.

[3]何廷树,申富强,王福川,等.复合使用高效减水剂与缓凝剂对水泥水化历程的影响[J].硅酸盐学报,2007,35(6):796-800.

[4]贺鸿珠.掺粉煤灰水泥基材料水化机理及性能的电化学研究[D].上海:同济大学,2001.

[5]杨杨,许四法,叶德艳,等.早龄期高强混凝土拉伸徐变特性[J].硅酸盐学报,2009,37(7):1124-1129.

[6]王强.水胶比和粉煤灰对高性能混凝土自收缩的影响[D].北京：清华大学，2006.

[7]Tazawa E, Miyazawa S. Influence of cement and admixture on autogenous shrinkage of cement paste[J]. Cement and Concrete Research, 1995,25(2):281-287.

收稿日期：2016-03-01

作者简介：刘东京(1989—)，男，河南商丘人，硕士在读。

中图分类号：TU528.31

文献标志码：A

文章编号：1008-3707(2016)07-0048-04

Influence of the Flyash to the Mechanical Property at the Early Ageand Self-Constriction for the High-Strength Concretec

LIU Dongjing1, YANG Yang1,2, NI Tongyuan1,3, WEI Honggang4