大掺量粉煤灰混凝土回弹测强曲线的试验研究

刘国良

（中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511455）

众所周知，混凝土结构工程是保障国家经济增长和人民生命财产安全的生命线工程。2017 年，我国预拌混凝土年使用量已超 17 亿立方米。大量的混凝土用于工业以及民用建筑。因此加强和完善对这些混凝土构建物的检测是保障混凝土构建物结构安全的重要手段。检测混凝土构建物质量的方法有很多，比如有损检测和无损检测，其中由于有损检测会破坏混凝土结构，因此一般利用无损的方法检测混凝土构建物的质量[1-3]。回弹法由于具有仪器携带方便、操作方法简单、成本较低、不破坏混凝土构建物结构等优点成为混凝土质量检测常用的方法[4-6]。另一方面，在生产水泥过程中会产生二氧化碳，大量水泥的生产及使用导致了大量二氧化碳的排放，造成了全球的温室效应。粉煤灰由于具有微集料效应和活性效应，用粉煤灰代替等质量水泥，不但能够减少水泥用量，间接减少二氧化碳的排放，而且能够有效利用粉煤灰，避免资源的浪费。目前混凝土结构工程中一般都掺加大量的粉煤灰，然而，掺加粉煤灰后混凝土的结构组成等发生了改变，原有的国家回弹测强曲线已不适用于粉煤灰混凝土的质量检测，因此建立粉煤灰混凝土的回弹测强曲线对准确评价粉煤灰混凝土质量安全、防范工程事故具有重要的工程实用价值。

1 试验过程

1.1 原材料

水泥采用海螺 P·Ⅱ52.5 级水泥；粗骨料采用石灰岩碎石，粒径范围 10～20mm；细骨料采用普通河砂，细度模数为 2.70。水泥及粉煤灰的化学成分见表 1，混凝土的配比见表 2。

按照配合比成型混凝土，成型尺寸为 150mm×150mm×150mm（用于抗压强度及回弹值测量试验）和 100mm×100mm×300mm（用于测量混凝土碳化深度试验），试样脱模成型后先在标准养护室养护 28d，之后将混凝土试块放在室外摆成品字形进行自然养护。

表 1 水泥熟料的化学组成

表 2 混凝土配合比 kg/m3

1.2 方法

1.2.1 回弹测试与计算

根据 JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》测试混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的回弹值。

1.2.2 抗压强度

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的抗压强度。

1.2.3 碳化深度测定

测量 100mm×100mm×300mm 的试块在 28d、60d、120d 及 180d 时的碳化深度。首先将混凝土切开一个横截面，然后用事先配置好的酚酞酒精溶液喷洒在混凝土横截面上，到一定的时间后在混凝土红色与非红色交界处用碳化深度测量仪测量，精确到 0.5mm。

2 结果与分析

试验结果见表 3。

2.1 水灰比的影响

图 1 不同水灰比对混凝土抗压强度的影响

图 1 表示不同水灰比对混凝土抗压强度的影响。从图中能够看到随着水灰比的减小，混凝土的抗压强度增大。从图中还能看出同一水灰比下随着龄期的增加，混凝土的抗压强度增大。图 2 表示不同水灰比对混凝土回弹值的影响。从图中能够看到随着水灰比的减小，混凝土的回弹值增大。究其原因，由回弹仪的原理可知，测试时，当回弹仪的弹击锤弹击混凝土表面时，有一部分能量会被混凝土吸收，另外一部分能量会反弹回弹击锤，反弹回弹击锤的能量越大，混凝土的回弹值就越大。当混凝土的水灰比增加时，混凝土的水化产物减小，导致混凝土的孔隙率增大、密实度减小，从而当弹击锤弹击混凝土表面时被混凝土吸收的能量增加，反弹回弹击锤的能量减小，故混凝土的回弹值减小。图 3～5 表示混凝土的抗压强度与回弹值在不同龄期下的比较。从图中均能看到同一龄期下混凝土的抗压强度大于混凝土的回弹值。

图 2 不同水灰比对混凝土回弹值的影响

表 3 混凝土试验结果

图 3 0.60 水灰比下混凝土抗压强度与回弹值比较

图 4 0.50 水灰比下混凝土抗压强度与回弹值比较

图 5 0.40 水灰比下混凝土抗压强度与回弹值比较

2.2 粉煤灰掺量的影响

图 6 表示粉煤灰不同掺量对混凝土抗压强度的影响。从图中能够看出在养护 28d 时，不掺加粉煤灰混凝土的抗压强度最大，且随着粉煤灰掺量的增加混凝土的抗压强度减小；随着养护龄期的增加，掺加 15% 粉煤灰混凝土的抗压强度最大，不掺加粉煤灰混凝土的抗压强度次之，掺加 45% 粉煤灰混凝土的抗压强度最小。究其原因，一方面由于粉煤灰具有微集料效应和活性效应，其可以填充在混凝土的孔隙中又可以与混凝土中的水化产物发生二次水化反应生成更多的水化产物填充在混凝土的孔隙中，这会导致混凝土的密实度增加，从而会导致混凝土的抗压强度增大，这体现为粉煤灰对混凝土的“正效应”；另一方面，由于粉煤灰取代了等质量的水泥，导致水泥水化生成的水化产物减小，从而增大了混凝土的孔隙，降低了混凝土的密实度，这体现为粉煤灰对混凝土的“负效应”。粉煤灰对混凝土的实际影响由以上“正负效应”共同决定，当粉煤灰掺量为 15%时，粉煤灰对混凝土的影响是“正效应”大于“负效应”；当粉煤灰掺量为 30% 及大于 30% 时，粉煤灰对混凝土的影响是“负效应”大于“正效应”。

图7表示粉煤灰不同掺量对混凝土回弹值的影响。从图中能看出当粉煤灰掺量为 15% 时，当养护龄期大于 60d 时混凝土的回弹值最大，不掺加粉煤灰混凝土的回弹值略小。从图中还能看出，当粉煤灰掺量大于 30%时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的回弹值降低。这是因为一方面粉煤灰的密度要小于水泥的密度，在混凝土成型时，粉煤灰会富集在混凝土的表面，导致混凝土表面的粉煤灰含量相对较高，导致回弹值降低；另一方面，由于掺加大量的粉煤灰导致混凝土内部孔隙增大，从而反弹回弹击锤的能力减小，导致混凝土的回弹值减小。另外，从表 3 可以看出，任一龄期下粉煤灰混凝土的抗压强度均大于其回弹值。

图 6 粉煤灰不同掺量对混凝土抗压强度的影响

图 7 粉煤灰不同掺量对混凝土回弹值的影响

2.3 对碳化深度的影响

图 8 表示不同水灰比对混凝土碳化深度的影响，从图中能够看出 0.60 水灰比下混凝土的碳化深度最大，在养护 180d 后碳化深度已达 2.0mm，而此龄期下的0.50、0.40 水灰比下的混凝土的碳化深度分别为 1.5mm和 1.0mm。这是因为随着水灰比的减小，混凝土的孔隙率减小，密实度增大，导致二氧化碳进入混凝土内部的传输速率减慢，从而碳化深度减小。

图 8 不同水灰比对混凝土碳化深度的影响

图 9 表示粉煤灰不同掺量对混凝土碳化深度的影响。从图中能够看出掺加 15% 粉煤灰混凝土的碳化深度最小，不掺加粉煤灰混凝土的碳化深度次之，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的碳化深度增大。当掺加 45%粉煤灰时，混凝土在 180d 的碳化深度为 5.0mm。这表明掺加 15% 粉煤灰混凝土的抗碳化能力最强，且随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗碳化能力减弱。

图 9 粉煤灰不同掺量对混凝土碳化深度的影响

2.4 回弹测强曲线的建立

通过测量粉煤灰不同掺量混凝土在不同养护龄期下的抗压强度、回弹值以及碳化深度，建立了大掺量粉煤灰混凝土的回弹测强方程[7-8]。

其中：f——混凝土抗压强度换算值，精确到0.01MPa；

Rm——测区平均回弹值，精确到 0.1MPa；

Dm——测区平均碳化深度值，mm；

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》规定地区测强曲线的平均相对误差不应大于±14%，相对标准差不应大于 17%。因此采取通过计算曲线的平均相对误差和相对标准差来评判拟合曲线的精度。其中平均相对误差和平均标准差的计算规定如下：

其中：

fcu,i——测得的第 i 个试件的抗压强度值，MPa；

n——试件个数。

根据公式 (2) 和 (3) 计算大掺量粉煤灰混凝土回弹曲线的平均相对误差和平均标准差，δ=±7.8%＜±14%，σ=9.7%＜17%，r=0.876，(r 为相关性系数),这两个指标明显低于地区测强曲线的误差要求，可知该曲线拟合效果较好。

3 结论

（1）掺加 15% 粉煤灰混凝土的抗压强度和回弹值最大，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度和回弹值减小。

（2）建立了粉煤灰混凝土回弹测强曲线：f=0.0748R.689310-0.0263Dm。平均相对误差和相对标准差均满足 JGJ/T 23—2001《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》的要求。